基于Abaqus的VRB板冲压成形数值模拟研究

张波 黄红端 张文

【摘 要】VRB板是实现汽车轻量化的一种新技术，因板料过渡区存在使VRB板冲压成形的数值仿真而成为一个新问题。文章基于Abaqus软件以盒型件为例，开展了VRB冲压数值模拟的研究，从计算效率、单元适应性角度对比了3种实体单元和2种壳单元的计算差异，并探讨了虚拟冲压速度和过渡区离散度对成形的影响。研究结果表明：为了提高VRB板冲压成形的模拟精度和效率，需要合理选择单元类型、虚拟冲压速度和过渡区离散程度。

【关键词】VRB;Abaqus;离散化

【中图分类号】TG386 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）06-0076-04

0 引言

中国宝武钢铁集团有限公司新近开发的变厚板（ Variable-thickness Rolled Blanks，VRB）在国际上被称为TRB板，最早是由亚琛工业大学金属成形研究所在激光拼焊板的基础上提出来的[1-2]。该技术的核心是柔性轧制技术[3]，所谓柔性轧制技术是指在钢板轧制过程中，通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材，即实现由等厚度板卷到VRB板卷的轧制（如图1所示）。

與TWB相比，采用VRB板冲压成形汽车零件有诸多优点[4]：省去了焊接工序，可降低生产成本;可以根据零件受力状况，灵活设计过渡区的长度和形状，得到多种板料厚度的组合;过渡区光滑连接，表面质量好;材料性能均匀性得到提高;过渡区有良好的吸收能量的效果，比拼焊板抗冲击性能好。

由于VRB板材具有许多优点，近年来已逐渐在汽车上得到推广应用[5]。但是由于变厚板厚度过渡区的存在，板料呈现明显的几何与材料非均匀性，这使得一些用于研究等厚度板料成形性能的试验方法不能直接用来分析VRB的材料性能，其冲压成形的仿真分析也有待深入研究。本文基于Abaqus仿真分析软件，以盒形件为例，开展VRB板冲压成形的数值模拟研究。

1 有限元模型建立

以图2所示的变厚板方盒形件作为研究对象开展仿真分析，方形盒长155 mm，宽65 mm。凸模圆角半径为10 mm、凹模入口圆角半径为10 mm、冲压深度为35 mm。凹凸模之间的间隙设计为2.2 mm，VRB板的厚区在图2中的左边区域。

VRB毛坯尺寸：板料宽B=200 mm，长L=300 mm;厚区厚度T=2 mm，长度为L1=100 mm;薄区厚度t=1 mm，长度L3=100 mm;过渡区长度L2=100 mm。

板料材料为B210P，薄区和厚区具体材料参数见表1。

2 单元选择对成形结果的影响

在板料冲压成形数值模拟中，用于离散板料的有限元单位类型主要有2种，即三维实体单元和壳单元。由于VRB存在厚度过渡区，在Abaqus软件中采用三维实体单元能很好地体现板料的厚度。本文用准静态过程模拟冲压成形过程，并采用动力显示算法。在Abaqus软件中动力显示模块的算法模块只提供一阶单元，本文讨论C3D8、C3D8R、C3D8I3种实体单元之间进行冲压仿真的差异性。

如果采用壳单元对VRB进行冲压仿真模拟，则需要解决如何表征过渡区厚度连续变化的问题。在Abaqus软件中，也提供了设置渐变厚度壳单元的模块，用户可以通过公式以自定义方式来定义一定区域板料厚度的连续变化。本文采用壳单元模拟VRB板料冲压成形时板料厚度变化情况如图3所示。三维实体单元和壳单元的单元边长统一设计为4 mm，冲压成形的分析步时长为0.05，压边力统一为80 kN。

对于不同的单元选择，从仿真效率与单元的适应性角度进行对比分析，表2列出各种单元类型盒形件冲压成形所需时间。

从表2可见，壳单元与实体单元进行分析的效率差异较大，采用壳单元明显具有时间效率优势，对大型汽车零件，如前纵梁或门内板类零件采用VRB板冲压时将更有工程意义。S4壳单元是完全积分的线性单元，而完全积分的线性单元的边不能弯曲，在计算过程中会出现剪力自锁现象。采用S4R减缩积分壳单元只在中央位置有一个数值积分点，避免了S4壳单元在大变形时出现剪力自锁的问题，同时从表2中可以看出，S4R单元的计算效率优于S4单元。当然S4R也存在沙漏问题，在Abaqus中可以查看沙漏能占内能的比例问题，一般认为沙漏在大部分时间里占内能比例不超过5%，是可以接受的。沙漏问题可以通过引入沙漏应力和提高网格划分精度进一步避免。

图4是该盒形件冲压成形过程中采用S4R单元的沙漏能与内能比值，可见其最大比值不超过5%。因此，在Abaqus软件中，如果已知过渡区厚度的公式化表达，则VRB的冲压成形仿真可以采用S4R的壳单元类型，并依据厚度的公式通过壳单元厚度自定义模块设定坯料的厚度值。这既保证了模拟的准确性，也提高了仿真效率。

3 分析步时长对成形的影响

虚拟冲压速度表现在Abaqus软件中为分析步时长。虚拟冲压速度越快，分析计算时间就越短，但会使惯性力的影响更突出，使成形过程不再是准静态过程。分析步时长增大，计算时间也会随之增长，精度会更高，但会影响计算效率。选取一个合适的分析步时长，保证成形过程为准静态过程的同时，也兼顾计算效率，这是VRB板冲压成形需要考虑的问题。

在Abaqus软件中评价冲压成形过程是否为准静态的过程，采用的是成形过程动能占内能的比例作为评价指标，一般要求该比值在5%以内。针对该盒形件，表3中列出了几种分析步时长的方案，并比较不同方案的动能与内能的比值。图5显示了4种方案的动能占内能比例随时间变化的情况。

如图4所示，当分析步时长为0.001时，动能所占的比例很大，并且延续了很长一段时间;仅当分析步时长为0.05和0.1时，可满足计算精度的要求。4种方案需要的时间分别为1 min 16 s、7 min 27 s、28 min 36 s、49 min 51 s。兼顾计算效率和计算精度，分析步时长可以选为0.05。

4 材料性能与FLC曲线的离散化处理

由于VRB轧制过程是采用同厚度板坯进行轧制，其轧制压下量不同，且不同厚度的VRB板在实际生产中会采用相同退回工艺曲线进行退火，因此导致VRB板不同厚度區域的材料机械性能不完全一样。

VRB过渡区厚度的不均匀性导致不易应用单向拉伸实验来获得该区域材料的应力应变曲线。本文采用插值模拟的方法获取厚度过渡区不同厚度点的应力应变曲线，具体是采用Swift公式拟合过渡区两侧均厚区材料的真应力应变曲线，并在Matlab软件中对过渡区不同厚度值进行插值得到过渡区不同厚度值的真应力应变曲线（如图6所示）。

FLD是冲压仿真进行成形安全性评价的重要工具，对等厚板通常可以采用公式（1）计算FLC曲线。

FLD0=n×（23.3+14.134×t）/21.0 0

εmaj=FLD0+εmin×（0.027 254×εmin-1.196 5） εmin<0（1）

εmaj=FLD0+εmin×（-0.008 565×εmin+0.784 854） εmin<0

从公式（1）可见，板料FLC曲线与板料厚度有关，而VRB板的厚度过渡区FLC曲线如何表征也是仿真过程中的一个问题。本文将VRB板厚度过渡区离散为若干个等厚的区域，图7是离散为5个等厚区的情况，从图6中提取对应每个等厚度区域的材料性能值，并根据厚度计算其FLC曲线。

过渡区离散度不同，仿真结果也有一定的差异，离散度越高就越接近真实情况。本文对过渡区厚度分别离散1个和5个不同的等厚区域进行仿真分析。

5 仿真结果

5.1 离散程度对整体开裂及减薄影响

5.1.1 圆角区域的开裂

冲压开裂是板料冲压成形中主要缺陷之一，材料性能的输入对于仿真结果有着重要影响。变厚板过渡区离散程度不同，意味着过渡区材料性能输入存在明显差异。因此，考察不同离散程度情况下整体板料开裂及减薄的差异性，以此来判断离散程度对仿真精度的影响。

Abaqus后处理FLDCRT云图显示了单元开裂的趋势，如果云图中数值超过1则表示单元开裂。2种离散情况开裂最危险的位置都处于薄区盒形件侧壁处（如图8所示）。

图9为图8中4个圆角区域采样点FLDCRT数值分布。

从图8中可以看出，过渡区离散从1个区域变为5个区域后，薄侧圆角处的开裂趋势增大，而厚侧圆角的开裂趋势基本不变。原因在于过渡区离散为5个部分后，靠近厚侧的过渡区材料的屈服变小，而靠近薄测的过渡区材料的屈服增大，故在冲压过程中，由于靠近薄侧的过渡区材料抵抗塑性变形的能力增加，所以薄测圆角区域的开裂趋势增加。

5.1.2 圆角区域减薄

减薄率云图显示最大减薄率在盒形件的4个圆角处（如图10所示）。

3种离散程度情况下4个圆角处的减薄率数值如图11所示。

从图11中可以发现，厚区圆角减薄率在2种离散情况下差异不大，而在薄区圆角区，离散程度为5时的减薄比离散程度为1时更大。分析开裂趋势，由于离散程度5过渡区靠近薄侧的材料屈服强度的增大，会导致薄区圆角区域的变形增大及减薄率的增加。

5.2 离散程度对过渡区仿真结果的影响

沿着板料的对称中心，在过渡区段从厚区向薄区每隔10 mm取1个采样点，共取11个采样点。考察2种离散程度的等效应变（如图12所示）和减薄率（如图13所示）。

图12和图13中，1到5号采样点靠近厚区，6号采样点处于过渡区正中心，7～11号采样点靠近薄区。当离散程度由1变为5后，采样点1到采样点5的过渡区的材料屈服变小，采样点7到采样点11之间的过渡区材料屈服增大。采样点1到采样点5的过渡区相对之前更容易发生塑形变形，因此采样点1到采样点5的等效应变和减薄率在离散程度为5时偏大。而采样点6到11之间的材料相对于之前不容易发生塑形变形，故采样点6到采样点11的等效应变和减薄率在离散程度为5时偏小。

6 结论

（1）Abaqus变厚板仿真采用壳单元比实体单元效率更高。

（2）Abaqus中变厚板仿真的虚拟冲压速度需要兼顾考虑效率和精确度，依据动能所占内能比例是否小于5%来判别。

（3）过渡区的材料性能可以进行离散化处理，不同离散程度对应不同的仿真结果，离散程度越大，则越接近实际情况。

参 考 文 献

[1]R Kopp，C Wiedner，A Meyer.Flexibly Rolled Sh-

eet Metal and Its Use in Sheet Metal Forming[J].Advanced Materials Research，2005（6-8）：81-92.

[2]Hauger.Tailor Rolled Blanks for Automotive Lightw-

eight Engineering[R].Automotive Circle International Conference，Frankfurd，2008：26-27.

[3]杜继涛.TRB轧制建模及其在汽车覆盖件上应用的关键技术[D].上海：同济大学，2008.

[4]姜银方，方雷，李志飞，等.连续变截面板及其应用中存在的关键问题[J].汽车制造技术，2011（1）：144-148.

[5]刘相华，吴志强，支颍，等.差厚板轧制技术及其在汽车制造中的应用[J].汽车工艺与材料，2011（1）：30-34.

[责任编辑：钟声贤]