轿车零件应变分析与FLD选材预测

第34卷第2期1 9 9 9年2月Vol 34, No. 2February 1999钢铁IRON ANS STEELFLD汪承璞冯苏宁陆匠心（宝山钢铁（集团）公司）对CA 7220红旗轿车主要零件便用的钢板进行了冲压级别分类.采用网格法测定了零件冲压后的应 变值并绘制了零件应变图和成形极限图（FLD）。用有限元模拟分析（尸“）确定出油底壳零件变形的危险部 位计算了危险部位的成形安全裕度并对零件优化选材进行了性能预测。冷轧薄板冲压成型应变分析成形极限图STRA IN ANALYSIS AND FLD MATERKL SELECTDNFORECAST FOR AUTOMOBLE PARTSW AN G Chengpu FEN G Suning LU J iangxin(Baoshan Iron and Steel Corp.)ABSTRACT The classilicatbn of deep draw ing sheet by stamping for CA 7220 RED FLAG sedan was investigatedThen the strain after fomi ing was measured by means of grid metho d and fonn ing lin it diagrams and strain diagram s of stamp parts w ere obtained- The critical parts oil pan were detenu iiicd by use of FEA , the safety tolcrance in fonn ing of stmnp parts were calculate d An optinalmatcrkil sc led bn forecast wasm adc-KEY WORDS cold rolled sheet steels, slumping fonn ing. strain analysis, foim ing lin it diagram第34卷第2期1 9 9 9年2月Vol 34, No. 2February 1999第34卷第2期1 9 9 9年2月Vol 34, No. 2February 1999近20年来,国内外学术界和工程界对汽车用钢 板的材料性能和冲压成型技术开展了大量深入研 究“山最基本的研究方法是采用一些标准的模拟成 形试验例如杯無锥杯 冲杯扩孔和成形极限图. 试图对钢板作出综合成形性能评价尽管这些方法 对选材提供了试验依据，然而无法说明材料性能和 零件冲压过程的相互关系.因而和实冲结果仍存在 着差距c 90年代后.美国、日本等世界一流的科学研 究中心采用有限元数值模拟和网格技术对零你模 貝冲压工艺和材料性能之间的相互适应性进行了 三维动态仿真分析涉及领域之广泛、研究成果之显 著,十分引人瞩目“）。随着我国汽车工业的发展.轿车用钢成型技术 和使用性能研究正在逐步深入开展C本文选择第一 汽车集团公司制造的CA 7220小红旗轿车车身零件 行李箱盖外板、后纵梁h前翼子板和油底壳四种主 要零件进行了零件应变分析和FLD选材预测。为薄 板生产厂实现按零件对路供应以及汽车制造厂能够 按车型合理选材提供了依据。111试验材料CA 7220小红旗轿车零件中的行李箱盖外板、 后纵梁h前翼子板和油底壳分别采用宝钢生产的 St 1405冷轧板、BIF2冷轧板、SEC IF电镀锌钢板和 B IF3冷轧板。其力学性能见表lo表1材料的力学性能Table I M echanical properties of test material啊号厚度/min%/M Pn(Ro/够/kii血StUOS0. R行李箱 盖外板165709410.211.6BIF21.2J&纵梁I150302440.232.0BE订1.5油底壳148300460. 252.2SEC IF0.8前辺千板146298460. 252.2第34卷第2期1 9 9 9年2月Vol 34, No. 2February 1999第34卷第2期1 9 9 9年2月Vol 34, No. 2February 1999联系人：冯苏宁高级工程师上海(2019()0)宝山钢铁(隼团)公司钢研所 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 441999年第2期小红旗轿车车身行李箱盖板使用DDQ级S114 冷轧板.表面为05等级.后纵梁I使用EDDQ级 BIF2冷轧板(Ti-IF钢)，油底壳使用SEDDQ级 BIF3冷轧板(Ti+ Nb-IF钢).前翼子板使用以 BIF3冷轧板为基板的SEC IF电镀锌钢板,镀锌层 厚度为20 g/n2.12试验方法用于零件应变测量的钢板在一汽车身厂实冲, 冲压前在零件毛坯上采用电化学腐蚀法制作基准圆 直径为mm的网格并在正常生产条件下冲出合 格的零件然后对各部位变形后的基准圆进行应变 测量经过计算后将各部位的应变值“、门绘制成应 变图。成形极限图按照国家标准GBA15825.8- 1995金属薄板FZD试验方法在宝钢钢研所日本 SA S500RN成形试验机上进行，采用照相法在试 样表面印制 5 min的网格圆.试验后用数显比长 仪测量极限应变值精度为0. ()1 mm.经计算后把 试验点6、小在直角坐标系中绘制成成形极限 (FLC)曲线零件有限元模拟分析(FEA )在计算机 工作站用LS-DYNA3D软件进行。221轿车用薄板的冲压级别宝钢供应小红旗轿车车身用薄板所要求的冲压 级别和力学性能见表2。:.All rights reserved #1999年第2期:.All rights reserved #1999年第2期表2轿车零件用薄板的冲压级别Table 2 The stamping chssificatbn of sheet steels used for automobile parts冲压级别5& Pa(Jt/Kl Pa&o/%HmAn誓件名称DQ340. 191.4加强板、支架竽DDQ380.211.6车门外板、行李箱盖板等EDDQ400.231.8后纵梁k前座梅積梁等SEDDQ420. 252.0艮子板、油底壳等:.All rights reserved #1999年第2期:.All rights reserved #1999年第2期根据轿车零件对成型性的要求.需选用不同冲 压级别的钢板表2是根据宝钢供一汽小红旗用冷 轧钢板的品种和规格进行了大量试验分析和生产统 计归纳出来的。2.2材料FZD图和零件应变图为了说明他D的意义.图1示出了常用应变范 围内FLC曲线的形状和对应的应力状态，同时标出 了主要区域的变形模式、安全区及失效区。从图1可 以看出.零件的深冲成型与FZQ的左半部相对应. 该区内拉压极限应变水平较高相关的材料参数是 /值和厂值.失效方式主要是起皱和堆积。零件的 拉延成形与的右半部相对应失效方式主要 是延性破裂.由于该区处于双向拉伸应变状态.因此 要求材料具有高的“值和伸长率.在FLD的主应 变轴门(ez= 0),板材变形时承受平面应变状态. 应力拘束较大变形困难，因此极限应变降到最低值 FLDo,通常UDo与值及板材厚度/(mm)之间有 如下的关系FLDo= “(23.3+ 14. 1/)(1)式中，是与材料值有关的系数。FLD试验和零 件应变图按照1-2节所述试验方法进行.实冲前在 钢板上做位置标记和印制网格实冲后在零件不同 位置上选择变形最大的网格圆进行应变测量并将 1994-2009 China Academic Journal Electronic Pi 所有部位的应变测量点合成组成了零件应变图然 后把材料的曲线和零件应变图绘制在同一坐 标系中称为零件应变极限图C小红旗轿车四种零件 的应变极限图见图2o从图2(“)可见.行李箱盖外板 属于拉延类.在主应变轴上成形安全裕度约为 11%：从图2(b)可见.油底壳属于深冲类.成形安全 裕度约为10 %：从图2(c)、(d)可见.前翼子板和后 纵梁I属于胀形+深冲类零件成形安全裕度分别 为13 %和12 %0从应变分布范围来看油底壳前 翼于板和后纵梁I都是应变水平较高的难冲件c图1 FLD及相应的变形模式示意图Fig 1 FLD and strain model diagram:.All rights reserved #1999年第2期:.All rights reserved e2 / % 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 图2零件应变极限图Fig2 Strain lin it diagram of automobile parts(a)行李箱盖外板.St 1405. 0. 8 mm X975 mm X 1480mm: (b)油底壳.B 1F3. 1.5 mm X 1 200mm X25OOmm:(c)右前艮子板.SEC IF. 0. 8 mm X 1 550 mm X 1 725 mm: (d)后纵梁 1. B IF2. 1 2 mm X 1 300 mm X236O mm 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 2.3有限元模拟分析由于轿车零件变形复杂.在传统的生产过程中. 工艺参数、模具形状和材料性能要经过多次实冲调 整后才能确定而且一旦零件失效尚难以判断其原 因因而成本高、周期长。近年来国际上对汽车板采 用材料的成形性能试验和零件冲压过程动态仿真研 究相结合的方法对该零件所应选用的钢板等级、冲 压性能进行预测.以达到优化选材和优化工艺的目 的。本文试图按照这样的研究方法对CA 7220小红 旗轿车零件油底壳做一些初步的有限元模拟分析。图3油底壳外形Fig 3 O il pan shape油底壳属于深冲变形类零件，图3是油底壳外 形。计算机对方盒形零件的冲压动态模拟分析指出. 在油底壳的深壁部（E、F区）和过渡部（A、B、C、D、G 区）的变形程度最严重这些部位属于大变形的深冲 和弯曲的组合，其应变值大部分落在图2（b）的左上 方高应变区特别在C、D和F区，是平面应变状态 和弯曲变形的组合其应变点位于图2（b）上靠近主 应变轴门的位置.由于成形极限最低，是最容易产 生开裂的部位。24选材预测图4油底壳选材和测Fig 4 Selecting material forecast of oil pan通过材料的和零件应变图并应用FEA 分析软件中迭代的方法可以进行选材预测。根据公 式（l）.FLDo主要与”值和板厚有关.对具体的零 件.厚度是一定的，因此变动“值即可上下移动 FLDoo以油底壳为例，在图4中绘出了钢板应变硬 化指数 加=0.25（SEDDQ 级）、血=0. 23（EDDQ 级）和加=0.2KDDQ级）的成形极限曲线FZG、 FLC?和FLC*由计算可得在主应变轴e,FLC的 成形安全裕度为10 %. FLC1为3 %, UC3为 2%,油底壳的部分应变点已落EFLCy的上方 失效区而由FL Ci计算的成形安全裕度小于10 % 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 461999年第2期说明如果使用DDQ级或EDDQ级钢板冲压油底壳 将可能造成废品通常选材时使用零件应变值均在 FLC以下并且成形安全裕度大于10 %的材料。通 Held和FEA预测冲压油底壳零件的最佳材料 是 SEDDQ 级钢板(aw 170 MPa, &o46 % . ZIm 0. 25,帀2. 2)0由此可见.通过材料的FLD和零件 应变图并结合FEA仿真分析.可确定零件的变形类 型和冲压时的危险部位.并计算成形安全裕度.对材 料性能加以预测，进行优化选材。3(1)轿车零件用钢板的冲压级别应根据零件变 形类型冲压工艺要求和材料性能加以优选。小红旗 轿车行李箱盖外板使用DDQ级SH405冷轧板，后 纵梁I使用EDDQ级B IF2冷轧板.油底壳和翼子 板分别使用SEDDQ级BIF3冷轧板和SEC IF电镀 锌钢板是合理的，可以满足冲压要求o(2) 从材料的FZQ和零件应变图可以了解零 件变形的难易程度结合FEA有限元分析对零件 的冲压安全裕度进行评价是有效的。冲压油底壳零件的最佳材料是SEDDQ级 钢板170 MPa, 46 %, nm A 0.25,小 2.2),冲压成形安全裕度约大于10 %0 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #1999年第2期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #1999年第2期1 Raghavan K S. Recent Progress in the D eve bpm ent of FLD for Automotive Sheet Steels. SA E Technical Paper Series, 920437.2 Vogel J H L ce D A n Au torn a ted Two*viev M ethod for Dctcnn ining Strain Distributbns on Defonncd Surfaces-J M aterial Shaping Technology. 1989(6): 204 2163 M ichael J .Demeri Y Fo nn ability hi pro van ent via V ariable B inder Pressure numerical M odels and Experr ments-SAE Technical Paper Scries, 9704334 Stevenson RCorrelatbn of Tensile Properties W ith Plane* st rail) LDH JA PPL ED M ETAL-WORKNG, 1984,3(6).(上接第28页)1张本生刘德富热锻用非调质钢45V.4(MnV的研制待殊钢.1988. (6):44-45.2王 琪李桂芬刘建刚等加热温度和冷却速度对45V钢俎织和性能的影响钢铁訊钛.1987. (2):60-61.3丹羽 久町田功加藤哲男怎力、机械构造用非调质钢开发七自动车部品从适用电气制钢.1982.53 (1): 24 29.4攀枚花钢铁研究院轧钢室.轧钢工艺参数对1 NnMoVTi钢机械性能的影响.全国低合金钢令议资料 1983- 02-05 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,