汽车用钢板St13冲压成型数值模拟分析

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摘 要：本文应用dynaform数值模拟技术对St13钢板建立前后梁的冲压模型，研究其成型性能，得知：St13成型汽车冲压件，通过反复修改冲头冲压速度和压边圈压力优化工艺参数后，能够表现出良好的成型性。

关键词：汽车前后梁；dynaform；数值模拟技术

随着现代科学技术的发展，节能环保开始成为人们关注的重点。汽车工业的发展开始以减轻汽车自重节约能耗，降低排放改善环境，采取措施提高安全性为目标。因此开展了新技术、新材料、新工艺和新产品的开发[1]。普通沸腾钢是50-60年代开发并广泛应用的第一代深冲钢产品，只能用于制造普通冲压件；第二代产品为低碳铝镇静钢，产生于60～80年代，具有优良的深冲性能；80年代以后出现了以无间隙原子钢为代表的第三代超低碳超深冲钢。目前，在超深冲压级钢的基础上开发的超深冲高强度钢板和超深冲烘烤硬化钢板已在汽车生产中大量使用。

应用金属板料成型数值模拟技术可以做到：对起皱和拉裂的预测与消除、回弹的计算、压边力的确定、毛坯尺寸的计算、方案的选择及模具磨损的预测和改进等。借助于有限元模拟方法对板料成形进行分析，可以使人们获得对于板料成形过程规律的认识，以较小的代价、在较短的时间内找到最优的或可行的设计方案。因此，可以缩短模具设计周期，降低模具设计成本，提高板料制件的质量及生产效率。

前后梁是比较典型的汽车冲压件，本课题选择前后梁作为研究梁类汽车冲压件的冲压成型过程的实例，以汽车钢板st13作为成型前后梁的材料，用有限元软件Dynaform对前后梁冲压成型过程进行数值模拟。

1 St13化学成分

St13是德国牌号，为冷扎板、普通结构钢。其化学成分为：C

碳含量及其在钢中的存在形式决定着钢的强度和其它性能，高的碳含量会造成冷轧后产品的渗碳体级别升高，使强度增加，塑性下降。因为存在较硬而脆的渗碳体阻碍了铁素体基体变形；对成型用钢Stl3而言，需要的是较低的屈服强度、高的均匀伸长率和总伸长率。

2 前后梁的建模及前处理

2.1 创建模型

先在DYNAFORM界面做出前后梁实体模型，如图1。该零件板料取为1.0mm厚的St13普通钢。生产工艺路线为冲裁、拉深、冲孔、切边、整形等数道工序，其中拉深是最关键的成型步骤。

2.2 参数设定

选择Tool|Analysis Setup菜单项，默认单位系统是长度单位为mm（毫米），力单位为N（牛顿），时间单位为SEC（秒），质量单位为TON（吨）。成形类型为单动（Single action），默认的毛坯和所有接触界面类型为单面接触（From One Way S.toS.）。默认的冲压方向是Z。接触间隙为毛坯厚度1.0mm。

2.3 曲面网格划分

选择TOOL MESH（工具网格划分）参数设置为缺省值。

2.4 毛坯网格划分

根据生成的毛坯轮廓生成毛坯并采用四边形网格进行网格划分，共划分5152个单元，然后进行填充内孔、模型边界检查、锁模检查和法向一致性检查等一系列的网格划分的合理性检查。

2.5 工具的设定

在菜单项中定义PUNCH（凸摸）、DIE（凹摸）、BINDER（压边圈），自上而下分别是凸模、毛坯、压料面和凹模。

3 St13冲压模拟结果

在模拟汽车前横梁拉深成形时，为提高计算效率，采用了近似简化条件处理拉深成形问题，板料材料采用了Hill 屈服准则的厚向异性材料模型，模具材料采用刚体材料模型。

板料为1.0mm厚的St13普通钢板成形前后梁，模拟参数设置为：工具行程速度：8000mm/s，压边力：800KN。

拉深成形的FLD中，可以看出板料没有出现破裂、起皱等缺陷，在厚度最大处标出的最大厚度约为1.000894mm，增厚了0.000894mm，增厚了约0.08%，一般认为在成型部分增厚不超过10%，减薄不超过30%，都是可以接受的。

4 结论

⑴用St13成型汽车冲压件，通过反复修改冲头速度和压边圈压力的大小来优化工艺参数后，表现出了良好的成型性。⑵通过利用dynaform的数值模拟技术对钢板St13进行实时动态模拟，可以了解冲压过程中是否存在严重的起皱和开裂倾向，有助于确定最佳参数，优化冲压工艺。

[参考文献]

[1]王先进，唐获，吕雪山，康永林.汽车用钢板的现状与发展（I）.材料・工艺・设备，1993（4）：12～14.

[2]彭颖红.金属塑性成形仿真技术[M].上海：上海交通大学出版社1999.

[3]于燕.烘烤硬化钢板BH340与普通冷轧钢板St13性能对比分析.电焊机，2006，08.

作者简介：王立（1982-），女，吉林人，硕士研究生，东北电力大学工程训练教学中心。