廣汽：鋁型材拉彎仿真建模研究

廣汽：鋁型材拉彎仿真建模研究

拉彎成形過程復雜，影響拉彎成形性的因素較多，包括鋁型材的截面及結構形式、材料性能參數、拉彎工藝形式及設備成形參數等，以往主要采用經驗及試制的方法確定鋁型材合理的拉彎成形方案，但是成本高、周期長。隨著有限元CAE分析技術的發展，可以快速的預測拉彎過程出現的缺陷，并分析各成形參數對成形結果的影響，幫助設計者制定合理的成形方案，達到縮短開發周期及節約開發成本的目的。

周賢賓等利用PamStamp軟件開展型材2D拉彎數值模擬建模技術研究，準確模擬了型材拉彎的運動過程，避免了計算拉彎夾持端運動軌跡的復雜過程，為拉彎CAE分析提供了有效且可靠的解決方法。但是拉彎建模過程仍較為繁瑣，需要耗費較長時間。因此如何進行快速建模，減少建模過程中的失誤，制定標準流程是拉彎成形所需解決的問題。

一、拉彎成形工藝方案

圖1所示為某車型的前防撞梁，零件長1150mm，截面為“日”字形，截面寬113mm，高40mm，寬高比約3:1，材料為6082T6，初始料長1160mm，通過拉伸試驗，測得材料參數如表1所示，應力應變曲線如圖2所示。

拉彎成形主要由預拉深、彎曲和補拉深3個階段組成，預拉深是在拉彎前對型材進行拉深，其作用是使材料產生塑性應變，減少后期的回彈量。彎曲是兩側夾頭拉住型材，并繞凸模運動的過程，補拉深的作用是使型材產生塑性應變，降低型材的回彈值。

二、拉彎與其他彎曲成形的區別

型材拉彎屬于型材彎曲成形的一種，屬于金屬塑性成形范，但拉彎成形與繞彎、滾彎等成形方式仍具有區別。

（1）拉彎過程中型材的軸向受拉力，彎曲內側仍然處于拉伸變形狀態，不同于滾彎或繞彎，其內側不起皺。

（2）拉彎時型材上、下層均處于受拉狀態，而彎曲時外層受拉伸，內層受壓縮，因此拉彎后的零件回彈更小。

（3）與其他彎曲工藝相比，拉彎是變曲率的零件成形，不需要分成多段彎曲半徑進行擬合，可以直接成形所需的曲率，更好地控制零件精度。

（4）由于拉彎內側也是伸長，與模具零件接觸產生的摩擦力與其他彎曲成形方式不一樣，由此對截面畸變的影響也不一樣，其他彎曲方式在中間位置不同，最大截面畸變位置在兩側。

三、型材拉彎建模分析

1、型材拉彎建模

建立型材拉彎有限元模型，如圖3所示，凸模與型材進行接觸，夾鉗與型材剛性連接，通過滑塊提供拉力，同時滑塊在筒體中進行直線運動，而筒體繞固定的軸進行旋轉，建立拉彎運動模擬的有限元模型。運動模擬的有限元模型不需要根據不同的凸模曲率，重新計算夾鉗運動軌跡。當成形的型材需要回彈補償或曲率變化時，只需要調整運動參數即可，提高建模效率。

圖4所示為模具零件運動模型，已知型材的彎曲角度θ及旋轉坐標位置即可確定凸模的運動高度H，并計算凸模的運動速度V。

2、滑塊超彈性體定義

因為滑塊需要在筒體中做直線運動，筒體在模型中是剛性體，滑塊需要與型材一樣定義為Surafceblank的屬性，為防止滑塊因受力產生大的變形，需要將滑塊的彈性模量設置更大，同時將滑塊與筒體的摩擦系數設置為0.01，保證滑塊在筒體中可以順利滑動。

3、型材壁厚處理

圖1所示的前防撞梁型材有不同的壁厚，上下2個面的壁厚為3.0mm，中間3個豎直面的壁厚為2.5mm。進行有限元分析時，如果將不同厚度的側壁等效成一個厚度進行分析，會影響分析精度，如在計算截面畸變時，不同料厚截面畸變大小不一樣。因此在分析時需要對不同厚度的側壁賦予不同的料厚值，如圖5所示。

4、型材拉伸力的施加

建立一個壓力加載面，以提供型材拉伸時所需要的拉伸力，其施壓面如圖6所示，拉伸力根據型材的屈服強度和型材截面大小確定。

試驗測得的6082T6鋁型材的應力應變曲線見圖2所示，材料的屈服強度δ0=147MPa，型材的初始截面積A=994mm2，因此使型材得到屈服變形的拉伸力為T0=A×δ0=146kN。

5、預拉深與補拉深變形量確定

預拉深與補拉深是通過夾鉗的運動確定，因此通過描述夾鉗的運動可以確定預拉深量與補拉深量，一般預拉深量限定在0.5%左右，使拉應力略超過屈服強度即可，根據型材初始長度，設定型材拉深長度為6mm，即左右夾鉗分別拉深3mm。圖7所示為左右夾鉗運動曲線，補拉深量的控制一般要求保證補拉深時不會將型材拉裂。在滿足拉彎成形的條件下，型材拉深量對應的應力保持在最低水平，以免造成截面畸變過大。

6、有限元模型

采用ESIPamStamp2012軟件進行拉彎仿真模擬，管材采用BT單元，單元大小為6mm，由于材料厚度較厚，積分點設置為7，材料屈服模型采用Hill48厚向異性材料模型，r值取0.7。模擬中接觸處理采用罰函數法，材料與凸模摩擦系數為0.12，應力應變曲線為試驗獲得（見圖2）。拉彎仿真模擬利用混合算法求解，其中采用動態顯式算法分析拉彎成形過程，采用靜態隱式算法分析拉彎回彈過程。

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分析結果及驗證

1、分析結果比較

為了對比不同拉伸力對型材拉深的影響，采用3組不同的拉伸力T1，即T1=0.5T0=73kN，T1=0.7T0=102kN，T1=0.9T0=131kN，其CAE分析結果如表2所示，對比不同拉伸力對零件回彈、頂面凹陷、型材內外側拉伸長度的影響。

2、拉伸力對回彈的影響

從圖8可以看出，隨拉伸力的增加，型材的回彈值越大，這是由于拉伸力越大，卸載之后產生的變形抗力也越大，則回彈也越大。但由于預拉深的作用，回彈大小差別并不大，對于拉彎，預拉深可以有效控制型材產生彎曲。

3、拉伸力對頂面凹陷的影響

從圖9可以看出，拉伸力對型材頂面凹陷的影響，拉伸力為0.5T0和0.9T0時，其頂面凹陷都較0.7T0大，需要采用合適的拉伸力控制頂面凹陷。

4、拉伸試驗

對鋁合金前防撞梁拉彎過程進行了試驗研究，如圖10所示，根據CAE分析結果，采用100kN拉伸力以減小零件型面畸變及控制回彈。同時通過現場對零件進行精度測量，對比實際拉伸測量結果與CAE分析結果，如表3所示，內外側伸長量較合適。零件頂面最大凹陷1.5mm，左右兩側回彈量1.3mm，與CAE分析結果相符合。