CN104077439B - 一种新型高强钢轮辐拉深冲孔复合工序的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型高强钢轮辐拉深冲孔复合工序的数值模拟方法。通过建立正确的有限元模型，可观察到新型高强钢板料用于轮辐生产的成形过程，并获得轮辐成形过程中壁厚、应力、应变以及损伤的分布，可以及时发现轮辐成形过程中可能出现的板料过度减薄甚至拉裂等成形缺陷，使新型高强钢板料在用于轮辐实际生产前就能预先评估其成形性能，从而能够有效改进工艺设计方案并优化模具参数，提高轮辐产品质量，降低产品废品率，避免试错法带来的大量人力和物力的投入，进而提高高强钢产品的市场竞争力，推动新型高强钢车轮的应用和发展，为高强度车轮用钢的优化提供依据。

Description

一种新型高强钢轮辐拉深冲孔复合工序的数值模拟方法

一、技术领域

本发明属于车轮轮辐制造领域，具体是一种新型高强钢轮辐拉深冲孔复合工序的数值模拟方法。

二、背景技术

车轮轮辐是连接汽车轮辋和轮毂的主要支撑件，也是车轮安全的关键部件，制造轮辐传统的材质主要有铝合金和低碳钢。随着汽车工业对安全性能和产品轻量化要求的不断提高，高强钢由于具有较低的屈强比、且成本较轻质材料低等在安全性和经济性方面的优点而广泛应用于轮辐成形。

轮辐冲压成形工艺由多道工序组成，包括拉深冲孔、成型、切边、冲风孔、压风孔毛刺等。生产中常采用拉深冲孔复合工序作为轮辐成形的第一道工序，可以减少工序道次，缩短总成形时间，提高生产效率并降低生产成本，特别适合大批量生产。由于这一工序中工件变形量大、模具形状复杂，在轮辐成形过程中会出现壁厚减薄甚至拉裂等缺陷，直接影响到轮辐最终的成形质量。因此，拉深冲孔工序是决定轮辐质量非常重要的工艺环节。

随着轧制工艺的发展和汽车工业的需求，强度高、成形难度大的新型高强钢板料在轮辐制造业的应用越来越广泛。新型高强钢板料在用于轮辐冲压成形时，由于其强度高，成形范围窄，导致成形难度大且成形质量不易控制；并且当模具设计和工艺参数设计不当，轮辐会出现局部减薄，壁厚不均匀甚至出现开裂等缺陷。因此准确的预测新型高强钢板料用于轮辐成形过程可能出现的缺陷及合理的进行模具设计并优化工艺参数对于其在汽车轮辐制造业的推广使用具有十分重要的实际意义。对于高强钢车轮轮辐冲压成形工艺，现有的研究方法是主要依靠反复试错法，存在周期长、成本高等缺点，严重制约了新型高强钢材料在乘用车车轮轮辐制造领域的推广使用。

三、发明内容

本发明的目的在于提供乘用车用新型高强钢车轮轮辐拉深冲孔复合工艺的有限元数值模拟方法，通过有限元数值模拟方法可以获得轮辐生产过程中金属的流动规律，得到零件的应力、应变、壁厚等场变量的分布，进而在生产实际前就预先评估新材料钢板的轮辐成形性能，从而能够有效改进工艺设计方案并优化模具参数，提高轮辐产品质量，并且通过对加工技术的研究，引导用户用好新型高强钢产品，有效降低轮辐产品的废品率，降低生产成本，缩短研发周期，提高新型高强钢产品的市场竞争力，推动新型高强钢在车轮轮辐制造领域的应用和发展。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

(1)建立轮辐拉深冲孔过程三维有限元模型：

①新型高强钢板料本构模型的建立。基于ABAQUS/Explicit软件平台及坯料外形尺寸，建立板料的几何模型；根据单向拉伸试验获得板料的力学性能参数，包括E、K、v、σ_0.2、σ_b、n、δ。为研究轮辐成形过程的损伤情况，需选择合适的韧性断裂准则并将其耦合到本构关系中，从而建立起材料的模型。

②基于ABAQUS/Explicit软件平台，建立高强钢轮辐拉深冲孔过程的几何模型。模具由拉深凹模、拉深压边圈、冲孔凹模、冲头、冲孔压边圈和凸凹模组成，其中，凸凹模在拉深时作为凸模，冲孔时作为凹模。

③根据实际生产情况对将几何模型进行装配，保持各部件的中心在一条轴线上。

④单元选择与网格划分。根据高强钢坯料外形尺寸的特点，板料划分单元网格时主要采用C3D8R实体单元进行离散，该单元属于八节点六面体减缩积分单元，能够承受较大的变形，用较低的计算成本获得精度较高的结果。为兼顾有限元模拟精度与效率，对板料与模具圆角接触区域进行网格细化，且板料厚度方向划分四层网格。模型中模具采用R3D4壳单元进行网格划分，由于模具在成形过程中，其单元密度不影响计算精度，可采用稀疏网格进行离散。

⑤施加载荷及约束条件，包括凸凹模和冲头的行程及总的成形时间。凸凹模的行程根据实际生产中轮辐的拉深高度而定，为避免动态效应太明显，其幅值曲线采用光滑过渡，冲头的行程根据模具装配图确定，在有限元模型中采用位移加载。

⑥定义模型的接触边界条件。模型的接触对包括拉深凹模-板料上表面、凸凹模-板料下表面、拉深压边圈-板料下表面、冲头-板料上表面、冲孔压边圈-板料上表面，共5对接触对，各接触对采用面面接触方式，接触算法采用罚函数法。

(2)验证模型的正确性：

计算轮辐拉深过程中变形体动能与内能的比值以及伪应变能与内能的比值，若所述动能与内能的比值在成形过程中不超过预期的数值，则可以认为板料变形在准静态下发生的，即模型是稳定的；

为进一步验证计算模型的正确性，将轮辐的仿真结果与给定的外形尺寸作对比，若轮辐外形尺寸的仿真结果与所给尺寸相吻合，则验证了所建立模型的正确性；

如果发现模型能量比不稳定或者模拟成形后尺寸与给定尺寸相差较大，则返回步骤1重新建模、调试，直至模型满足要求。

(3)利用ABAQUS软件的后处理模块，分析轮辐拉深冲孔过程中轮辐的壁厚、应力、应变以及损伤情况，及时发现轮辐的成形缺陷：

①对整个成形过程中轮辐等效应力的分布及变化进行分析，找出其变化规律，等效应力过大的区域就是轮辐成形过程易产生质量问题的危险区域；

②对轮辐的等效应变分布及变化进行分析，通过应变云图分析材料的变形程度，轮辐成形过程中等效塑性应变值接近的部位表示材料在这些部位的变形程度相近，不同部分变形程度接近，说明材料的变形均匀。等效塑性应变最大值出现的区域就是轮辐成形的危险区域；相反，如果轮辐成形件不同部分等效应变相差较大，则轮辐成形过程就容易产生壁厚不均匀、局部减薄或增厚及开裂现象。

③分析轮辐成形后的壁厚分布，观察轮辐成形后出现局部过度减薄的区域，预测轮辐成形的危险截面。

④分析轮辐成形过程的损伤分布及变化规律，根据损伤云图可以预测轮辐成形过程的开裂倾向。

(4)改进成形工艺及优化模具参数：

当新材料高强钢板料用于轮辐制造并出现较明显的缺陷时，可以利用已建立的有限元模型进行工艺和模具的优化设计，通过对已有模型中凹模、凸模圆角及其他相关尺寸的修改，以及调整成形过程的压边力和摩擦系数，找到合理的成形工艺和模具参数，设计出有利于新材料钢板轮辐成形的车轮轮辐加工模具。

本发明的有益效果是通过建立正确的有限元模型，能够在计算机上观察到新型高强钢板料用于轮辐生产时拉深冲孔过程的应力、应变及损伤分布及变化情况，能够及时发现轮辐成形过程中存在的质量问题，使高强钢轮辐生产前就能预先评估其成形性能，从而能够有效改进工艺设计方案并优化模具参数，提高轮辐产品质量，避免试错法的缺陷，进而新材料用于轮辐制造时降低生产成本和缩短产品研发周期。并且通过对加工技术的研究，引导用户用好新型高强钢材料，有效降低产品废品率，为高强度车轮用钢优化提供依据，推动新型高强钢车轮的应用和发展。

四、附图说明

图1是高强钢轮辐拉深冲孔复合工序的数值模拟方法流程图；

图2是本发明板料的几何尺寸图；

图3是本发明板料所用材料B550CL的真应力-真应变曲线；

图4是本发明某车轮轮辐成形模具的几何模型图；

图5是本发明某车轮轮辐成形的有限元模型装配图；

图6是本发明的模型动能/内能、伪应变能/内能的比值；

图7是本发明轮辐实际轮廓与模拟结果比较图；

图8是本发明轮辐成形过程中等效应力图；

图9是本发明轮辐成形过程中等效应变图；

图10是本发明轮辐成形后特征路径图；

图11是本发明轮辐成形后沿不同路径的厚度分布图；

图12是本发明轮辐成形过程中损伤分布图。

其中：1.凹凸模 2.拉深压边圈 3.板料 4.冲孔压边圈 5.冲头 6.拉深凹模

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的描述。

五、具体实施方式

本发明是一种新型高强钢轮辐拉深冲孔工艺的数值模拟方法。现以某公司车轮轮辐拉深冲孔工艺过程为对象，梅钢B550CL高强钢作为轮辐材料，给出本发明的具体实施例，其步骤如下：

步骤1、建立轮辐拉深过程三维有限元模型：

①B550CL高强钢板料本构模型的建立。基于ABAQUS软件平台建立板料的几何模型，坯料的外形尺寸如图2所示，厚度t＝4.6mm。根据拉伸试验测定，B550CL高强钢板料的弹性模量E＝172.44GPa，泊松比v＝0.3，屈服强度σ_0.2＝349.01MPa，抗拉强度σ_b＝615.89MPa，强度系数K＝1048.9MPa，硬化指数n＝0.20，延伸率δ＝23.67％，密度ρ＝7800kg/m³，该材料在室温下的真应力-真应变曲线如图3所示，其应力-应变关系为σ＝1048.9(ε+0.00227)^0.2。为研究轮辐成形过程的损伤情况，选取C-L韧性断裂准则，表达式为将其耦合到本构关系子程序中并嵌入模型。

②基于ABAQUS/Explicit软件平台，建立B550CL高强钢轮辐拉深冲孔过程的几何模型。某车轮轮辐成形模具由拉深凹模、拉深压边圈、冲孔凹模、冲头、冲孔压边圈和凸凹模组成，其中，凸凹模在拉深时作为凸模，冲孔时作为凹模，其几何模型如图4所示。

③根据实际生产情况将几何模型进行装配，保持各部件的中心在一条轴线上。

④单元选择与网格划分。根据高强钢坯料的形状尺寸的特点，板料进行划分单元网格时主要采用C3D8R实体单元进行离散，该单元属于八节点六面体减缩积分单元，能够承受较大的变形，用较低的计算成本获得精度较高的结果。为兼顾有限元模拟精度与效率，对板料与模具圆角接触区域进行网格细化，且板料厚度方向划分四层网格。模型中模具采用R3D4壳单元划分网格，由于模具在成形过程中，其单元密度不影响计算精度，可采用稀疏网格进行离散。

⑤施加载荷及约束条件，包括凸凹模和冲头的行程及总的成形时间。根据实际生产中的轮辐拉深高度，凸凹模的总行程为91.4mm，在有限元模拟中，冲压采用准静态计算方法，并且需考虑模型的稳定性(即避免模型出现动态效应及沙漏现象)。实际生产中，模具的冲压速度较快，但模拟时需综合考虑模型的接触、约束等条件能稳定地建立起来，因此模拟时冲压速度设为50mm/s，拉深成形的时间为1.828s；根据装配位置，冲头行程可设为6mm，方向与拉深方向相反，则冲孔过程的时间为0.12s；根据实际生产条件，给定压边力为5MPa。

⑥定义模型的接触边界条件。模型的接触对包括拉深凹模-板料上表面、凸凹模-板料下表面、拉深压边圈-板料下表面、冲头-板料上表面、冲孔压边圈-板料上表面，共5对接触对，各接触对采用面面接触方式，接触算法采用罚函数法；根据轮辐成形过程中润滑情况，轮辐在冲压过程中各模具与板料的接触摩擦系数为0.15。

基于以上关键技术的解决，建立的某车轮轮辐拉深冲孔过程的有限元模型如图5所示。

⑦在ABAQUS软件中提交任务进行有限元分析。

步骤2、验证模型的正确性：

计算轮辐拉深冲孔过程中变形体动能与内能的比值以及伪应变能与内能的比值，如图6所示，模拟过程中的大部分时间内动能与内能的比值较小(小于10％)，因此轮辐成形过程中没有明显的动态效应；此外模型的伪应变能与内能的比值也很小(小于1％)，说明模型的沙漏情况较轻，因此计算模型中采用的网格精度是足够的，因此建立的有限元模型是稳定合理的。

为进一步验证计算模型的正确性，将轮辐的仿真结果与给定的外形尺寸相比较，模拟结果中轮辐高度H＝96.5mm，圆弧部分直径Φ＝452.8mm，孔径D＝42.7mm。根据给定的轮辐外形尺寸，上述几项数据分别为：H＝96±1mm，Φ＝452±1mm，孔径D＝42±1，如图7所示。因此模拟结果符合实际生产要求，因此所建立的模型是正确的。

步骤3、利用ABAQUS软件的后处理模块，分析轮辐拉深过程中应力、应变及损伤情况，及时发现轮辐可能出现的质量缺陷：

①对整个成形过程中轮辐等效应力的变化进行分析，从图8所示的等效应力分布云图中可以看出，在拉深过程中板料与模具圆角接触区域以及轮辐边缘有较大值，应力集中现象比较明显，这些区域如果材料组织不均匀或存在微裂纹，便会出现开裂缺陷，说明上述区域是轮辐成形过程中易出现缺陷的区域。

②对轮辐的等效应变的变化情况进行分析，从图9所示的等效应变云图中可以看出，等效应变的分布规律与等效应力基本一致。在拉深过程中，等效应变随着拉深凸模行程增加而增大，但总体上材料变形较为均匀，在板料与模具外侧的圆角接触区域会出现最大值，说明在这一区域的变形较大；并且，板料在相邻区域之间的等效应变没有发生突变，是平滑过渡的，说明板料在成形过程中变形均匀，因此B550CL钢板用于某车轮轮辐制造时的成形性较好。

③对轮辐成形后的壁厚分布进行分析，由于轮辐拉深成形后为回转体，轮辐坯料边缘是由直壁部分和圆弧部分组成的，在轮辐拉深过程中，圆弧边和直边处的材料流动有所区别。为了更好的描述成形件的壁厚分布规律，在成形件上分别取路径path1与path2，如图10所示，path1路径的外缘为直边部分，path2路径的外缘为圆弧部分。

图11所示为轮辐成形后不同路径下壁厚变化率曲线，由图可知，最大减薄率约为25％，位于板料与模具靠近轮辐外缘的圆角接触区域，小于30％；最大增厚率小于10％，位于轮辐边缘处。因此，轮辐拉深成形后局部会出现材料的减薄或增厚，这些区域都是轮辐成形的危险区域，但是整个轮辐的增厚减薄量在要求范围内。

④对轮辐成形过程的损伤分布规律进行分析，如图12所示，损伤值随着凸模行程增加而增大，并呈均匀分布，只在板料与模具圆角接触区域会有较大值；当损伤值超过1时，板料发生开裂，则冲头行程为100％时，板料冲孔处已经发生断裂，实现冲孔；根据损伤分布图，整个轮辐其他部分并未发生开裂现象。

步骤4、改进成形工艺及优化模具参数：

从上述分析可以看出，B550CL高强钢板在用于实施例中某车轮轮辐成形时并未出现明显的成形缺陷，说明B550CL这一新型材料可以用于该车轮轮辐生产，因此本实施例并未对成形工艺和模具参数进行优化改进。

以上所述，仅是本发明的实施实例，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是根据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种新型高强钢轮辐拉深冲孔复合工序的数值模拟方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、建立轮辐拉深冲孔过程的三维有限元模型：

①新型高强钢板料本构模型的建立；基于ABAQUS/Explicit软件平台及坯料外形尺寸，建立板料的几何模型；根据单向拉伸试验获得板料的力学性能参数，包括：弹性模量E、强度系数K、泊松比v、屈服强度σ_0.2、抗拉强度σ_b、硬化指数n、延伸率δ，为研究轮辐成形过程的损伤情况，需选择合适的韧性断裂准则并将其耦合到本构关系中，从而建立起材料的本构模型；

②基于ABAQUS/Explicit软件平台，建立高强钢轮辐拉深冲孔过程的几何模型；模具由拉深凹模、拉深压边圈、冲孔凹模、冲头、冲孔压边圈和凸凹模组成，其中，凹凸模在拉深时作为凸模，冲孔时作为凹模；

③根据实际生产情况将几何模型进行装配，保持各部件的中心在一条轴线上；

④单元选择与网格划分；根据坯料外形尺寸的特点，板料划分单元网格时主要采用C3D8R实体单元进行离散，该单元属于八节点六面体减缩积分单元，能够承受较大的变形，用较低的计算成本获得精度较高的结果；为兼顾有限元模拟精度与效率，对板料与模具圆角接触区域进行网格细化，且板料厚度方向划分四层网格；模型中模具采用R3D4壳单元进行网格划分，由于模具在成形过程中，其单元密度不影响计算精度，可采用稀疏网格进行离散；

⑤施加载荷及约束条件，包括凸凹模和冲头的行程及总的成形时间；凸凹模的行程根据实际生产中轮辐的拉深高度而定，为避免动态效应太明显，其幅值曲线采用光滑过渡，冲头的行程根据模具装配图确定，在有限元模型中采用位移加载；

⑥定义模型的接触边界条件；模型的接触对包括拉深凹模-板料上表面、凸凹模-板料下表面、拉深压边圈-板料下表面、冲头-板料上表面、冲孔压边圈-板料上表面，共5对接触对，各接触对采用面面接触方式，接触算法采用罚函数法；

步骤2、验证模型的正确性：

计算轮辐拉深过程中变形体动能与内能的比值以及伪应变能与内能的比值，若所述动能与内能的比值在成形过程中不超过预期的数值，则认为板料变形是在准静态下发生的；

为进一步验证模型的准确性，将轮辐仿真结果与给定的外形尺寸相比较，若轮辐外形尺寸的仿真结果与所给尺寸相吻合，则验证了所建立模型的正确性；

如果发现模型能量比不稳定或者模拟成形后尺寸与给定尺寸相差较大，则返回步骤1重新建模、调试，直至模型满足要求；

步骤3、利用ABAQUS软件的后处理模块，分析轮辐拉深冲孔过程中的应力、应变、壁厚分布以及损伤情况，可及时发现新型高强钢材料用于轮辐制造时可能出现的缺陷：

①对整个成形过程中轮辐等效应力的分布及变化进行分析，找出其变化规律，等效应力过大的区域就是轮辐成形过程易产生质量问题的危险区域；

②对轮辐的等效应变分布及变化进行分析，通过应变云图分析材料的变形程度，轮辐成形过程中等效塑性应变值接近的部位表示材料在这些部位的变形程度相近，不同部分变形程度接近，说明材料的变形均匀；等效塑性应变最大值出现的区域就是轮辐成形的危险区域；相反，如果轮辐成形件不同部分等效应变相差较大，则轮辐成形过程就容易产生壁厚不均匀、局部减薄或增厚及开裂现象；

③分析轮辐成形后的厚度分布，观察轮辐是否出现局部过度减薄，预测轮辐成形的危险截面；

④对轮辐成形过程的损伤分布进行分析，预测轮辐成形过程的开裂现象；

步骤4、改进成形工艺及优化模具参数：

当新型高强钢板料用于轮辐制造出现较明显的缺陷时，利用已建立的有限元模型进行工艺和模具的优化设计，通过对模型中模具圆角及模具间隙的调整，以及改变成形过程的压边力和摩擦系数，找到合理的成形工艺和模具参数，在原有轮辐成形工艺的基础上，设计出有利于新型高强钢板料轮辐成形的改进工艺。

2.如权利要求1所述一种新型高强钢轮辐拉深冲孔复合工序的数值模拟方法，其特征在于，步骤1中所述选择合适的韧性断裂准则并将其耦合到材料的本构关系，需要用户自行编写子程序，并通过ABAQUS软件的vumat接口嵌入。