新材料与工艺手册

[车身轻量化] 车身纵梁补丁板热成形轻量化设计及优化

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发表于 2020-6-30 15:37:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】摘要:为实现某车型前地板下纵梁零件的轻量化设计,消除高强钢冷冲压零件存在的尺寸精度问题,采用补丁板热成形技术对初始设计中的高强钢冷冲压产品结构进行等强度优化设计。在产品优化设计过程中,结合补丁板热成形技术针对零件功能和受载工况对总成进行了材料厚度优化。并使用Pam-Stamp 2G软件对补丁板热成形工艺过程进行模拟分析,预测出成形过程中存在的焊点变形问题。通过对焊点数量、位置的优化设计迭代,经实物验证,消除了焊点变形可能导致的产品失效风险。最终实现总成减重24.1%的同时降低了模具投资。
关键词:轻量化 补丁板热成形 工艺优化 数值模拟
1 前言
近年来,不断加剧的世界能源危机和环境危机对现代汽车工业的发展方向提出了更高要求。大量研究统计表明,车身质量每减轻10%,可节省燃油3%~7%[1-3]。因此各国汽车制造商相继制定出以车身轻量化为核心思想的产品发展规划,结合产品结构优化、新材料和新工艺的开发应用等途径,制定在提升整车安全性能的同时整车质量降低20%~40%的发展目标[4-6]。
白车身质量占整车质量约30%,且其结构设计自由度相对较大,因此白车身轻量化工作成为整车轻量化的重点。
对某车型前地板下纵梁总成进行了轻量化结构设计。并通过Pam-Stamp 2G软件对选用方案进行了成形工艺分析,完成了产品结构的工艺性优化。
2 产品特点及轻量化方案确定2.1 初始产品特点及制造工艺
某车型前地板下纵梁产品在下车体中的位置如图1所示,该零件为法规类零件,正常工况和侧面碰撞时,该零件主要受载类型为弯曲载荷;前后正碰时主要受载类型为压缩载荷。

图1 前地板下纵梁总成位置

该总成包含2个零件,采用点焊连接(图2)。其中,前地板下纵梁外板(零件①)设计为冷冲压零件,材料牌号DP780,厚度2.0 mm,零件质量3.943 kg;前地板下纵梁加强板(零件②)设计为热成形零件,材料牌号1500HS,厚度1.2 mm,零件质量0.472 kg;焊点数量14个。总成整体尺寸为993 mm×130 mm×82 mm,整体质量4.415 kg。

图2 某车型前地板下纵梁产品结构

前地板下纵梁总成制造工艺及所需工装情况见表1。整套总成需要冷冲模具3套、热冲压模具1套、激光切割夹具1套、焊接夹具1套,共计工装数量6套。
表1 前地板下纵梁总成工艺工装信息


前地板下纵梁外板材料为800 MPa级别双相钢(材料参数见表2),零件回弹风险较大。使用Auto⁃Form软件对前地板下纵梁外板零件的成形过程进行了全工序模拟和回弹分析,工艺规划见图3。
表2 DP780材质的力学性能



图3 前地板下纵梁外板工艺规划

其中,成形模拟工程策略采用Final Validation阶段,最大使用6级自适应网格细化,料片单元类型采用11积分点弹塑性壳单元EPS-11;回弹分析时根据零件RPS信息对基准孔和基准面使用定位销和夹紧面定位(见图4)

图4 前地板下纵梁回弹分析定位信息

模拟结果如图5所示;零件最大回弹角达到9.17°,最大回弹量5.15 mm,且回弹量纵向分布不均匀。前地板下纵梁外板零件回弹将直接导致与前地板下纵梁加强板以及其他对手件的匹配精度差。

图5 前地板下纵梁外板回弹模拟结果

综合考虑现结构前地板下纵梁总成的轻量化潜力和加工制造难度,对该总成实施轻量化设计。
2.2 轻量化设计方案
现结构中前地板下纵梁加强板为热成形工艺,零件基本结构为U形,无复杂大变形特征。前地板下纵梁加强板与外板的匹配关系简单且连接焊点距变形圆角较远。改善方案将该总成定义为补丁板热成形零件,即前地板下纵梁外板与加强板材料均采用牌号为1500HS-AS150/150的热成形钢。
补丁板热成形结构前地板下纵梁制造工艺及所需工装情况见表3。零件需要热冲压模具1套、激光切割夹具1套、焊接夹具1套,共计工装数量3套。相比冷冲压结构而言,直接节省冷冲模具3套。
表3 补丁板热成形前地板下纵梁工艺工装信息


根据零件受载类型和用材情况,对该总成进行了等强度减薄。
一般而言,钢板的强度和料厚的乘积关系大体上由变形方式决定。在不改变零件结构强度的情况下,采用高强度钢替代低强度钢时,料厚减少量计算公式如下[7]。

式中,t1为材料替换前的钢板厚度;t2为材料替换后的钢板厚度;σ1为替换前的材料强度;σ2为替换后的材料强度;N为由变形形式决定的数值。
各种受力情况下N的取值情况见表4。
表4 N的取值


根据法规类零件要求,σ1、σ2取屈服强度。a.当零件处于弯曲工况时,N1=1/2,即
b.当零件处于压缩工况时,N2=1,即
综合条件下。计算如下。

考虑材料规整后取前地板下纵梁外板的厚度为1.5 mm,同时对内部加强板零件厚度减薄至1 mm。根据补丁板热成形零件工艺特点完成零件结构设计如图6,零件总质量为3.35 kg。该轻量化设计方案后经产品工程分析满足安全要求,且单车可减重2.13 kg。

图6 前地板下纵梁补丁板热成形结构

3 基于工艺性的零件优化
使用Pam-Stamp 2G软件对补丁板热成形零件进行CAE分析。零件材质为1500HS-AS150/150的热成形钢,材料模型采用软件自带的安塞乐米塔尔材料模型,弹性模量210 GPa,泊松比0.3,密度7.85 g/cm3,热损耗系数0.9,材料化学成分见表5,材料的高温力学性能如图7所示。
表5 化学成分 (质量分数)/%


对零件成形反算得到初始料片形状并对应出焊点位置(图8)。其中,焊点特性设置为焊接层数2层,焊点直径2.5 mm,考虑焊点位置的应力集中。
板料初始温度为20℃,加热至930℃后经6 s传送到模具中。后完成成形、保压淬火10 s、开模空冷和激光切割。
模拟结果显示,成形过程中板料受模具的接触状态影响以及内外板变形线长差异导致内外板间存在剥离和相对滑动的趋势。侧壁焊点的存在有效抑制了此剥离和相对滑动趋势。但由于焊点设置不合理,侧壁6个焊点在成形过程中发生较大塑形变形(图9)。至成形结束时侧壁焊点中最大塑性应变量达0.13(图10)。因此预测热成形过程中零件存在焊点撕裂的风险。

图7 高温力学性能


图8 板料形状及焊点位置


图9 热成形过程中侧壁焊点的变形

根据模拟结果中的工艺缺陷,同时考虑碰撞安全、焊接工艺要求、热成形焊点变形等因素,对零件焊点数量和位置进行了优化调整,使焊点集中在底面凸台周围以分流局部变形产生的应力不均。

图10 热成形结束时焊点位置塑性应变量

焊点优化后模拟结果如图11。结果显示侧壁焊点的塑性应变均在0.066以下,且成形过程中加强板侧壁变形均匀,焊点位置无明显应变集中(图12)。

图11 热成形结束时焊点位置塑性应变量


图12 热成形过程中侧壁焊点的变形

4 试制及试验对比
根据工艺分析结果分别对焊点优化前后方案进行试制验证。
试制结果显示,优化前方案中加强板侧壁焊点位置明显产生较大变形,导致边线凹陷(图13)。而优化后方案加强板侧壁焊点位置边线平直,焊点处无明显变形(如图14)。

图13 优化前零件及加强板侧壁焊点位置边线


图14 优化后零件及加强板侧壁焊点位置边线

5 结束语
热成形技术作为一种轻量化工艺应用越来越多。补丁板热成形作为一种工艺集成技术,能减少热成形零件的工装投资和生产成本。对于热成形零件的低成本应用意义重大。
本研究中某前地板下纵梁零件经补丁板热成形工艺轻量化后质量减轻24.1%,节省冷冲模具3套。经过对补丁板热成形零件工艺仿真,优化了焊点结构,从而避免了可能产生的质量缺陷。

来源:期刊-《汽车工艺与材料》;作者:徐勇1 邰伟彬1 代晓旭1 董家玲1 刘诚2(1.中国第一汽车股份有限公司 工程与生产物流部;2.一汽解放汽车有限公司技术发展部)


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