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焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 摘要 拼焊板冲压成形技术具有提高生产效率、节能减排、降低成本、提高安全性 等诸多优点，在汽车工业中的应用越来越广泛。但由于拼焊板母材间存在材料性 能、厚度以及形状等差异，使得母材间的应力、应变存在较大区别，在成形时极 易出现焊缝不良移动。焊缝移动导致拼焊板成形稳定性下降，形状精度降低，成 为影响零件质量的主要问题。 本文针对拼焊板冲压成形过程中的焊缝移动问题进行深入研究，以达到控制 焊缝移动、提高零件成形质量的目的，主要进行了以下工作： 基于数值模拟技术以典型的拼焊板盒形件冲压成形为例，在焊缝移动力学理 论模型的基础上，研究了母材厚度、强度系数、焊缝位置、拉延筋阻力、压边力、 摩擦系数等参数对拼焊板盒形件焊缝移动的影响。结果表明，材料性能参数对拼 焊板冲压成形焊缝移动影响较大，材料性能差异越明显，焊缝移动量越大；同时 焊缝位置对焊缝移动的影响也比较大；工艺参数中拉延筋阻力可以调整不同部位 板料的进料速度，对焊缝移动的影响最大。 将拼焊板盒形件冲压成形研究过程中得出的结论，作为汽车拼焊门内板设计 和生产的方法和理论指导。针对汽车拼焊门内板成形过程，提出了一种基于响应 面法和试验设计，以焊缝移动最小为目标，以起皱和开裂为约束条件，采用遗传 算法对等效拉延筋阻力和压边力进行优化的快速获取冲压工艺参数设计方法。实 例分析结果表明，采用优化后所得的工艺参数进行冲压成形，可以有效减小焊缝 移动量，提高冲压成形质量。 关键词：拼焊板；焊缝移动；工艺参数优化；数值模拟 1 1 a bs t r a c t t h et a i l o r w e l d e db l a n k s ( t w b ) a r e w i d e l yu s e di nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , f o r t h ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wm a n u f a c t u r i n gc o s t ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d s a f e t y i m p r o v e m e n t ，e t c t h ew e l dl i n em o v e m e n ti st h em a i nd e f e c ti nt h es t a m p i n gp r o c e s s o ft h et w b a st h e r ea r eg r e a td i f f e r e n c e si n c l u d i n gt h i c k n e s s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n ds h a p eb e t w e e nt h et w os i d e so ft h et w b ，w h i c hm a k et h es t r e s sa n ds t r a i nv e l v c o m p l e xi nt h es t a m p i n gp r o c e s s s ot h ew e l dl i n em o v e m e n ti sv e r ye a s i l y t h e r e f o r e ，i no r d e rt oc o n t r o lt h ew e l dl i n em o v e m e n ta n di m p r o v et h e f o r m a b i l i t y , i ti sv e r yn e c e s s a r yt os t u d yt h et h es t a m p i n gp r o c e s so ft h et a i l o r - w e l d b l a n k s ，t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri sc o n c l u d e da sf o l l o w s b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h es t a m p i n go fat w b s q u a r e - b o xp a r t ，b a s e do n t h em e c h a n i c a lm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r so nt h ew e l d 1 i n em o v e m e n to ft 1 1 e t w bi ss t u d i e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h et h i c k n e s sr a t i o ，t h es h r e n g t hr a t i o n ，t h e l o c a t i o n so ft h ew e l d l i n e ，t h ed r a w b e a dr e s t r a i n i n gf o r c e s ，t h eb l a n kh o l d e rf o r c ea n d t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f e r e n tr a t i oo fb l a n ka n ds t r e n g t h h a v eam a r k e de f f e c to nt h ew e l dl i n em o v e m e n t a n dt h ed i s p l a c e m e n to fw e l dl i n e c a nb er e d u c e db yr e a s o n a b l ed r a w b e a dr e s t r a i n i n gf o r c e s t h ec o n c l u s i o nw h i c hi sg o tb yt h es q u a r e b o xp a r tp r o v i d e st h ei n s t r u c t i o no f m e t h o da n dt h e o r yf o rt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h ei n n e rd o o r p a n e lw i t ht w b s t r u c t u r e t h ew e l dl i n em o v e m e n ti st h em a i nd e f e c ti nt h e s t a m p i n gp r o c e s so ft h e t w b t oi m p r o v et h i sp r o b l e m ，an e w a p p r o a c hi sp r e s e n t e dt oo p t i m i z et h ed r a w b e a d r e s t r a i n i n gf o r c e sa n db l a n kh o l d e rf o r c ei nt h i sp a p e r i nt h ea p p r o a c h ，ar e s p o n s e s u r f a c em e t h o di se m p l o y e df o rt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lb a s e do nt h e l a t i n s q u a r e e x p e r i m e n td a t a ，a n dag e n e t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sa d o p t e df o rm i n i m i z i n gt h e w e l dl i n em o v e m e n tu n d e rt h er e s t r a i n to fc r a c ka n dw r i n k l e n u m e r i c a ls i m u i a t i o n s a r et h e nv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l yi na na p p l i c a t i o no fa ni n n e rd o o rp a n e lw i t ht w b s t r u c t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew e l dl i n em o v e m e n ti s g r e a t l yr e d u c e da n dt h e f o r m a b i l i t yi sa l s oi m p r o v e d k e y w o r d s ：t a i l o r 。w e l d e db l a n k s ；w e l dl i n em o v e m e n t ；p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 插图索引 图1 1 拼焊板在车身上的应用3 图2 1 拼焊板横向受力示意图1 1 图2 2 拼焊板盒形件有限元模型1 2 图2 3 拼焊板盒形件焊缝移动状态图1 3 图2 4 不同厚度比的焊缝最大移动量。1 4 图2 5 不同厚度组合情况下拼焊板焊缝移动状态图1 4 图2 6 不同强度系数组合焊缝最大移动量1 5 图2 7 不同强度系数组合情况下拼焊板焊缝移动状态图1 5 图2 8 板料上焊缝不同位置1 6 图2 9 焊缝位于板料不同初始位置焊缝最大移动量1 6 图2 1 0 不同焊缝位置下拼焊板焊缝移动状态图l7 图2 11 拉延筋布置位置17 图2 1 2 不同等效拉延筋组合焊缝最大移动量1 8 图2 1 3 不同拉延筋组合情况下拼焊板焊缝移动状态图1 8 图2 1 4 不同压边力焊缝最大移动量1 9 图2 1 5 不同摩擦系数焊缝最大移动量1 9 图2 1 6 不同摩擦系数对拼焊板焊缝移动状态图2 0 图2 1 7 不同冲压速度焊缝最大移动量2 0 图2 1 8 不同冲压速度对拼焊板焊缝移动状态图2 1 图3 1 模型优化流程2 4 图3 2f l d 成形极限示意图2 6 图3 3 拉丁方试验设计3 0 图3 4 均匀拉丁方试验设计3 0 图3 5 遗传算法流程图3 3 图4 1 拼焊板车门内板零件数模3 5 图4 2 车门内板拉延成形常见缺陷3 5 图4 3 门内板凹模有限元网格模型3 6 图4 4 拼焊板车门内板冲压成形有限元模型3 7 图4 5 板料网格及焊缝连接方式3 7 图4 6c r 4 材料模型硬化曲线3 8 图4 7 车门内板拉延筋布置4 0 v i 硕士学位论文 图4 8 优化前后焊缝移动状态4 3 图4 9 车门结构有限元模型4 4 图4 1 0 车门垂直刚度有限元模型。4 6 图4 1 1 优化前车门垂直刚度分析位移云图4 6 图4 1 2 优化后车门垂直刚度分析位移云图4 6 图4 1 3 优化前车门结构自由模态分析云图4 7 图4 1 4 优化后车门结构自由模态分析云图4 8 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 附表索引 表1 1 欧洲汽车公司拼焊板使用情况2 表2 1 拼焊板盒形件冲压有限元模型单元及节点信息1 2 表2 2 拼焊板盒形件冲压成形仿真参数1 2 表2 3 拼焊板厚度组合以及厚度比1 4 表2 4 拼焊板强度系数搭配方案l5 表2 5 拼焊板等效拉延筋搭配方案1 8 表4 1 拼焊板门内板冲压有限元模型单元及节点信息3 7 表4 2 拼焊板车门内板材料力学性能参数3 8 表4 3 拼焊板车门内板冲压成形仿真参数3 8 表4 4 均匀拉丁方试验样本点与响应值3 9 表4 5 优化前后各参数对比4 3 v i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 近年来，随着世界汽车保有量的不断增加，人们的工作和生活方式都受到越 来越大的影响，但能源短缺、环境污染等问题也日益显现，节能和环保成为汽车 行业亟待解决的两大突出问题。据有关资料表明，当汽车质量减轻1 时，燃油 消耗将下降0 6 1 o ，而且废气排放也将随之减少【l 】。因此，汽车轻量化对于节 约能源和保护环境都具有重要意义。 车身及其附件约占车辆总重的4 0 6 0 ，所以车身轻量化在整车轻量化中占 有十分重要的地位。目前，车身轻量化主要有两大途径，一是结构的轻量化，即 通过对汽车结构的改进，使零部件薄壁化、精简化及复合化；二是材料轻量化， 即通过采用包括金属和非金属在内的轻量化材料，如铝镁合金、高强度钢、工程 塑料等替换原有材料【2 1 。拼焊板技术既可以减少零件数量使零件复合化，提高了 材料利用率，又可以采用高性能材料对零件局部进行加强，是两种轻量化方法最 好的集合，因而在汽车工业中的应用越来越广泛。 拼焊板技术是指将不同性能、厚度和涂层的板料采用焊接方式拼接在一起， 然后进行冲压成形的一种工艺。拼焊板成形技术的优势体现在以下几个方面1 ： 1 1 提高零件精度。由于可以根据零件不同部位要求选用不同性质的板材，焊 接后直接冲压成形，因而零部件的制造及装配公差大大降低，产品精度得到提高。 2 ) 减少零件数量，减轻汽车质量，降低生产成本。采用拼焊板技术，不需要 再焊接加强板类零件，零件数量和重量随之减少，并且后续焊接工艺、模具、焊 装夹具等都随之减少，提高了生产效率，缩短了工期，降低了生产成本。 3 1 提高抗腐蚀性。采用拼焊板技术后，不再需要加强板，搭接焊缝减少了， 因而装配件的抗腐蚀性能大大提高。 4 】改进车身结构的安全性和耐久性。如汽车前纵梁，若用前后板料较薄中间 材料较厚的拼焊板冲压成形，在发生碰撞时，前后端都能够发生很大的变形便于 吸能，减少了对乘员造成的伤害。地板若采用拼焊板结构，在减小车身重量的同 时还提高了刚度和抗震性能。 尽管拼焊板已经在汽车领域得到了广泛的应用，但包括拼焊板母材材料、母 板数目以及焊缝位置在内的设计因素的确定主要还是依靠经验和工程类比。随着 计算机数值模拟技术和优化技术的发展， 同材料、厚度及焊缝线位置的设计参数， 可以在设计初期向计算机输入拼焊板不 以得到不同的模拟结果，同时采用优化 技术减少设计参数修改次数，尽快找到比较理想的方案，这样便可以大大缩短了 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 汽车设计周期，缩短了新车型上市时间。 因此，对拼焊板的成形技术、优化技术进行研究，探索新的成形工艺方法、 新的工艺优化思路，对推进拼焊板在汽车工业上的应用，以及促进车身轻量化技 术的发展都具有十分积极的作用。 1 2 激光拼焊板国内外应用和研究现状 1 2 1 激光拼焊板应用现状 拼焊板技术产生于2 0 世纪6 0 年代的日本本田汽车公司，它最初是用于将角 料焊接在一起后整体冲压成形制造侧围内板【4 1 。到了7 0 年代，美国福特公司采用 激光焊接制造车身覆盖件，但规模化和商业化还没有形成。直到8 0 年代，随着人 们对汽车节能、排放、轻量化以及安全性等要求的提高，拼焊板才越来越受到关 注【5 1 。 德国蒂森克虏伯公司1 9 8 6 年将发明的激光拼焊技术第一次应用于批量生产 的奥迪1 0 0 车型中，标志着拼焊板技术走上了商业化道路，并且从此进入了一个 高速发展的阶段【6 】。上世纪9 0 年代，全球1 8 个国家的3 5 家钢铁企业参与了由美 国钢铁协会连同国际钢铁协会组织的一项超轻钢车身计划，结果通过使用拼焊板 等技术成功开发出减重样车，该车零件数量减少2 0 ，重量减轻2 5 【7 1 。之后， 拼焊板在车身上得到更广泛的应用。 目前拼焊板在汽车上的应用部件主要有：前车门内板、后车门内板、发动机 分隔板、缓冲板、底板、车门两侧的a 、 框等。包括大众、奥迪、沃尔沃、奔驰、 在汽车中大量使用拼焊板( 见表1 1 【8 】) 。 b 立柱、后车箱盖、车轮挡板、车体侧 宝马、菲亚特等在内的知名汽车品牌也 表1 i 欧洲汽车公司拼焊板使用情况 车型名称应用场合 2 组件后立柱( 1 5 1 2 m m ) 大众高尔夫 3 组件无镀锌层横粱( 2 3 i 5 r a m ) 奥迪地板( 等厚电镀板，0 7 5 r a m ) 奔驰 轿车悬架后横梁、前门内板、前立柱 宝马7 系后轴支架、车门内板( 0 7 1 8 m m ) 加强板i ( 1 2 2 1 5 m m ) 菲亚特 加强板i i ( 1 8 1 2 1 8 r a m ) 沃尔沃8 5 0包括梁、前围板等的1 1 个冲压件 在国内，上海大众、上海通用以及一汽大众等汽车生产企业也相继采用了拼 焊板技术，如图1 1 所示，但自主设计制造能力还比较弱，一些重要零件的成形 2 硕士学位论文 模具还依赖进口。 图1 1 拼焊板在车身上的应用 1 2 2 激光拼焊板冲压成形研究现状 c a y s s i a l s 等1 9 】在塑性失稳理论基础上提出了针对拼焊板的成形极限曲线，并 且结合损伤模型预测了应变硬化指数、应变速率敏感指数以及厚度三个基本参数 对拼焊板成形性的综合影响。 p a d m a n a b h a n 等【lo j 研究了双相钢深拉伸成形质量受轧制方向以及材料各向异 性的影响，指出材料各向异性对材料流的的影响决定于材料力学性能，合适的轧 制方向能够有效改善拼焊板在方形盒件中的成形性能。 s a u n d e r s 等【l i 】通过拼焊板和两侧母材的胀形试验，发现由相同母材构成的拼 焊板最大成形高度比母材低，并且焊缝方向和主应变方向都会影响拼焊板胀形时 的最大成形高度，他们最后认为拼焊板的成形性能主要决定于焊缝移动距离，因 为焊缝移动将影响拼焊板的变形方式和破坏位置，而焊缝移动主要取决于边界约 束力和母材性能。 s h i 等【1 2 】基于物理试验研究了拼焊板变形问题，提出用极限强度比的概念描 述拼焊板，以防止弱侧材料应变超出其极限应变值。他提出控制拼焊板成形过程 的方法是使强侧母材有更多的变形，从而避免弱侧母材局部变形集中。 1 2 3 激光拼焊板焊缝建模技术和焊缝移动研究现状 虽然使用拼焊板将带来许多好处，但是拼焊板在汽车上的应用仍然面临着许 多成形工艺方面的挑战，在这当中，由于焊缝区组织变化以及焊缝移动等因素造 成的成形性能下降的问题最为显著【l3 1 。目前为了控制拼焊板成形过程中焊缝移动 并提高成形极限，所采取的措施主要有以下几种： 1 ) 液压夹紧方法。在凹模和凸模中嵌入液压缸，这样便可以在拉深过程中夹 紧焊缝，并且还可以根据需要嵌入一组或多组液压缸，焊缝不一定必须是直线， 可以有各种形状，焊缝也可以不与凸模顶点相对。试验表明，采用该方法可以使 不同厚度的母材变形更均匀，可以有效地减小焊缝的移动，保证焊缝位置和设计 位置一致，但这种方法会使模具结构复杂，成本较高。 2 ) 分块压边圈控制方法。采用压边力可调的分块式压边圈对不同板厚部位施 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 加不同的压力，即对薄侧施加较大的压边力，对厚侧施加较小的压边力，控制薄 侧材料的流入速度，防止薄侧母材起皱和开裂，促进厚侧母材的变形，进而控制 焊缝移动量。 3 ) 拉延筋控制方法。在薄板侧处设置较厚板侧更高的拉延筋，进而控制两侧 母材的进料量，让厚侧母材多进料，薄侧母材少进料，这样便可以有效减小焊缝 移动量，实践证明，该方法简单易操作，是一种行之有效的方法。 4 ) 合理布置焊缝位置和薄厚侧材料合理搭配。由于焊缝移动是由于两侧材料 变形不均为造成的，所以焊缝位置应远离变形集中的区域，且焊缝位置不宜过度 偏向厚板侧。另外，板厚差过大或者两侧材料强度差越大，也都会造成焊缝移动 量增大。 在拼焊板数值模拟中，焊缝和焊缝附近的热影响区的处理方式是一个十分重 要的问题【l4 1 。其建模方式主要有两种：一是精确建立焊缝模型，充分考虑焊缝形 状和尺寸，并且对焊缝赋给精确的材料参数，该方法比较精确，但由于焊缝非常 窄，对焊缝区域只能划分很细的有限元网格，大大增加了数值模拟的计算时间； 二是不考虑焊缝形状和性质，只考虑焊缝位置，采取简化模型的建模方式，当与 整个零件相比焊缝小得多的时候，采用这种建模方式比较多。 z h a o 等l l5 j 在研究中采用三种模型：母材和焊缝都用壳单元；母材用壳单元， 焊缝用刚性节点；母材和焊缝都用体单元，对拼焊板进行成形分析，结果表明， 三种方式对回弹的计算结果比较接近，并且当焊缝相对整个零件很小的时候，可 以忽略焊缝处热影响区。 b u s t e 等【l6 】采用拼焊板对球形件进行数值模拟分析，母材采用壳单元，焊缝 处分别采用刚性节点和壳单元，结果显示仿真结果差别较小，但采用刚性节点建 立模型要简单得多，计算时间也大为缩短。 s c o t t t l 7 】在研究中采用两种模型：母材采用壳单元，焊缝用刚性节点；母材采 用壳单元，焊缝用体单元建立精确模型。研究表明，两侧母材厚度相等时，两种 模型计算结果差别较大；当厚度有较大差别时，两种模型计算结果比较一致。 针对拼焊板焊缝移动，国内许多企业和学者也做了大量的研究，并取得了一 些成绩。江苏大学姜银方【1 8 】基于薄厚两侧板材变形均匀的思想，根据两侧应力相 等理论推导了焊缝移动的公式，并计算出控制焊缝移动和拼焊板回弹所需的两侧 压边力分布值。同济大学童正国等【峥1 结合数值模拟和物理实验，对直线焊缝拼焊 板进行半球胀形研究，分析了焊缝移动以及成形性降低的机理，得出了拼焊板板 厚比与焊缝移动和成形高度之间的规律。吉林大学王春燕【2 0 】对采用了拼焊板的轿 车整体侧围内板进行理论分析，推导了在等压边力情况焊缝移动公式。 4 硕士学位论文 1 2 4 拼焊板结构轻量化研究现状 目前，针对拼焊板的大部分研究主要集中在成形性能研究上，而对于拼焊板 汽车零部件结构设计的研究相对还比较少。s o n g 等【2 i 】采用多学科优化方法，以模 态、刚度和耐撞性能为目标，以不同区域母材厚度和焊缝线位置为变量，进行轻 量化设计，经过反复计算，车门内板最终减轻1 5 。s h i n 等【2 2 j 在g e n e s i s 软件环 境中对拼焊板车门内板进行拓扑优化。在研究中以零件刚度和轻量化为目标，对 拼焊板焊缝位置、母材厚度比、母材材料性能进行优化，最终得到了良好的轻量 化效果。p a r i s a 等【2 3 】对s 形前纵梁进行了耐撞性和轻量化研究，通过对不同材料 搭配的s 形梁进行有限元碰撞分析，结果发现由铝板和钢板拼焊组成的s 形梁能 够起到最好的乘员保护和轻量化效果。国内上海交通大学施欲亮【2 4 】分另0 研究了车 身薄壁梁零件和车身板壳类零件的轻量化设计。前者在现有车型基础上利用拼焊 板对前纵梁进行轻量化改进，首先通过c a e 分析得到自重工况下汽车前纵梁应力 分布，由此确定前纵梁拼焊板数目和焊缝位置，再以车身结构强度、扭转刚度及 弯曲强度为约束，计算各拼焊板母材的厚度，最后通过整车碰撞分析表明，使用 拼焊板改进设计后，前纵梁具有更好的耐撞性，并且减重了1 7 7 。后者利用拼 焊板对现有某车型车门内板进行改进设计，首先根据加强板件布置位置确定拼焊 板数目，再以零件抗凹性能、强度、碰撞安全性为约束条件，确定了拼焊板的厚 度分布，通过轻量化设计车门内板减重了1 1 9 ，并且改进设计后的车门耐撞安 全性更高。 拼焊板零件的轻量化设计涉及的因素众多，是一个十分复杂的设计过程。需 要确定拼焊板分块数目、焊缝位置、母材材料性质和厚度分布等，在确定这些参 数时又要充分考虑诸如零件质量、刚度、强度、模态、耐撞性能乃至成形性能等 因素的影响。 精确的有限元分析可以替代昂贵的物理实验，但是通过有限元技术单纯依靠 现有经验反复试错，这样进行拼焊板零件轻量化设计，既需要花费大量时间也不 稳定。因此，人们将优化技术引入到零件轻量化设计中。早期的研究员通过将有 限元方法与数学规划理论结合，构建车身结构轻量化设计模型，运用数学规划方 法迭代计算找到最优解。随后，伴随着计算机技术的发展，有限元分析技术开始 与计算机辅助优化技术结合，成为车身结构轻量化设计的有效方法，并开发了大 量的商业优化软件，大大推动给了车身开发技术的发展。常见的优化软件有 o p t i s t r u c t 、n a s t r a n 、a n s y s 等，这些软件凭借形状优化、形貌优化、尺寸优化以 及拓扑优化，可以产生精确的设计布局，为产品的优化目标提供完整可行的解决 方法。之后又发展到基于有限元技术构建优化近似模型来提高效率，即通过构建 数学代理模型逼近所分析的复杂设计问题，然后对代理模型近行优化计算获得最 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 优解以达到优化1 7 1 的，其中近似模型技术包括响应面法、径向基函数法、人- 1 - i l 经网络法等。采用近似模型代替有限元计算的方法一方面使多学科优化设计成为 可能；另一方面大大的减少了计算时间，使多次优化迭代成为可能。针对不同问 题，几种代理模型的模拟精度会有很大的不同，要根据工程问题的实际情况选择 相适应的分析方法。 1 3 本文主要研究内容及结构 拼焊板母材间存在材料性能、厚度以及形状等差异，使得母材间的应力应变 存在较大区别，在成形时极易出现焊缝不良移动。焊缝移动导致拼焊板成形稳定 性下降，形状精度降低，成为影响零件质量的主要问题。为达到控制焊缝移动、 提高零件成形质量的目的，本文对拼焊板冲压成形过程中的焊缝移动问题进行深 入研究。全文内容具体安排如下： 第一章绪论。阐述了本文研究的背景和意义：对激光拼焊板在国内外的应用 情况，激光拼焊板冲压成形、焊缝建模技术、焊缝移动以及拼焊板结构轻量化的 研究现状进行了详细的介绍。 第二章拼焊板盒形件冲压成形焊缝移动研究。首先阐述了材料屈服准则、单 元模型、接触摩擦处理和动力显示算法等数值模拟的基本理论。利用数值模拟的 手段，在焊缝移动力学理论模型的基础上，研究了母材厚度、强度系数、焊缝位 置、拉延筋阻力、压边力以及摩擦系数等参数对拼焊板盒形件焊缝移动的影响， 找出主要的影响因素。 第三章拼焊板冲压成形工艺参数优化方法。阐述了冲压工艺参数优化流程以 及优化目标、优化约束条件、优化设计变量的确定要求，描述了试验设计、响应 面近似模型、遗传算法的相关理论原理。 第四章拼焊f - j 内板冲压工艺参数优化应用研究。建立拼焊门内板冲压成形仿 真模型，根据第三章的相关理论，针对汽车拼焊板门内板成形过程，提出了一种 基于响应面法和试验设计，以焊缝移动最小为目标，以起皱和开裂为约束条件， 采用遗传算法对等效拉延筋阻力和压边力进行优化的快速获取激光拼焊板冲压工 艺参数设计方法。分析优化后的焊缝移动情况，建立相应的车门结构有限元模型， 计算优化前后车门刚度和自由模态。 6 硕士学位论文 第2 章拼焊板盒形件冲压成形焊缝移动研究 2 1 冲压成形数值模拟基本理论 冲压成形是借助冲压设备动力，使板料在模具里直接受变形力作用，从而获 得一定的形状、尺寸和性能的产品的加工技术。冲压成形是个大转角、大位移、 大变形的塑性变形过程，涉及金属板料在拉深以及弯曲等复杂应力状态下的塑性 强化和塑性流动，会引起诸如起皱、开裂、回弹、滑移等问题。对冲压成形而言， 单依靠经验很难保证板料的成形性以及模具设计的正确性，诸多问题往往也只能 到了模具实际调试时才能暴露出来，导致返工甚至模具报废。利用冲压成形数值 模拟技术可以及早的发现板料成形中的问题，改进模具设计，大大的缩短了模具 调试周期，节省了模具制造成本【2 引。 冲压成形仿真主要涉及到材料模型、单元模型、接触和有限元算法等问题。 2 1 1 材料屈服准则 要对材料成形进行仿真，就必须清楚材料受到外力作用时，内部弹性变形、 塑性变形与外力的关系，数值模拟中通过引入材料模型解决这个问题的。而且材 料模型的准确很大程度上将直接影响数值模拟的精度。 在单向拉伸试验所得的应力应变曲线中，可以很容易的找到材料的初始屈服 点。但实际材料成形时，应力状态十分复杂，逐渐增大载荷，材料随之由弹性变 形向塑性变形过渡，此时仅用单向拉伸的屈服应力将很难判断材料是否到达屈服 点。将能够在各种应力状态下判断材料是否到达屈服状态的准则就称为屈服准则。 材料的屈服准则主要有屈雷斯加( h t r e s c a ) 屈服准则、米赛斯( v o nm i s e s ) 屈服准则以及各向异性屈服准则【2 引。 1 ) h t r e s c a 屈服准则 根据t r e s c a 屈服准则，不考虑应力状态，材料中的最大剪应力达到某一定值 时，物体即发生屈服，即： f = i 学i = c ( 2 1 ) 该屈服准则即为材料力学中的最大剪应力屈服条件，通常称为第三强度理论， 该准则形式简单并符合实验结果，但由于在三向主应力中没有考虑中间主应力作 用，理论有所欠缺。 2 1v o nm i s e s 屈服准则 m i s e s 屈服准则是由t r e s c a 屈服准则优化而来，经过试验证明m i s e s 准则比 t r e s c a 准则更准确。m i s e s 准则可描述为在一定的受力条件下，材料内一点的等 7 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 效应力达到某一数值时即进入屈服状态，即： 孑= 瓜i 万i 万百习 = 题i 可f 习i i 而丽 ( 2 2 ) 在冲压成形仿真研究中，早期研究者把板料作为各向同性材料处理时多采用 m i s e s 准则，该准则在材料力学也被称为第四强度理论。 3 ) 各向异性屈服准则 冲压成形中采用的板料，在经过多次辊轧和热处理后产生了一定的变形取向， 即具有了各向异性。各向异性屈服准则逐渐成为研究的重点。在有限元仿真软件 中一般有3 个各向异性模型：h i l l 4 8 、h i l l 9 0 以及b a r l a t 。对于常用的低碳钢板， 一般适用于h i l l 4 8 准则，其屈服函数为： 0 h i l l 4 8 = 圭 日( 一) 2 + f ( 一) 2 + g ( 1 。) 2 + 2 n 盯乏( 2 3 ) 式中，f 、g 、h 和n 为与材料各向异性系数相关的参数，当f = g = 1 ，n = 3 时 各向异性屈服准则就等同于m i s e s 准则。f 、g 、h 和n 的表达式分别为： f = 圭( 走+ 面1 一去 ，g = 三( 去+ 面1 一面1 ) 日= 三( 忐+ 者一专j ，= 琢3 其中：足l = 1 ；r 2 2 =；b 3 = h i l l 4 8 准则有良好的理论基础而且计算简单，能够很好的反应材料的本构关 系，在冲压成形数值模拟中得到广泛应用，本文仿真材料选择h i l l 4 8 屈服准则。 2 1 2 单元类型 壳单元主要有两类：基于k i r c h h o f f 薄板壳理论的壳单元和基于m i n d l i n 厚板 壳理论的壳单元。但前者构造出的单元形式非常复杂，效率较低，在板料成形仿 真分析中使用较少。而后者基于m i n d l i n 厚板壳理论，将板厚方向的转动和位移 相互独立开来，使得构造出的单元计算形式简单、强壮、高效，在冲压成形数值 模拟中得到广泛应用。常见的几种单元形式如下【2 7 】： 1 ) b e l y t s e h l k o t s a y ( b t ) 壳单元。它采用一点缩减积分，计算速度很快，效率 高，但不适用于翘曲比较严重的c a e 分析。板料冲压成形仿真计算中，只要单元 硕士学位论文 不是过于粗糙，一般翘曲现象很少发生，因此b t 单元是冲压成形仿真中最常用 的单元。 2 ) b e l y t s c h l k o - w o n g - c h i a n g ( b w c ) 壳单元。b w c 单元式对b t 单元改进后形 成的，采用一点积分，性能好，适应能力比b t 单元强，适用于翘曲严重的分析， 但计算时间是b t 单元的1 2 2 倍。 3 ) b w cf u l l yi n t e g r a t e d ( f b w c ) 壳单元。f b w c 是完全积分单元，与 b w c 单元一点积分不同，f b w c 单元在单元平面内采用4 点完全高斯积分，有 效避免了沙漏现象发生，适应能力也特别强，但计算时间为b t 单元的3 4 倍。 4 ) h u g h e s t e z d u y a r ( h t ) 壳单元。h t 单元采用选择性缩减积分，既保证了计 算精度和强壮性又避免了沙漏现象发生。该单元可直接退化于实体单元，在单元 扭曲较大的状态下计算精度依然较高，但计算时间约为b t 单元的4 倍。 本文所需分析的车门内板形状复杂，变形较大，为保证精度且提高效率，综 合以上分析选用b t 单元。 2 1 3 接触处理 接触处理是数值模拟技术的关键问题之一。板料冲压成形过程中，模具型面 比较复杂，使得模具与板料之间的接触状态也处于不断的变化之中，能否对两者 之间的相互作用进行准确模拟直接关系到c a e 分析结果的可靠性，因此对接触问 题的处理要特别慎重。 接触问题的处理分为两个方面：接触的搜索和接触力的计算。前者要解决接 触点、接触区域搜索以及接触状态( 粘着、分离、穿透) 的判断等问题，目前主 要的算法有级域算法、主从面算法以及一体化算法；后者是为了解决接触区域之 间法向接触力以及切向摩擦力的确定问题，接触力的算法有罚函数算法、防御节 点算法及拉格朗日乘子算法【28 1 。本文数值模拟采用的接触搜索方法为主从面法， 接触力计算方法为罚函数法。 2 1 4 动力显式算法 冲压成形数值模拟中，主要有静力隐式算法和动力显式算法。 静力隐式算法在求解时，每个增量步内的每次迭代，都需要构造并重新计算 刚度矩阵，当遇到模型比较大、单元比较多的情况时，计算时间会特别长，而且 在处理接触问题时还可能遭遇不收敛的问题，故隐式算法主要用于求解受力、变 形及接触都不是剧烈变化的问题，如重力加载和回弹计算。 动力显示算法利用中心差分法对时间域进行离散，在不需要构造刚度矩阵的 情况下即可对节点运动方程进行求解，在处理复杂的接触和变形问题时依然游刃 有余，有效的避免了计算不收敛的问题，只要时间步长足够小，总能获得计算结 果。其基本理论如下【2 9 】： 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 有限元离散后的板料运动方程为： m i i + c d + k u = q( 2 4 ) 其中，m 为质量矩阵；c 为阻尼矩阵：k 为刚度矩阵；u 、d 、i i 分别为位移、 速度和加速度矢量；q 为外力和接触力矢量。 显示计算( e x p l i c i t ) 也称为“中心差分法”，该方法对速度和加速度会做如下的 假设： 护击( u t _ a t - - u t + a t ) i i t 五l f ( u t - a t - - 2 u t + l d t + a t ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 以上二式表明，对时间的微分关系，被简化为了简单的线性关系，将这两个 式子带入( 2 4 ) 中，得到中心差分法递推公式： ( 古m + 击c ) = q t 一( k 。a s 2 2 m 卜一( 古m 一击c 卜“2 刀 方程( 2 7 ) 左边系数是常数矩阵，在得出t 和t a t 的相应计算结果后，方程右 边也是一个常量，因此整个方程变成了一个简单的线性方程组，可以简单容易的 求出u ，。由于计算点处的状态完全由过去的位移、速度以及加速度决定，结果 是显而易见的，所以称该方法为显示算法。 显示算法的计算是条件稳定的，即计算时间步长必须小于一个临界值，否则 算法将会不稳定，产生计算错误。一般来讲，时间步长要小于或等于弹性波通过 所划分网格最小单元特征长度的时间，即： a t a t 。，= ，( c d = 兰)( 2 8 ) 乙d p 其中，三为最小单元特征长度；c ，为弹性波运动速度；e 为材料的弹性模量；p 为材料的密度。 1 主i ( 2 8 ) 式可知，显式算法最小时间步长由所划分的板料网格中最小的单元的 最小的节点长度决定，网格尺寸越小，则时间步长越小，相应的计算时间越长。 所以划分网格时应尽量大小均匀，避免过小网格出现，以节省计算时问。 2 2 焊缝移动力学理论模型 拼焊板在冲压成形过程中，由于母材厚度、材料性质等差异，将导致焊缝两 侧产生不均匀、不协调的变形，在直观上这种不均匀、不协调的变形就表现为焊 缝的移动。焊缝的不良移动会改变应力应变的分布，影响零件的成形质量，降低 零件的制造精度，严重时甚至导致零件的报废。因此，只有控制焊缝在冲压成形 过程中的不良移动，改善拼焊板变形的均匀性和协调性，才能得到高质量的拼焊 1 0 硕士学位论文 板冲压零件。 如图2 1 所示【3 0 1 ，拼焊板由两块厚度分别为乙和b ( t _ 如) 的板料焊接而 成，板料在垂直于焊缝线方向受横向拉力尸的作用，板料在p 方向的初始总长度 为三，彳、b 侧母材初始长度分别为和( 忽略焊缝宽度) ，变形后长度为、 1 8o 图2 1 拼焊板横向受力示意图 由塑性力学，可得 只= 名= p( 2 9 ) e s ：。t a = 占 ( 2 1 0 ) t = l i l l i = a ，b ( 2 11 ) l ， 、， 由以上三式可得薄侧母材在受单向拉伸后的长度为 = e x p ih c 三一，+ ( 鲁 ic h 乙一h 乙，老i c 2 t 2 ， 式中，占为应变；k 为母材强度系数；以为应变硬化指数。 由式( 2 1 2 ) n - 张h ，焊缝移动量( 由薄侧母材变形后的长度体现) 受母材厚 度比( t a t b ) 、强度系数比( k 月k 占) 、焊缝初始位置1 0 4 以及边界约束力等多重 因素的影响。 2 3 拼焊板盒形件冲压成形焊缝移动研究 盒形件是冲压成形中一类比较典型的零件，形难度大且具有一定的代表性。 掌握盒形件的冲压成形时的焊缝移动规律，对于实际生产有着非常重要的指导作 用。 2 3 1 拼焊板盒形件有限元模型 在冲压成形有限元仿真软件p a m s t a m p 中建立拼焊板盒形件的有限元模型如 焊缝移动控制方法及其在车门内板冲压工艺中的应用 图2 2 所示，由于差厚激光拼焊板存在料厚差，为改进成形性能，采用台阶式压 边圈，母材料厚差体现在凸模上。冲压成形有限元仿真中，板料采用中性层面进 行建模，因此对于拼焊板两侧母材的高度差要以料厚差的一半进行偏置，同时对 于模具间隙的处理也要充分考虑到料厚差异进行偏置。本研究采用的激光拼焊板， 焊缝处尺寸比较小，强度比较高，在成形过程中变形比较小，应力状态相对比较 简单，所以在有限元模型中对焊缝不建模仅采用刚性连接，拼焊板盒形件冲压有 限元模型单元及节点信息如表2 1 所示。 凸模 压边圈 拼焊板 图2 2 拼焊板盒形件有限元模型 文中采用的拼焊板为2 5 6 m m x 3 2 0 m m 的矩形板，焊缝为直线，板料单元采用 四边形的b e l y t s c h k o t s a y ( b t ) 单元，在有限元初始模型中，采用同材差厚拼焊板， 材料主要性能参数：厚度1 4 0 7 m m ，各向异性系数r = 1 9 ，屈服强度仃= 1 5 5 m p a ， 抗拉强度o - b = 2 9 0 m p a ，硬化指数n = 0 2 1 ，强度系数k = 5 1 0 m p a 。仿真的边界条 件如表2 2 所示。 表2 1 拼焊板盒形件冲压有限元模型单元及节点信息 表2 2 拼焊板盒形件冲压成形仿真参数 参数数值 摩擦系数 压边力f ( k n ) 虚拟冲压速度v ( m m s 1 ) 板料厚向积分点 屈服准则