（材料加工工程专业论文）高强激光拼焊板b柱成形数值模拟优化研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：垫l 夏日期：丝! ：2 ：趋 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研矧：粥导师c ：面社日期；。 高强激光拼焊板是基于激光焊接技术和高强钢发展起来的先进加工工艺技 术。该技术是将不同材质、不同厚度或不同涂层的高强钢与高强钢板或普通板 材通过激光焊接成一块整体板，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。 高强激光拼焊板技术应用于汽车车身具有减轻车身重量、节能环保、降低生产 成本、改善车身安全性能等优势。目前，该技术已广泛应用于车身覆盖件、车 身骨架件、车门内板、梁柱类零件等车身零部件加工制造。然而高强激光拼焊 板车身零部件成形过程中，由于其焊缝以及两端强度差别或厚度差别的负面影 响，容易出现破裂起皱、焊缝偏移和回弹过大等缺陷，这些问题已经成为国内 高强激光拼焊板实际应用中的难点。 本文以汽车b 柱为例，采用数值模拟研究与实验研究相结合的方法，分别 从拉延工艺参数、坯料形状、毛坯材料、拉延筋和压边圈等进行多方面优化研 究，研究方法涉及到单因素实验设计方法、正交试验设计方法、人工神经网络、 遗传算法和工艺实验等。研究目的是为了探寻高强激光拼焊板车身零部件工艺 规律，完善该类零件拉延成形优化的方法体系，为解决高强激光拼焊板车身零 部件生产中的问题提供指导。 首先，基于数值模拟试验，采用单因素实验设计的方法对高强激光拼焊板 汽车b 柱成形中冲压速度、模具间隙、摩擦系数、压边力和凹模等工艺参数对 其质量的影响规律进行研究，通过正交试验方法对b 柱成形工艺参数进行优化。 研究表明冲压速度为3 0 0 0m m s 、模具间隙为o 9 t ，摩擦系数为o 1 0 5 ，压边力 为1 0 0 吨，凹模圆角半径为6 m m 时，该b 柱拉延成形质量最好。其次，基于 m s t e p ，对b 柱毛坯形状和选材进行了优化研究，表明落料方案a 具有起皱少， 成形安全裕度大等优点，证明了选用材料b 3 4 0 5 9 0 的合理性。第三，采用b p 神经网络建立了拉延筋阻力与b 柱成形质量间的预测系统，结合遗传算法对拉 延筋阻力进行了优化。第四，针对差厚激光拼焊板进行压边圈优化，发现阶梯 压边圈不但可以有效控制焊缝偏移，还可减少减薄量和回弹量。最后，根据优 化情况，设计制造了模具，试模得到合格零件，对优化结果进行了实验验证。 关键词：高强激光拼焊板，汽车b 柱，数值模拟，工艺优化 r e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ta r e ao ft h ep a r t t h em a i na d v a n t a g e so fu s i n gah s s t w b a r ea sf o l l o w s ：( 1 ) w e i g h tr e d u c t i o n , ( 2 ) e n e r g y c o n s e r v i n ga n de n v i r o n m e n t - p r o t e c t i v e ，( 3 ) i m p r o v e ds a f e t yp e r f o r m a n c e ，( 4 ) r e d u c e dm a n u f a c t u r i n gc o s t sd u et o f e w e rf o r m i n gd i e se t c 。n o w , a u t op a r t ss u c ha sc o v e rp a r t s ，b o d yf r a m ep a r t s ， d o o ri n n e rp a n e l s ，b e a m sa n ds oc a nb em a d eo fh s s t w b s h o w e v e r ，t e c h n i c a l p r o b l e m sa r eo f t e ne n c o u n t e r e di nf o r m i n gh s s t w bp a r t s ，i n c l u d i n gc r a c k , w r i n k l e ， w e l d - l i n em o v e m e n ta n dl a r g es p r i n g b a c k , f o rt h en e g a t i v ee f f e c to fb e a ta f f e c t e d z o n e ，s t r e n g t hd i f f e r e n c ea n dt h i c k n e s sd i f f e r e n c e t h e s ep r o b l e m sh a v eb e c o m et h e p r a c t i c a ld i f f i c u l t i e si na p p l i c a t i o no fh s s t w b i nt h i sp a p e r , c o m b i n a t i o nm e t h o d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d yw e r eu s e d s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n td e s i g n , o r t h o g o n a ld e s i g n ，a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s ，g e n e t i ca l g o r i t h m sa n dt e c h n i c se x p e r i m e n tw e r ea p p l i e dt oo p t i m i z et h e d r a w i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，b l a n ks h a p e sa n dm a t e r i a l s ，d r a w b e a d ，b l a n kh o l d e ra n d o t h e ra s p e c t so fb - p i l l a r a n dt h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oo b t a i nt h et e c h n o l o g y l a w , t oc o m p l e t et h ed r a w i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o ns y s t e mf o rh s s t w bp a r ta n d s o l v ep r o b l e m so f a p p l i c a t i o nf o rh s s t w bi n t h ed o m e s t i ca u t o m o b i l ei n d u s t r y f i r s t , t od i s c o v e rt h el a wb e t w e e nf o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dq u a l i t y , a s i n g l ef a c t o rm e t h o dw a sa p p l i e dt os t u d yb p i l l a rb a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h ef o r m i n gp r o c e s so fb - p i l l a rw a so p t i m i z e du s i n go r t h o g o n a ld e s i g n s t u d i e s s h o wt h a tt h eb - p i l l a rw i l lg e tt h eb e s tq u a l i t yw h e np u n c hs p e e di s3 0 0 0m r r f f s ，d i e g a pi so 9 t , f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s0 10 5 ，b l a n kh o l d e rf o r c ei s10 0t o n sa n dd i er a d i u s i s6 m m s e c o n d ，t h eb l a n ks h a p ea n dm a t e r i a lw e r eo p t i m i z e db a s e do nm s t e e s t u d i e ss h o wt h a tb l a n k i n gp r o g r a mah a db e t t e rf o r m i n gq u a l i t y , a n dt h es e l e c t i o n o fm a t e r i a lb 3 4 0 5 9 0w a sr e a s o n a b l e t h i r d ，t h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l o fb - p i l l a rb e t w e e nd r a w b e a dr e s i s t a n c ev a l u ea n d f o r m i n gp r o p e r t i e s w e r e k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e lt a i l o rw e l d e db l a n k ；b p i l l a r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p r o c e s so p t i m i z a t i o n h i i i i 1 1 3 4 1 2 2 拼焊板焊缝移动控制5 1 2 3 拼焊板起皱和破裂5 1 2 4 拼焊板回弹和回弹补偿。6 1 2 5 拼焊板有限元建模以及工艺参数的优化6 1 3 本课题来源、研究目的及意义。7 1 3 1 本课题来源7 1 3 2 本课题研究的目的7 1 3 3 本课题研究的意义8 1 4 本文主要研究内容9 1 5 本章小结10 第2 章板料成形数值模拟理论及相关技术问题1 1 2 1 板料成形数值模拟理论简介1 1 2 1 1 板料成形有限元基本原理及步骤1 1 2 1 2 大变形弹塑性有限元法简介1 1 2 2 板料成形数值模拟关键技术1 2 2 2 1 单元技术1 2 2 2 2 求解格式1 2 2 2 3 本构关系1 4 2 2 4 接触处理。15 2 2 5 等效拉延筋技术15 2 3 拼焊板成形关键问题1 6 2 3 1 拉延模具设计关键技术。16 2 3 2 拼焊板拉延常见质量问题1 8 2 4 本章小结2 0 第3 章高强激光拼焊b 柱数值模拟与工艺参数优化2 1 3 1 引言2 l 3 2 汽车b 柱工艺分析及模面设计。2 1 3 2 1b 柱工艺分析2 1 3 2 2b 柱模面设计2 3 3 3 有限元模型建立2 4 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 1 网格划分2 4 3 3 2 坯料定义2 6 3 3 3 焊缝定义2 7 3 3 4 工具定义及定位2 7 3 3 5 工序定义及参数设置2 8 3 3 6 材料性能及参数2 8 3 4 试验方案设计2 9 3 4 1 影响因素及评价指标。2 9 3 4 2 单因素试验设计3 0 3 4 3 正交试验设计31 3 5 成形结果分析及试验验证3 2 3 5 1 单因素试验结果分析3 2 3 5 2 正交试验结果分析3 8 3 5 3 试验验证4 5 3 6 本章小结4 5 第4 章基于m s t e p 的高强激光拼焊b 柱坯料优化4 6 4 1 弓l 言4 6 4 2m s t e p 简介。4 6 4 3 基于m s t e p 的坯料尺寸优化4 6 4 3 1 坯料尺寸优化设计4 7 4 3 2 数值模拟研究5 0 4 4 基于m s t e p 的坯料选材优化5 2 4 4 1 有限元建模5 3 4 4 2 试验设计5 4 4 4 3 结果分析5 5 4 5 本章小结5 7 第5 章基于b p g a 的高强激光拼焊b 柱拉延筋优化5 8 5 1 引言5 8 5 2 有限元模型及拉延筋处理5 8 5 2 1 有限元模型5 8 5 2 2 拉延筋处理5 9 5 3b p 神经网络预测模型5 9 5 3 1 成形评价指标5 9 5 3 2b p 网络构建5 9 5 3 3 输入、输出参数的确定6 0 5 3 4 训练样本确定6 0 5 3 5b p 网络训练6 2 5 3 6b p 网络测试6 2 5 4 遗传算法优化6 3 5 4 1 优化模型建立6 3 5 4 2 优化求解“ v 武汉理工大学硕士学位论文 5 5 数值模拟验证6 5 5 6 本章小结6 6 第6 章差厚高强激光拼焊b 柱压边圈优化设计6 7 6 1 引言6 7 6 2 有限元建模及模拟方案设置6 8 6 2 1 有限元建模。6 8 6 2 2 数值模拟方案6 9 6 3 数值模拟结果比较7 0 6 3 1 成形极限图7 0 6 3 2 厚度变化图7 1 6 3 3 第一、第二主应变。7 2 6 3 4 材料边界流动。7 3 6 3 5 工具载荷历史曲线7 4 6 3 6 焊缝位移图7 5 6 3 7 回弹结果7 5 6 4 结论7 6 6 5 本章小结7 7 第7 章试模实验研究7 8 7 1 实验目的7 8 7 2 实验设备7 8 7 3 实验模具8 0 7 3 1 模具设计相关参数8 0 7 3 2 回弹的处理措施8 0 7 4 试模实验8 2 7 4 1 实验条件8 2 7 4 2 实验过程描述8 2 7 5 实验结果分析8 3 7 5 1 起皱情况8 3 7 5 2 破裂情况8 4 7 5 3 焊缝移动情况8 4 7 5 4o t s 样件。8 4 7 6 本章小结8 5 第8 章总结与展望8 6 8 1 总结8 6 8 2 展望8 7 参考文献8 8 鸳贮谢9 2 附录攻读硕士学位期间发表的论文9 3 v i 武汉理工大学硕士学位论文 10 1 引言 第1 章绪论 据中国汽车工业协会统计信息，2 0 1 0 年我国汽车产销量双双超过1 8 0 0 万 量，该数据创下了全球历史新高，预计2 0 11 年汽车产销增长速度为1 0 1 5 。 汽车工业的蓬勃发展，一方面推动了国家工业制造水平和国民经济的快速发展， 为人们的工作和出行带来很大便利，另一方面却加剧了能源危机和环境污染， 并且带来了更多交通事故，威胁到驾乘人员的生命安全。 为此，围绕节能、环保和安全问题，在国家有关部门的带领下，部分代表 性汽车科研单位、自主品牌汽车企业以及大型钢铁企业组成了“汽车轻量化联 盟”，其主要工作内容之一就是减轻车重以减少能耗和污染排放。 通过研究，该联盟企业发现大量采用高强激光拼焊板等技术不但可以使新 型货车减重3 0 0 k g 以上，新型轿车单车平均减重8 - 1 0 ，而且还可以提升车身 结构强度，增强车身安全性能。汽车质量每减少5 0 k g ，每升燃油可多行驶2 k m ， 车身重量每减轻1 ，油耗将下降0 6 。1 嘣1 1 。因此，高强钢激光拼焊板技术是 改善车身设计，提高车身安全节能性能的有效途径之一1 2 j 。 高强钢( h s s ) 是指屈服强度在2 1 0 5 5 0 m p a 的钢材 3 1 。目前常用的高强钢有 双相钢，相变诱导塑性钢、孪晶诱导塑性钢、马氏体钢等。高强激光拼焊板是 将几块不同材质、不同厚度或不同涂层的高强钢与高强钢板或普通板材通过激 光焊接成一块整体板，以满足零部件不同部位对材料不同性能要求的技术【4 j 。 高强激光拼焊板大致可分为三类：相同材料，不同厚度；不同材料，不同 厚度；不同材料，相同厚度。其中前两种为差厚高强激光拼焊板，是目前车 身零部件制造中使用较为广泛的高强激光拼焊板。 高强激光拼焊板用于汽车车身制造有其巨大的优势，主要体现在以下几方 面【5 q ( 1 ) 减轻车身重量，节能环保。在车身设计制造中使用高强激光拼焊板一 方面可通过不同厚度板材组合使车身结构大为简化，另一方面还可以省掉很多 加强结构件，使得车身重量大大减轻。这一点对节能环保是相当重要的。 ( 2 ) 减少零部件的数量。由于激光拼焊板是在成形之前就将不同板材焊接 武汉理工大学硕士学位论文 在一起，然后一体成形，与传统加工方法将不同零件单独加工然后拼装在一起 相比，大幅度的减少了零件数量。 ( 3 ) 零件整体成形，提高装配精度。通过零件一体成型技术，不但可以减 少零件数量，而且还免去许多焊接拼装工艺，从而使得车身装配精度提升。 ( 4 ) 减少模具数量，降低生产成本。车身采用高强激光拼焊板可以大量减 少车身零部件数量，其相应的模具数量也大大减少，从而可以降低生产成本。 ( 5 ) 提高材料利用率，节约成本。一方面可通过在强度要求高的部位使用 厚料，强度要求低的部位使用薄料来节约钢材，另一方面也可对冲压所产生的 边角废料等进行拼焊利用，节约生产成本。 ( 6 ) 安全性能提高。通过使用高强激光拼焊技术，可将材料的强度、厚度 按需求合理组合，使结构的刚度得到大大改善，抗碰撞性能得到大大提高，从 而提高安全性能。 ( 7 ) 车身抗腐蚀性能提高。一方面可以在需要耐腐蚀的部位使用镀层钢板 增强抗腐蚀性，另一方面通过一体化成形可减少搭接缝隙，提升密封性能，降 低电化学腐蚀等。 ( 8 ) 提供大尺寸板材。通过激光拼焊技术可以不受轧钢设备的限制提供大 尺寸的板材。 由于人们认识到高强激光拼焊板的以上优势，自从2 0 世纪6 0 年代第一块 拼焊板诞生以来，便受到广泛关注，随后分别由日本，美国等国大型汽车公司 率先开发试用，到2 0 世纪后期已经广泛应用于日美、欧洲的汽车工业。日本丰 田公司自1 9 8 5 年以来，每年消耗的拼焊板都超过3 0 0 万张，主要用于生产内外 覆盖件以及骨架零件【刀美国的通用汽车公司甚至全部采用高强激光拼焊板来 生产中高档轿车的骨架结构类零件，以追求高的安全性能和节油性能，其中不 乏我们所熟悉的福特、别克、凯迪拉克等车型；欧洲的沃尔沃、奥迪、奔驰、 标致、大众等知名汽车品牌已经开始大量采用高强激光拼焊板生产汽车顶盖板， 前围板、后围板、底板、a 柱、b 柱等车身零部件。由此看来，国外汽车厂商 对高强激光拼焊板这一技术的运用已经相当成熟。随着拼焊板需求量的逐年上 升，拼焊板的产量也急剧增加，据市场调查，2 0 0 5 年全球激光拼焊板产量已达 2 5 亿张，该数据近十年还会保持强劲增长势头网。 考虑到高强激光拼焊板这一高新技术的巨大经济效益和节能环保优势，目 前国内一汽集团、东风集团、上汽集团、吉利集团、长安集团等公司也开始尝 试在各种车型中采用激光拼焊板成形技术发展汽车轻量化，比如奥迪、花冠、 2 武汉理工大学硕士学位论文 帕萨特、保罗、别克、蓝鸟、帝豪、远景、蒙迪欧、铃木和雨燕等车型的车门 内板几乎都采用了激光拼焊板进行冲压，其它零部件也有采用激光拼焊板的趋 势。 发展汽车轻量化将大量使用高强激光拼焊板，但是由于我国目前高强激光 拼焊板的研发生产与国外同行业还有一定差距，我国汽车业高强钢拼焊板使用 比例较低，只有约2 1 ，而发达国家普遍达到4 0 5 0 。 图1 - 1 拼焊板用于自车体零部件示例 目前，高强激光拼焊板技术在车身上的应用越来越广泛，比如车身覆盖件、 车身骨架件、车门内板和梁柱类零件等都可以采用该技术 9 1 ，具体如图1 1 所示。 然而高强钢板成形过程中，由于其具有较大屈服强度，容易出现破裂起皱和回 弹过大等缺陷【1 0 】。再加上拼焊时焊缝热影响区对高强钢材料成形性能的负面影 响，使得高强激光拼焊板整体成型性能下降【引。并且高强激光拼焊板不同于普 通板材，常用成形工艺并不适用于高强激光拼焊板的成型加工。这些问题已经 成为国内高强激光拼焊板实际应用中的难点。 因此，开展高强激光拼焊板成形方面的研究，探索新的成形工艺规律，新 的成形工艺方法以及工艺优化思路，对推进高强激光拼焊板在国内汽车行业的 使用，促进国内车身轻量化技术发展是有积极作用的。 1 2 高强激光拼焊板国内外研究现状 随着数值分析技术、塑性成形理论、冲压技术和计算机硬件技术的发展， 以有限元为核心的c a e 技术迅速发展起来。2 0 世纪7 0 年代初，在n m w a n g 武汉理工大学硕士学位论文 和b u d i a n s k y 研究成果指引下，人们开始研究将有限元c a e 技术应用于车身覆 盖件冲压成形分析，以解决车身覆盖件冲压成形中遇到的各种问题【1 1 1 。f o r d 公 司的s c t a n g 等人先后成功的对轿车行李箱盖和前翼子板的冲压成形过程进行 了数值模拟分析，从而开创了汽车覆盖件冲压成形数值分析的应用研究领域 1 1 2 q 3 1 。随后，车身覆盖件有限元冲压成形仿真研究逐步展开并飞速发展。目前 采用板料冲压成形c a e 技术模拟车身覆盖件冲压成形，不但可以得到材料成形 过程中的应力、应变、厚度、载荷等数据，还可以观察材料的流动情况，对板 料的开裂、起皱、回弹等进行准确预测【1 4 】。 2 0 世纪6 0 年代h o n d a 公司首次尝试采用拼焊技术将边角料用作车身内板 侧。2 0 世纪7 0 年代美国f o r d 公司已经开始小规模使用拼焊技术生产车身钢板。 2 0 世纪8 0 年代，人们对环保和节能问题的要求越来越高，拼焊板技术才引起 更多关注。1 9 8 5 年，德国t h y s s e nk r u p p 钢铁公司成功的将宽幅拼焊板用做 a u d il0 0 的车底板，激光拼焊板从此进入高速发展阶段【1 5 1 。2 0 世纪9 0 年代，为 适应生产发展需求，美国钢铁协会( a i s i ) 和国际钢铁协会( i i s i ) 组织了一项由全 球1 8 个国家3 5 家钢铁公司参与的超轻钢车身( u l s a b ) 计划，成功开发出节能 减重样车，该车通过使用激光拼焊板等技术使零件数减少2 0 ，重量减少 2 5 2 1 。随后，拼焊板在汽车覆盖件中得到广泛运用。 与此同时，应用c a e 技术对拼焊板冲压成形的研究也成为新的热点。目前 国内外对拼焊板的研究主要集中在：拼焊板成形性和成形极限图研究，拼焊板 焊缝移动控制研究，拼焊板起皱和破裂问题，拼焊板回弹和回弹补偿研究，拼 焊板冲压成形数值模拟的有限元建模以及工艺参数的优化等方面。 1 2 1 拼焊板成形性能研究 在国外，a z u m a 等人针对拼焊板的特殊性首先提出了三种标准成形性能试 验：拉伸成形、拉伸凸缘成形能力和深拉深能力，用以评价拼焊板成形性能【l 州； 考虑到焊缝附近材料成形性能与基材的差别，日本的h i s a s h ik u s u d a 等人研究 了不同母材的拼焊板在胀形、翻边和拉延中焊缝附近的成形极限情况，指出激 光拼焊板焊缝附近的冲压成形性能与材料的强度比，厚度比以及成形方式有关， 并且成功将研究成果应用于t o y o t a 公司冲压生产【1 7 1 ) 德国的斯图加特大学研究 人员也对拼焊板进行了一系列基础实验，并且提出对拼焊板成形进行分段模具 设计方法；巴西科英布拉大学的r p a d m a n a b h a n 研究了板料各向异性和轧制方 4 武汉理工大学硕士学位论文 向在双相钢深拉伸成形中对成形质量的影响，指出各向异性对材料流动的影响 取决于材料的力学性能，合适的轧制方向能改善拼焊板在方形盒拉伸成形中的 性能【l 叼。法国的s a d o kg a i e d 等研究了应用新的数值成形极限曲线预测高强拼 焊板成形性能的可靠性，指出通过应变率可精确预测高强激光拼焊板颈缩现象 【1 9 】 0 在国内，拼焊板的成形的研究主要集中在高校和研究所。吉林大学的王婷 婷等通过杯突试验、拉伸试验和成形极限图试验研究了车用激光拼焊板的成形 性能，指出板厚差是影响拼焊板冲压成形性能的关键因素之一，拼焊板破裂和 失稳往往发生在薄弱一侧【2 0 】。 1 2 2 拼焊板焊缝移动控制 焊缝是拼焊板不同于普通板材的主要特点，美国西北大学的b r a dk i n s e y 通过对车门内板的数值模拟，研究了焊缝附近的变形情况，发现夹紧装置对焊 缝移动有较好的抑制作用，对拼焊板整体成性能有改善作用【2 l 】。j i a nc a o 等人 研究了利用分瓣压边圈施加不同压边力的拼焊板成形方法，发现通过对不同厚 度板料上施加不同压边力，可以控制拼焊板在成形中的焊缝移动瞄】。y o u n g m o o h e o 等人研究了深拉深件中的焊缝移动规律，指出焊缝移动量和压边力、焊缝 初始位置以及拉延筋的关系，发现拉延筋可以提供额外的力减少焊缝的移动量 瞄- 2 4 】 o 国内重庆大学的何春妃等研究了拼焊板的成形性能及焊缝控制对策，发现 可通过合理设置拉延筋，垂直焊缝方向设置加强筋，选用合理的板厚比、强度 比以及采用坯料平移法和曲线焊缝补偿法来减少焊缝的移动【2 5 】。上海交通大学 的陈锡荣等人研究了拼焊板焊缝移动规律及其对成形性的影响，提出了合理布 置焊缝位置及采用拉深筋和使用分块压边板等工艺方法控制焊缝移动1 2 6 。江苏 大学的陈炜等人推导了单向拉伸情况下焊缝移动的基本公式，得出了初始焊缝 位置对焊缝移动的影响的基本规律 2 7 1 。 1 2 3 拼焊板起皱和破裂 由于拼焊板两侧材料的性能差异和焊缝硬化等的影响，拼焊板成形过程中 极易发生变形不均匀现象，一旦这种现象得不到很好控制，板料薄弱端容易产 生破裂或起皱等失效。美国西北大学的j i a nc a o 等人开发了带有分瓣压边圈的 5 武汉理工大学硕士学位论文 新型模具，通过施加不同压边力的方法，有效控制了不同板厚成形过程中的起 皱和破裂问题瞄】。 国内同济大学汽车学院的余海燕等研究发现车门内板出现破裂和起皱的原 因是拉延筋阻力不足和厚薄两端材料流动阻力不均【2 引。 1 2 4 拼焊板回弹和回弹补偿 回弹问题一直是高强钢板成形的难点。再加上拼焊板两端材料的差异，零 件回弹过程中很容易产生扭转等问题。目前一般是通过采用优化工艺参数和回 弹补偿结合的办法来减小回弹问题。s u n gh oc h a n g 等人研究了u 形件的弯曲 回弹特性，探究了回弹与板厚，凸模圆角半径，以及焊缝位置等的关系【2 9 】。荷 兰的t m e i n d e r s 等人深入研究了提高回弹预测精度的方法和回弹补偿优化，并 且成功将这一技术应用于车身零部件生产【3 0 】。荷兰的r l i n g b e e k , 等认为回弹是 由于内应力释放引起的，并且初步提出光滑位移调整( s d a ) 和曲面过渡弯曲 ( s c o ) 两种方法对成形零件进行回弹补偿，虽然取得了一定效果，但是该方法对 有限元模拟结果依赖性较强，还有待进一步提高【3 l 】。 国内也有相关研究，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室车身与模具工 程研究所的李春光等研究了车用轻量化钢板的回弹以及回弹补偿等【3 2 1 。 1 2 5 拼焊板有限元建模以及工艺参数的优化 拼焊板有限元建模的关键是焊缝的建模，美国俄亥俄州立大学的k m z h a o 等人分别采用各种有限元模型来建立焊缝及热影响区模型，并通过比较提出一 种兼顾精度和效率的建模方法，并且采用该方法对激光拼焊板模型进行了自由 弯曲、胀形等项测试【3 3 1 。 在工艺参数优化方面，g a s p e rg a n t a r d 等人通过有限元数值模拟的方法对产 品形状和坯料形状进行了优化，并且对成型过程中的起皱，破裂和回弹等进行 了预测【3 4 】。s j h u 等人研究了阶梯压边圈和焊缝夹紧装置对拼焊板成形性能的 改善作用【3 4 】。印度的k v e e r ab a b u 等人认识到激光拼焊板成型过程受到板厚 比，强度比以及焊接方式等复杂因素的影响，为此专门建立了基于人工神经网 络的拉延预测系统，并且通过p a ms t a m p2 g 软件进行有限元数值模拟获取试 验数据成功的训练了该预测系统，并优化了上述因素【3 6 】。 在国内，中南大学的雷正保等人提出了有关c a e 应用中模具间隙、摩擦系 6 武汉理工大学硕士学位论文 数、单元公式、拉延筋模拟方法、模具网格划分、坯料形状以及回弹分析参数 确定的参考性建议1 3 7 1 。华中科技大学的蒋向华等通过适当的优化算法对拉延筋 的真实几何结构进行了优化设计【3 8 】。 总的说来，国外对于拼焊板成形的研究比较领先。由于有限元理论的支撑 和长期生产经验的积累，国外在高强激光拼焊板方面的研究已经比较系统和完 善，理论方面的研究进步很快，拼焊板成形性能、起皱破裂、焊缝移动的控制、 有限元建模和工艺优化以及回弹和回弹补偿等方面的研究也极为丰富。正是由 于对高强激光拼焊板成形理论和技术规律研究比较透彻，目前欧美，日本等国 的激光拼焊板应用已经十分普遍。随着高强拼焊板在汽车工业的应用越来越广 泛，国内有不少学者对拼焊板进行了研究，并且取得了较好的成果。但是，相 对于国外的研究来说，国内很多研究不够系统完善，没有建立拼焊板工艺优化 的理论体系，并且对回弹的预测和回弹补偿的研究基本上在重复国外研究人员 的工作，有待进一步加强研究。这些目前已经成为国内高强激光拼焊板推广使 用所面临的难题。 因此，对高强激光拼焊板成形进行系统性研究，揭示压边力、压边方式、 拉延筋、凹模圆角半径以及摩擦条件等工艺参数对零件成形质量( 破裂、起皱、 拉延不充分、回弹和焊缝移动等) 的影响规律，探索新工艺设计优化方法，对推 广高强激光拼焊板在国内汽车行业的应用，加快轻量化技术在汽车工业中的普 及，促进汽车制造业高效、快速、健康的发展有重要意义。 1 3 本课题来源、研究目的及意义 1 3 1 本课题来源 本课题来源于国家科学技术部2 0 0 8 年国际科技合作与交流专项项目汽车 轻量化核心技术的开发与应用研究【项目编号：2 0 0 8 d f b 5 0 0 2 0 】中的高强度 钢板的激光拼焊成形分析与模具设计应用开发研究子项目。 1 3 2 本课题研究的目的 通过对高强度激光拼焊板汽车b 柱成形的数值模拟研究，揭示压边力、压 边方式、拉延筋、凹模圆角半径以及摩擦条件等工艺参数对零件成形质量( 破裂、 起皱、拉延不充分、回弹和焊缝移动等) 的影响规律，为实现高强度激光拼焊板 7 武汉理工大学硕士学位论文 拉延工艺参数的优化设计提供指导。在拉延工艺优化的基础上，分别采用逆算 法、正交试验设计以及遗传算法等新方法对零件进行坯料优化设计，拉延筋优 化设计和压边圈优化设计，然后进行模具设计和制造，试模得到合格产品，对 优化结果进行验证，为高强激光拼焊板柱类零件的生产提供指导。 1 3 3 本课题研究的意义 近年来，我国汽车工业有了突飞猛进的发展。目前，我国汽车保有量己达 2 4 0 0 万辆，年消耗油品7 0 0 0 多万吨。汽车在促进经济繁荣、给人民生活带来 方便的同时，也带来了能源，环境和安全问题，其中能源问题较为突出。汽车 轻量化是汽车节油的重要手段之一，而轻量化的主要措施之一就是采用高强激 光拼焊板。国外同行业的经验告诉我们，广泛采用高强激光拼焊板，不但可以 降低油耗、利于环保，而且可以提升整车结构安全性能，其经济效益，环境效 益不可估量。 高强激光拼焊板具有节能、减重和安全等优点，是车身轻量化发展的一个 重要方向，在现代汽车行业应用越来越广泛。然而，高强激光拼焊板是通过激 光将几块不同材质、不同厚度或不同涂层的高强度钢材焊接成一块整体板再冲 压生产，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。前文已经提到差厚激 光拼焊板是拼焊板中应用较多的一类汽车板，因此本次研究对象就选差厚激光 拼焊板。差厚高强激光拼焊板与普通板材的差别主要在于两点：材料厚度不 一样，存在厚度方向的差值；材料性能不一样，屈服强度等方面存在差值。 这两个差异导致了高强激光拼焊板在冲压成形过程中容易出现以下问题：焊缝 偏移过大，弱侧材料容易起皱或破裂失效，零件回弹过大和扭曲等。 鉴于高强激光拼焊板的以上问题，普通板材冲压工艺及模具设计方法已经 不能够很好的解决，急需提出新的工艺优化措施和模具设计方法。为此，本文 研究了压边力、压边方式、冲压速度、凹模圆角半径以及摩擦条件等工艺参数 对差厚高强激光拼焊板柱类零件成形质量( 破裂、起皱、拉延不充分、回弹和焊 缝移动等) 的影响规律，并采用新的思路进行了拉延工艺优化，坯料优化设计， 拉延筋优化设计以及压边圈优化设计，完善了高强激光拼焊板的优化设计方法。 并且设计制造模具，对优化结果进行了试验验证，为高强激光拼焊板工艺优化 设计提供了参考。研究成果对推广高强激光拼焊板应用，加快轻量化技术在汽 车工业中的普及，促进汽车制造业向节能、环保和安全方向发展有重要意义。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 以差厚高强激光拼焊板汽车b 柱为研究对象，研究各工艺参数对差厚高强 激光拼焊板柱类零件成形和回弹的影响规律，焊缝移动的控制方法，拉延筋阻 力的优化方法以及压边圈优化设计方法。具体研究内容如下： ( 1 ) 利用u g 对高强激光拼焊板汽车b 柱零件进行工艺补充和模面设计， 并建立合适的有限元模型。 ( 2 ) 运用d y n a f o r m 对高强激光拼焊板汽车b 柱进行拉延模拟分析，得出各 工艺参数对该类零件成形质量的影响规律，并进行拉延工艺参数优化。 ( 3 ) 基于m s t e p ，对汽车b 柱进行毛坯尺寸优化设计和毛坯选材优化。 ( 4 ) 通过人工神经网络，结合遗传算法优化拉延筋阻力分布，使得零件成 形质量最佳，焊缝移动最小，指导拉延模具的布筋。 ( 5 ) 结合差厚板特点，对拉延模具压边圈进行优化设计，减小零件减薄率 和焊缝移动量。 ( 6 ) 制造拉延模具，参照优化后的工艺参数进行试模，得出合格零件。 具体研究方法：本课题采用数值模拟与生产试验相结合的研究方法。以差 厚高强激光拼焊板汽车b 柱为研究对象，对该零件进行拉延工艺分析，并确定 合理的冲压工艺，运用u g 软件初步设计工艺补充和拉延模面。应用d y n a f o r m 软件进行有限元数值模拟分析，分别研究材料硬化指数n 、厚向异性系数r 对材 料成形裕度的影响规律，压边力、拉延筋布置、凹模圆角半径以及摩擦条件等 工艺条件对零件的破裂、起皱、变形、回弹以及焊缝移动的影响机制和规律。 设计正交试验，采用人工神经网络结合遗传算法优化等效拉延筋阻力分布。最 后设计制造拉延模具进行试模试验，对工艺参数优化设计和拉延模面设计进行 验证。 研究技术路线如图1 - 2 所示。 9 1 5 本章小结 图1 - 2 技术路线图 本章首先介绍了高强激光拼焊板国内外的应用情况，然后概述了高强激光 拼焊板国内外的研究现状，包括发展水平和存在的问题。通过比较，指出国内 该领域的研究不够系统完善，没有建立拼焊板工艺优化的理论体系。接着阐明 了本课题的研究目的及意义。最后说明了本文的研究内容，研究方法以及技术 路线。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章板料成形数值模拟理论及相关技术问题 201 板料成形数值模拟理论简介 2 1 1 板料成形有限元基本原理及步骤 板料成形数值模拟一般是采用一组数学方程( 偏微分方程) 和边界条件将板 料实际冲压过程抽象成理想的数学模型，然后利用计算机求出该数学模型在不 同边界条件下的数值解，依次确定板料在不同边界条件下所发生