加载路径对钢结构梁内高压成形的影响

加载路径对钢结构梁内高压成形的影响

车辆后悬臂系统的张力梁是当前车辆后悬臂系统中最重要的部件。张力梁的耐用性、强度和刚性是所有后悬臂系统的一项重要技术。良好的设计可以获得适当的张力分布，避免张力集中和延长使用寿命。传统扭力梁都是采用板材冲压成形V型或者U型,然后,在中间加上稳定杆的方法实现的,但在汽车轻量化工程中扭力梁的减重也是一项重要举措.最新的结构形式是采用管件成形为封闭截面的扭力梁,这种方法成形的零件可以适应空间和承载的需要,同时,扭力梁被设计成空心变截面形式,在提高零件整体强度、刚度和抗弯模量以及耐用性的同时减重达39.4%.随着内高压成形技术的不断发展和在汽车零部件制造方面的应用,国外学者开始尝试采用内高压成形工艺制造扭力梁.采用该工艺不但使截面形式可以变化复杂,而且使截面连续性也可以变化多样,适应因载荷不同而提出的截面尺寸变化要求.德国学者最初通过管件机械挤压的办法成形出截面形状为U型的扭力梁,但为了防止一次挤压量过大,容易出现缺陷,增加了预成形工序,通过更换模具,两次成形实现了U型截面扭力梁.该扭力梁的耐用性及其强度指标符合设计要求,但是,由于两壁相互接触,在扭转过程中容易产生噪音.为了克服上述缺陷,日本丰田自动车株式会社在结构上做出进一步的改进,使双壁之间不再是接触的状态,而是留有一定空间,这样可以通过截面积的增大提升扭力梁的扭转刚度,同时也可以提高扭转中心的位置,进一步增强其耐用性.为了更好地实现减重,韩国学者用高强钢22MnB5,通过热成形的方法得到了屈服强度和抗拉强度均超过1400MPa的试件,增强了扭力梁的扭转强度和耐用性.德国学者用壁厚为2.6mm的DP780内高压成形出合格的扭力梁试件,试验分析发现,随着原始壁厚的增加,试件的扭转强度增加,而扭转刚度在下降.哈尔滨工业大学在扭力梁的预成形方面也做了深入的研究.在扭力梁内高压成形过程中遇到的最重要的两个问题就是壁厚局部减薄严重和试件的成形精度低.试件局部壁厚减薄将大大的降低扭力梁的耐用性和扭转强度,同时降低了管件本身的成形性能;而试件成形精度不足将不利于扭力梁应力的合理分布,可能产生局部应力集中,大大削弱扭力梁的使用寿命.而内高压成形过程的加载路径可以改善以上缺陷,增强扭力梁的综合机械性能.所谓加载路径,就是在内高压成形过程中轴向补料量和内压的匹配关系.因此,本文将采用数值模拟和试验方法研究加载路径对管件内高压成形壁厚减薄规律及成形精度的影响.1轴向补料对成形质量的影响图1为本文所研制的扭力梁零件,截面形状以V型截面为主,还包括椭圆形等异型截面.截面周长有一定的变化,从端部到中间区域逐渐变小,最大的B-B截面和最小的C-C截面,相差7%.膨胀率最大的B-B截面壁厚减薄十分严重,同时试件成形精度不高.为改善上述两种缺陷,内高压成形过程中的轴向补料显得尤为重要,它对改善试件壁厚减薄率,增大耐用性和周向强度以及改善应力分布,防止应力集中起到至关重要的作用.内高压成形工序采用同一种预成形工艺得到的管坯.2数值模拟2.1lytschko-tsoa壳元有限元分析软件采用dynaform5.6,求解器为LS-DYNA.管坯选用Belytschko-Tsay壳元,内高压成形有限元模型如图2所示.管坯的材料为低碳钢,屈服强度272MPa,抗拉强度428MPa,延伸率28%,硬化指数(n)为0.156,厚向异性系数(r)为0.927,强度系数(K)为661MPa.2.2初始压力设计加载路径设计如图3所示,在模拟的过程中,为了研究各参数对成形过程的影响,当研究某一参数的影响时,仅改变该参数数值,其他参数值保持不变.对于图3(a)所示的加载路径,整形压力固定为90MPa,补料量固定为15mm,初始压力分别设计为0,30,60MPa;对于图3(b)所示的加载路径,整形压力固定为90MPa,初始压力固定为30MPa,补料量分别设计为10,15,20mm.2.3补料量对成形的影响考虑到零件沿轴线方向是左右对称的,故取其一半分析.初始压力不同的3种加载路径数值模拟结果如图4所示.通过分析得出:对于加载路径1,出现明显的起皱现象,皱纹出现在凸起部分的根部(图4(a)),并且不能消除;对于加载路径2,没有出现明显的皱纹,但由于初始压力较高,受摩擦影响补料主要集中在端部,有起皱趋势;对于加载路径3,成形效果良好(图4(c)).综合以上3种情况,初始压力为30MPa时,成形效果最好.补料量不同的3种加载路径以及无补料时的最终数值模拟结果如图5所示.分析发现:对于加载路径5,由于补料量过大,出现明显的起皱现象(图5(d)),且在后续整形过程仍未消除;对于加载路径4和加载路径3及无轴向加载时,都可以得到合格内高压成形试件,区别在于补料量不同时,对壁厚减薄率的影响不同,但最大减薄位置都在B-B截面;对于无轴向加载,最大减薄率为21.53%(图5(a));对于加载路径4,最大减薄率为17.45%(图5(c));对于加载路径3,最大减薄率为11.99%(图5(b)).综合分析以上4种情况,当补料量为15mm时,壁厚最大减薄率最小,试件成形效果最好.3内高压成形系统简介试验在哈尔滨工业大学的10000kN内高压成形机上进行,配有400MPa内高压成形系统,该系统由增压器、2个水平推缸以及液压伺服系统、计算机控制系统组成.内高压成形模具主要包括密封冲头,上、下模块等部分.原始管坯规格为Φ89mm×2.5mm,长度为1200mm,内高压成形时使用的是经过合理预成形的管坯,如图6所示.3.1加载路径的影响轴向加载可以通过改善局部区域受力状态,从而提高成形性能,但轴向加载也会带来起皱缺陷.合理预成形后的管坯端部存在一个皱坑(如图6中的Ⅰ区),可通过内压的增大来胀平.但不恰当的加载路径使这个皱坑不能消失,反而起皱趋势加大,形成死皱.主要加载路径如图3(a)所示.对于加载路径1,由于管坯合模过程中在端部区域存在一个天然的凹坑,当内压很小时补料,这个凹坑还不能被内压胀起,而轴向力和轴向补料的加入,又加剧了该凹坑的深度,轴向补料不能向胀形量较大的B-B截面,使起皱程度进一步增加,增大内压也不能消除皱纹,最终形成死皱(如图7(a)).对于加载路径2,即当内压达到60MPa时再开始补料,预成形时形成的凹坑早已经被胀平,但是,内压越大,管件与模具的摩擦越大,轴向补料越困难,材料向胀形量较大的地方流动越困难,最后的端部增厚严重.对B-B截面补料不是很明显(如图7(b)).对于加载路径3,即当内压达到30MPa时再开始补料,预成形时形成的凹坑已经被胀平,随后进行轴向补料可以很好地向胀形量较大的B-B截面和C-C截面流动,成形后试件没有皱纹存在,试件形状完好(如图7(c)).综合以上3种加载路径,初始压力为30MPa时成形效果最好.3.2补料量的影响补料量不同的加载路径也对管件内高压成形产生较大的影响,尤其对改善膨胀率较大的截面的壁厚减薄率,起到重要的作用.补料量过小,不能起到改善壁厚减薄,提高成形性能的目的;而补料量过大,在端部形成死皱,同样不能生产出合格试件.试验设计加载路径如图3(b)所示,成形结果有着显著差异,分别如图8所示.其中,对于加载路径5(即补料量为20mm),管件在凸起部分的根部产生死皱,不能被消除.对于加载路径4和加载路径3(即补料量分别为10和15mm),成形出合格试件,但试件各个截面的壁厚分布均匀性和尺寸精度存在差别.取整形压力为90MPa的内高压成形件,分析无补料、补料量10mm和补料量15mm的典型截面的壁厚变化情况,得出补料量不同的加载路径对内高压成形件壁厚的影响.以膨胀量最大的B-B截面为例(如图9所示):未补料时,B-B截面减薄非常严重;当补料量为10mm时,B-B截面的最大减薄率由23.28%降到16.92%;当补料量为15mm时,减薄率再次降到8.56%.可见随着补料量的增大,减薄情况得到改善,成形性能增强.轴向加载能够改善壁厚分布的根本原因在于管材受力状态的改变,对于管材的任何位置,主要受到的三向主应力分别为:σ1=σθ=pr/t,σ2=σr=-P,σ3=σz.其中,σ2,σ3都是压应力,但σ2的数值相对于σ1和σ3,非常小,近似认为σ2=σr=0.根据Levy-Mises方程,厚度方向壁厚变化为dεt=23εt=23dλ[σr−12(σθ+σz)].(1)λ[σr-12(σθ+σz)].(1)如公式(1)所示,壁厚变化率是随着轴向应力的增大而逐渐增大,当σz=0时,即没有轴向加载,dεt<0,但随着轴向应力的加入,当数值上σz>σθ时,此时dεt>0,即壁厚不再减薄,而是增厚.所以壁厚增厚是由轴向应力的加入,应力状态发生改变的结果.3.3内高压成形件截面长度偏差分析沿扭力梁的轴线方向,分析截面的周长变化.对于标准零件,沿轴线截面的周长变化情况,其中,最大截面的周长为300.7mm(当量直径为95.8mm),最小截面周长为281.7mm(当量直径为89.7mm),最大膨胀量为7.39%,最小膨胀量为0.61%.对于不同的加载路径,初始压力主要影响端部的起皱和壁厚分布,对扭力梁成形精度的影响很小,而补料量则对扭力梁成形精度有着显著的影响.取不同的加载路径,如补料量分别为0、10和15mm,整形压力分别为90和100MPa的内高压成形件的典型截面周长与标准件做比较,分析加载路径对内高压成形件尺寸精度的影响.内高压成形试件截面周长偏差变化趋势如图10所示.当整形压力相同,补料量不同时,截面偏差变化趋势如图10(a)所示.即随着补料量的增加,成形精度也逐渐提高,截面尺寸偏差在降低.此外,固定补料量为15mm,将内压增加到100MPa,成形精度进一步得到提高,与标准零件尺寸基本吻合(图10(b)).分析认为,本试验中补料量为15mm,最终内压为100MPa时,管件成形精度最接近标准零件.4端部出现死两种1)通过数值模拟和试验研究,加载路径3为扭力梁内高压成形合理加载路径.此时补料初始压力为30M