汽车引擎盖外板重力变形研究

重力变形是指板材或产品在自身重力下发生的塑性变形，汽车外覆盖件经各冲压工序后，由悬臂式自动取送料装置（见图1）放置到零件收料台过程中产生的塑性变形。部分大型覆盖件造型简单，容易造成零件刚度不足，以某车型顶盖为例，由于顶盖表面曲率半径大且有天窗，在顶盖四角先接触工作台后，中间部分造成塌陷，如果前期产品设计阶段没有评估重力变形风险，后期则需要对产品进行更改，延长模具制造周期并增加成本。

图1 悬臂式自动取送料装置

计算机技术的发展使数值模拟成为金属板料成形研究的主要辅助手段之一，精确的材料本构模型将有助于提高仿真精度。目前在同步开发阶段主要依据Dynaform & LS-DYNA软件对产品进行重力变形仿真分析，而材料模型则参考成形性分析时选用的材料模型。对于钢板，Hill48二次屈服准则具有良好的理论基础且计算简单，被广泛应用于有限元分析软件中以描述板料的变形行为。有学者对Dynaform软件在成形性仿真和跌落变形中的应用进行了研究，但跌落变形仿真并没有对不同材料模型的影响进行对比研究。

现基于Dynaform & LS-DYNA软件，以汽车引擎盖外板为例，对重力变形过程中材料的屈服准则、硬化模型和各向异性参数对仿真结果的影响进行对比研究。

仿真模型建立和材料模型介绍 

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仿真模型建立

图2 跌落变形仿真模型

为节省模拟时间，直接将零件翻边展开的数模作为模拟对象（见图2），采用Dynaform中的重力变形模块进行计算，零件网格尺寸为3mm，网格类型选择fully integrated，接触类型选择NODES_TO_SURFACE；材料为0.6mm的GMW3032M-ST-S-CR180B2低碳薄钢板，密度为7.8g /cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度为200MPa，3个方向的各向异性参数分别为r 0=1.6、r 45°=1.5、r 90°=1.8。零件跌落高度设为50mm，求解器选择LS-DYNA-r511_s单精度求解器， 对跌落变形后零件的等效塑性应变分布仿真结果进行评估。

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材料模型介绍

Dynaform中各材料模型参数如表1所示。

Von Mises屈服准则为各向同性屈服准则，如公式1所示，Hill48为各向异性屈服准则，如公式2所示。

其中，；σi为等效屈服应力；σ1，σ2为平面内主轴的屈服应力。

当rˉ=1时，则Hill48准则和VonMises准则相同。Barlat89屈服准则为基于平面应力条件下考虑面内各向异性提出的屈服准则，用于描述各向异性材料的屈服行为，如公式3所示。

其中，K1和K2被定义为：

MAT36、MAT37和MAT122材料模型均采用静态拉伸试验得到的应力应变曲线作为硬化曲线。MAT24材料模型考虑到不同拉伸速率下材料的硬化指数不同，可以定义多条不同应变速率下的硬化曲线。图3所示为CR180B2在不同应变速率下的塑性应力应变曲线。

图3 CR180B2不同应变速率下塑性应力应变曲线

材料模型对仿真结果影响

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硬化准则对仿真结果影响

为比较不同硬化准则对仿真结果的影响，进行2组仿真。第1组采用MAT24材料模型，第2组采用MAT37材料模型，并设置rˉ=1，2组仿真的区别仅是硬化准则不同。为了验证仿真的可重复性，挑选2种车型的引擎盖外板进行仿真。

图4 车型1硬化准则等效塑性应变

图5 车型2硬化准则等效塑性应变

对仿真结果中等效塑性应变结果进行分析，对于车型1，MAT37材料模型预测2处失效，MAT24材料模型预测1处失效，如图4所示。对于车型2，MAT37材料模型和MAT24材料模型均预测1处失效，如图5所示。2种硬化准则对零件跌落变形的预测结果存在差异，为了验证2种硬化准则的准确性，后续对车型1和车型2的实际零件进行对比验证。

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各向异性参数对仿真结果影响

图6 车型1各向异性参数等效塑性应变

为比较各向异性参数对仿真结果的影响，取车型1引擎盖外板进行3组仿真，采用MAT37材料模型并将各向异性参数rˉ分别设置为0.5、1和1.5，对3组仿真的等效塑性应变进行分析，如图6所示，不同rˉ值对跌落变形仿真结果无影响。

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屈服准则对仿真结果影响

图7 车型1屈服准则等效塑性应变

为对比不同屈服准则对仿真结果的影响，取车型1进行2组仿真，第1组采用MAT36材料模型，即Barlat89屈服准则；第2组采用MAT122材料模型，即Hill48屈服准则；2组仿真采用相同的r值和应力应变曲线。对仿真结果中等效塑性应变结果进行分析。由图7的等效塑性应变结果可知，不同屈服准则对跌落变形结果并无显著影响。

实际零件验证

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图8 车型1实车零件缺陷

图9 车型2实车零件缺陷

车型1和车型2均处于软模造车验证阶段，从整车上通过高光检测和手工触摸的方式对2个车型的引擎盖进行检查。车型1的引擎盖单件并未发现明显的跌落变形缺陷，但在高光显示下，特定角度处可发现一处存在变形，如图8所示，这与图4所示MAT24材料模型模拟的结果相同。图9所示为车型2的高光显示，与图5对应的位置可以看到斑马线的扭曲，这与图5所示模拟的结果相同。

图10 车型1改进后零件状态

综合2个车型的实车零件结果可以看出，采用MAT24材料得到的仿真结果更加贴近现场零件状态。对于车型1引擎盖出现的缺陷，主要是由于特征线的造型引起，将特征线消失处的过渡区域做平缓处理，削弱特征线引起的曲面突变从而消除跌落变形的风险，修改后的零件如图10所示，零件表面顺滑，无表面质量缺陷。

图11 车型2改进后零件状态

车型2引擎盖的缺陷主要是零件的刚性不足造成，通过零件材料的更换，将CR180B2更改为CR210B2，消除跌落变形风险，改进后的零件如图11所示。

▍原文标题：材料模型对外覆盖件跌落仿真的影响

▍原文作者：温媛媛，王增强，赵锟，霍晓阳，许健健

▍作者单位：上汽通用汽车有限公司