CAE分析热冲压一体式门环优化设计

 热冲压技术由于具有成形性好、低的成形力、回弹小以及零件强度高等优点被广泛应用于汽车工业，但随着汽车对于减重和安全性的进一步提高，单一高强度的热冲压零件已经不能满足碰撞吸能需求，文章提出将某车型B柱、A柱、门槛和A柱下加强板四个零件合并得到包含两种厚度规格的一体式热冲压门环零件，在降低整车重量的同时提升了碰撞性能。针对零件合并造成的成形性问题，基于CAE分析技术，对门环零件结构进行了优化设计，在满足成形性的同时，零件最终的力学性能亦满足要求。通过增大局部圆角的方式可以有效降低热冲压后零件的减薄率，保证整体的强度和刚度，通过增设吸皱包或台阶的方式可以有效解决起皱叠料现象，同时减薄率也在可控范围内，满足设计需求。

随着对汽车轻量化、节能减排和安全性要求的日益提高，高强钢越来越多地被用于车体的重要结构件和安全零部件的制造。热成形技术由于其具有成形性能好、成形载荷小、回弹小和淬火后零件强度高等优势而得以在汽车工程广泛应用。直接热冲压成形零件强度高但塑性低，在碰撞发生时车辆吸能不足造成安全性降低，因此诞生了很多提升热冲压零件局部塑性的技术和方法，如拼焊板、补丁板、差厚板、冷热分块模具、不同的初始加热温度等。

通过局部增塑的方法可以提升单个零件的碰撞性能，然而需要注意的是，对于碰撞性能起决定作用的白车身是由单个成形后的零件焊接而成，在减重和抗碰撞性能方面略显劣势。高强钢热冲压零件具有超高强度，而零件之间的焊点是系统中最薄弱的区域，碰撞时开裂往往发生于此。另一方面，零件之间焊接会有重叠区域，不仅会增加整车重量，而且会使得在碰撞发生时产生低消力传递从而影响碰撞性能，特别是最近中国保险汽车安全指数（C-IASI）测试评价体系提出25%小偏置碰。本文将某车型B柱、A柱、门槛和A柱下加强板四个零件合并得到一体式热冲压门环零件，在降低整车重量的同时提升了碰撞性能。零件合并产生了成形性问题，因此本文通过CAE（Computer Aided Engineering）分析技术，对热冲压一体式门环进行了优化设计，最终实现了良好的成形性和力学性能分布。

1 材料与零件设计

本文所采用的分析材料为汽车用低合金超高强钢板22MnB5，牌号为USIBOR1500，初始态的22MnB5材料微观组织为铁素体/珠光体，抗拉强度约为600 MPa，均匀延伸率约为22%。通过热冲压成形技术在模具内冷却淬火后可得到完全的马氏体组织，抗拉强度可达到1500 MPa，均匀延伸率约为6%，厂家提供的22MnB5化学组成如表1所示，实验所采用的板料厚度为1.2 mm和1.6 mm。

表1 22MnB5材料化学组成（质量分数%）

图1 热冲压一体式门环（a）零件设计以及（b）坯料展开

2 CAE分析结果与讨论

2.1 优化前的CAE分析结果

如图2所示为CAE分析结构示意图，为保证成形质量，防止开裂和起皱缺陷的产生，在上模和下模分别设置了2个和3个压料板来控制材料在成形过程中的流动。热成形过程中板料处于高温状态，强度低塑性好，但坯料与模具之间的摩擦系数达到0.5，显著高于冷成形工况，因此上下模压料板之间采用弹性对顶方式来成形，其对顶压力不超过10吨，压料板的浮料高度不超过100 mm。

图2 CAE分析结构示意图

为保证热成形后零件的使役性能，在CAE分析阶段一般要保证减薄率不超过15%，且不能出现叠料现象，如图3所示为门环优化设计前CAE分析的减薄率分布云图，从零件表面取P1～P7等7个点具体查看减薄率数值，发现均超过了极限15%的减薄率，特别是区域A出现了开裂现象。同样地，成形后零件的起皱特别是叠料也应当得到控制，起皱率一般控制在5%以内，从图3减薄率分布图中可以看出区域B和区域C有明显的增厚，其成形到底前1 mm材料的状态以及成形终了时的起皱率如图4所示。由图4中可以看出，此两区域成形到底前1 mm材料具有明显的起皱和叠料趋势，在成形终了时起皱率远超临界值5%，不符合成形性要求，在实际生产时具有极大风险，因此需要对一体式门环结构进行优化设计。

图3 优化前零件减薄率分布

图4 区域B和区域C在成形到底前1mm时材料状态以及成形终了时的起皱率分布云图

2.2 优化后的CAE分析结果

如图5所示为根据CAE分析结果对一体式门环零件的结构优化示意图，红色区域为根据CAE分析结果进行优化修改的区域，对于减薄率偏大的区域，主要通过增大局部圆角的方法来有效控制成形过程中的变薄。优化后零件的减薄率分布云图如图6所示，可以发现结构优化后零件的减薄率全部控制在15%以内，满足CAE分析要求，具体地，P1～P7等7个点在结构优化前和优化后的减薄率对比如表2所示。

图5 一体式门环结构优化示意图

图6 优化后零件减薄率分布

表2 P1~P7优化前后减薄率对比

图7 优化后区域B和区域C在成形到底前1mm时材料状态以及成形终了时的起皱率分布云图

针对区域B的起皱叠料现象，通过在转角处增加吸皱包来容纳多余材料，使得材料在成形过程中具有较好的流动性，在解决起皱现象的同时避免过度减薄，从而得到较好的成形性。针对区域C的起皱叠料现象，单纯通过增设吸皱包的方式不能有效解决同时发生的减薄现象，因此采用增设台阶的方式来优化此处结构设计。区域B和区域C处结构优化后，成形到底前1 mm时的材料状态以及成形终了时的起皱率分布云图如图7所示，可以发现优化后，到底前1 mm时材料无明显起皱或叠料趋势，在成形终了时起皱率也控制在5%以内，满足设计需求。根据优化后的零件结构在软件中实施加热-输送-冲压成形-淬火冷却全流程数值模拟，最终得到零件的抗拉强度分布云图如图8所示，可以发现门环大部分区域抗拉强度达到1400 MPa以上，局部抬料板区域强度较低，但也都在1200 MPa以上，满足使用需求。

图8 成形-淬火冷却后抗拉强度分布云图

3 结论

（1）通过将四个零件合并的方式得到一体式热冲压门环零件结构，在减轻整车重量的同时可提升碰撞性能，本文从数值模拟角度证明了一体式门环整体热冲压成形的可行性，且最终的抗拉强度满足使用需求；

（2）通过增大局部圆角的方式可以有效降低热冲压后零件的减薄率，保证整体的强度和刚度，通过增设吸皱包或台阶的方式可以有效解决起皱叠料现象，同时减薄率也在可控范围内，满足设计需求。

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