TRB成形仿真及参数优化研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.59MB 86 页 15积分
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 汽车工业与汽车轻量化 ...................................................................................1
§1.2 汽车轻量化的途径 ...........................................................................................2
§1.2.1 变截面技术 .............................................................................................3
§1.2.2 TRB 的优势 .............................................................................................4
§1.2.3 TRB 应用实例 .........................................................................................5
§1.3 TRB 研究现状与存在问题 ..............................................................................8
§1.3.1 TRB 研究现状 .........................................................................................8
§1.3.2 TRB 研究和应用存在的问题 .................................................................8
§1.4 本课题的提出及主要研究内容 .......................................................................9
§1.4.1 本文研究课题的提出 .............................................................................9
§1.4.2 本文主要研究工作和内容 .....................................................................9
第二章 TRB 数值模拟理论基础研究 ..........................................................................12
§2.1 板料成形数值模拟技术 .................................................................................12
§2.2 动力显式算法 .................................................................................................13
§2.2.1 动力显示求解格式 ...............................................................................14
§2.2.2 显式动力算法的优点 ...........................................................................16
§2.3 屈服准则 .........................................................................................................16
§2.3.1 屈服准则的概念 ...................................................................................16
§2.3.2 Tresca 屈服准则 ....................................................................................17
§2.3.3 Mises 屈服准则 ..................................................................................... 19
§2.3.3 各向异性屈服准则 ................................................................................20
§2.4 TRB 本构关系 ................................................................................................23
§2.5 TRB 数值模拟软件选择及其二次开发 ........................................................26
§2.5.1 Abaqus 软件简介 ................................................................................. 27
§2.5.2 TRB 数值模拟二次开发 .......................................................................27
§2.6 本章小结 .........................................................................................................34
第三章 TRB 单向拉伸数值模拟研究 ..........................................................................35
§3.1 TRB 基本几何参数及其处理方法 ................................................................35
§3.1.1 TRB 分类 ...............................................................................................35
§3.1.2 TRB 厚度过渡区的离散 .......................................................................36
§3.1.3 TRB 材料非均匀性描述与处理方法 ...................................................37
§3.2 TRB 单向拉伸数值模拟研究 ........................................................................38
§3.2.1 TRB 单向拉伸仿真模型的建立 ...........................................................39
§3.2.2 TRB 单向拉伸仿真结果 .......................................................................43
§3.3 本章小结 .........................................................................................................50
第四章 TRB 成形盒形件过程仿真及成形参数优化 ..................................................51
§4.1 等厚板成形盒形件的建模与仿真 .................................................................51
§4.1.1 有限元建模及参数设置 .......................................................................51
§4.1.2 仿真结果及分析 ...................................................................................52
§4.2 TRB 成形盒形件的变形特点 .........................................................................53
§4.2.1 TRB 板料的放置方式 ...........................................................................53
§4.2.2 TRB 成形盒形件的特点 .......................................................................54
§4.3 TRB 成形盒形件仿真建模 .............................................................................54
§4.3.1 TRB 板料尺寸 .......................................................................................54
§4.3.2 TRB 厚度过渡区以及压边的处理 .......................................................55
§4.3.3 TRB 成形盒形件有限元模型 ...............................................................55
§4.4 TRB 成形盒形件的正交试验分析及参数优化 .............................................56
§4.4.1 正交试验设计 ........................................................................................56
§4.4.2 TRB 成形盒形件的正交试验方案设计 ...............................................56
§4.4.3 TRB 盒形件成形正交试验结论 ...........................................................59
§4.5 TRB 与等厚板成形盒形件的比较 .................................................................59
§4.5.1 等厚板成形盒形件数值模拟结果 .......................................................59
§4.5.2 TRB 成形盒形件数值模拟结果 ...........................................................61
§4.5.3 TRB 与等厚板成形盒形件的对比分析 ...............................................63
§4.5.4 TRB 成形盒形件不均匀性分析 ...........................................................65
§4.6 本章小结 .........................................................................................................66
第五章 TRB 胀形及拉胀复合成形仿真研究 ..............................................................67
§5.1 TRB 胀形球形件模拟分析 .............................................................................67
§5.1.1 胀形球形件仿真成形建模 ...................................................................67
§5.1.2 等厚板球形胀形 ...................................................................................69
§5.1.3 TRB 球形胀形结果分析 .......................................................................70
§5.1.4 TRB 胀形特点 .......................................................................................72
§5.2 TRB 球形件拉胀复合模拟分析 .....................................................................73
§5.2.1 等厚板拉胀复合成形 ............................................................................73
§5.2.2 TRB 拉胀复合成形 ...............................................................................75
§5.2.3 TRB 拉胀复合成形特点 .......................................................................77
§5.3 本章小结 ..........................................................................................................77
第六章 结论与展望 .......................................................................................................78
参考文献 .........................................................................................................................80
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................85
致 谢 ...............................................................................................................................86
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 汽车工业与汽车轻量化
汽车工业是一个国家的基础工业，代表着国家工业化的水平。由于汽车工业
对国民经济贡献率达 38％，汽车相关产业从业人数上亿，还可以提高社会经济运
作效率，追加消费需求，形成生产消费的良性循环，我国将汽车工业确定为国民
经济发展的支柱产业。近十年来，我国汽车工业呈现出强劲的发展态势，2009 年
中国汽车销量已经超过 1000 万辆，中国汽车市场销量连续 3 个月超越美国，成为
世界第一汽车销售大国[1]。
然而，汽车在带给人们迅捷与方便、给国家带来巨大经济效益的同时，也诱
发了许多负面影响，其中全球能源短缺和尾气排放污染问题日益严峻[2,3]。近年来，
随着能源危机、石油价格不断上涨以及地球温室效应加重，世界各国对能源短缺
和二氧化碳排放引起的环境问题更加重视，纷纷制定和采取各种严格的法规加以
应对。在这样的背景下，依靠减轻车身重量来减少能源消耗的汽车轻量化技术，
越来越受到人们的重视，逐渐成为汽车工业今后的发展方向[4,5,6]。
由于汽车轻量化技术和汽车工业的发展密切相关，世界汽车强国相继对轻量
化车型进行研究。1994 年至 1998 年间，国际钢铁协会(IISI)的钢铁材料供应厂家
联合世界 18 个国家的 35 家钢铁企业，共同推进超轻型钢制车体 ULSAB(Ultra
Light Steel Auto Body)、ULSAC(Ultra Light Steel Auto Closure)、ULSAS(Ultra Light
Steel Auto Suspension)的研究开发项目[3,5,6,7,8]。ULSAB 的目标是在确保车体性能
和冲撞安全性能并且不增加成本的基础上，通过大量采用高强度钢板，应用液压
成形技术、激光拼焊技术等使汽车车重减轻 25％[3]。ULSAC 的目标是通过采用
液压成形框架结构，使汽车内板部件最优化，通过采用高强钢板使门窗结构减重
25％，车顶棚和前后盖板减重 30％[3]。
ULSAS 的目标是基于结构分析，对悬挂件
(Suspension)形式进行最优化设计，并进行强度与成形性的最佳材料选择，达到与
铝制超连接悬挂件的质量基本相等且成本降低 20％，其他钢制悬挂件基本上不增
加成本，车重减轻 20％-30％[3]。ULSAB-AVC(ULSAB-Advanced Vehicle Concept)
项目则是国际钢铁协会(IISI)1999 年委托 PES(Porsche Engineering Service Inc.)设
计，由世界上 33 个钢铁公司共同完成的超轻型钢制车体研究开发项目。该项目主
要是通过灵活运用 ULSAB 和ULSAS 的成果以及先进钢铁材料，不仅在车体，而
且对外覆盖件、车轴和驱动系统等都采用轻量化设计。ULSAB-AVC 是对 2004 年
生产的 C-Class(相当于 1500cc 级别)和PNGV-Class(相当于 2500cc 级别)轿车采用
TRB 成形仿真及参数优化研究
2
先进钢铁材料进行轻量化设计，对 1999 年的 2个级别代表车型实现整车减重
20％～30％的目标[9]。
§1.2 汽车轻量化的途径
据统计，汽车车身、底盘（含悬挂系统）、发动机三大部分约占一辆轿车总重
量的 65％以上，其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重
量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重效应，是汽车轻量化的重要途
径[11,13]。
汽车轻量化技术包括轻量化材料和轻量化技术两大方面[5,6,10,14,17]。在材料方
面通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的，在结构设计方面采用前
轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的。
(1)采用轻量化材料 世界汽车材料技术主要发展方向仍然是轻量化和环保。
虽然钢铁材料仍保持主导地位，但铝合金、镁合金、塑料和复合材料的使用量也
在不断增长，铸铁和中、低强度钢的使用将逐步减少[15]。
(2)采用轻量化技术 近年来，一系列与新材料应用相关的新工艺逐渐应用到
汽车工业中，如金属板材变截面轧制、超高强度钢的热成型[17]、激光拼焊、液压
成形[12]、超塑性成形、电磁成形、半固态金属加工、喷射成型、塑料制品的低压
注射成型、气体辅助注射成型及不同种类材料的焊接、粘接与铆接技术等。这一
系列新型加工工艺是实现轻量化的有效手段[17]。作为轻量化的解决方法之一，变
截面薄板(Tailor Rolled Blanks，TRB)在减轻重量、优化负载方面也越来越受到青
睐[18]。
上个世纪九十年代初，德国亚琛工业大学金属成形研究所(IBF)开发了柔性轧
制工艺，生产出了变截面薄板(TRB)[19,20,21,22]。它的出现拓宽了任意拼接板(Tailored
Blanks) 的概念，此新工艺一经诞生便在汽车、航空、航天、建筑以及轨道车辆
等轻量化结构部件上显示出巨大的潜力和诱人的前景，由于 TRB 的厚度在长度方
向上连续变化，给汽车车身轻量化设计以及减少投资成本带来契机。TRB 的核心
技术是柔性轧制(Flexible Rolling)[19,22]，采用这一全新的工艺可以在轧制过程中实
时控制轧辊间距，以获取沿轧制方向预先定制的截面形状，如图 1-1 所示。这样
的变截面薄板经成形加工后制成的覆盖件具有更好的承载能力。另外，由于 TRB
厚度过渡区的平滑，极大地减少零件的应力集中。TRB 的轧制成本不因为厚度变
化的数量而提高，这些都是 TWB 不能达到的[19,20,21,22]。
第一章 绪论
3
图1-1 柔性轧制
Fig 1-1 Flexible Rolling
§1.2.1 变截面技术
目前实现变截面成形主要有三种工艺技术[18]：一是激光拼焊板(Tailor Weld
Blank，TWB)，又称预制板材技术；二是通过柔性轧制生产工艺得到的连续变截
面板(Tailor Rolled Blank,TRB)；三是基于管件液压成形技术和连续变截面技术的
空心连续变截面钢管(Tailor Rolled Tube,TRT)。
TWB 是根据车身设计的要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同材料的金
属薄板焊接在一起 [19,20]，如图 1-2 所示。TWB 的优点在于：(1)按照零件部位的
实际受力和变形的大小，预先为各车身部件定制一块理想厚度的拼焊板，从而达
到节省材料、减轻重量且提高车身零部件性能的目的；(2)能实现不同材料板材的
焊接，从而进一步发挥其减重的潜力。TWB 的缺点是[18,19,21]：(1)TWB 的焊缝是
一个承载的薄弱环节，设计时必须将它布置在受力较小的位置，这样的限制条件
制约了 TWB 优势的充分发挥；(2)TWB 的焊缝会影响材料的成形性，在后续的冲
压过程中容易产生裂纹，造成隐患，通常需要增加一道热处理工艺来消除焊接硬
化效应；(3)即使采用任何涂装措施，也无法彻底掩盖外观上的焊缝，因此 TWB
在车身外覆盖件上的应用受到一定限制；(4)板料之间的焊接处存在着厚度的突
变，这给模具的设计和制造带来困难[22,23]。
薄板 焊缝 厚板
图1-2 金属拼焊板
Fig 1-2 Tailor Weld Blanks
TRT 是以 TRB 为基础，在后续成形过程中使用了管件液压成形技术，如图
1-3。TRT 的优点是继承了 TRB 连续变截面技术的优势，采用空心圆环形截面结
TRB 成形仿真及参数优化研究
4
构，不仅横截面积更小，而且与传统的车身承载件的矩形截面相比，具有同样的
抗拉压性能和更突出的抗扭性能。因此，它在车身的纵梁、横梁、上边梁、A柱、
B柱上有广泛的应用前景。尤其是在纵梁上的应用，出于碰撞安全性的考虑，纵
梁最好能够实现刚度的变化，而连续变截面的 TRT 很容易满足这种需要。
TRT 的
缺点就是制造工艺复杂、成本较高[18]。
图1-3 连续变截面管
Fig 1-3 Tailor Rolled Tube
§1.2.2 TRB 的优势
(1)TRB 的生产工艺比 TWB 简单，生产周期短，TRB 的生产成本与厚度过渡
区的数量无关，而 TWB 的成本与焊缝的数量有关。通过柔性轧制后 TRB 的成形
性能满足后续冲压加工的要求[18,24,25]。
(2)TRB 能够使用最少的材料获得最大的刚度[18,26]。以简支梁为例，如图 1-4
所示，等厚度板、TWB 和TRB 制成的梁中，TRB 使用最少的材料达到与其它两
种同样的刚度。
减重0%
减重20%
减重40%
图1-4 同刚度不同截面梁减重比较
Fig 1-4 Comparison on weight-saving between different beams with same stiffness
(3)与TWB 的焊缝相对应的是 TRB 的厚度过渡区(Thickness Transition Zone，
简称 TTZ)[18,27,28]。与 TWB 焊缝处板料厚度急剧变化不同的是，TRB 的厚度变化
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1汽车工业与汽车轻量化...................................................................................1§1.2汽车轻量化的途径........................................................

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