某轿车门槛梁轻量化设计及回弹控制

高新华， 陈云霞

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009；2.奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程研究总院，安徽 芜湖241009）

当前，由于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。实施车身轻量化最常用的手段是高强度钢的采用和基于CAE的产品结构优化设计［1］。

采用高强度钢不仅可以降低板厚，还可以提高汽车的安全性。当钢板厚度分别减小0.05、0.10、0.15mm时，减轻车身质量分别为6%、12%、18%，表明通过材料的轻量化减轻汽车自重具有巨大的潜力。随着轻量化技术在汽车行业中广泛应用，高强度钢的使用越来越广泛，但也带来了很多工艺问题，其中最主要的是开裂和回弹问题［2－3］。

因高强度钢的成形性不如普通钢，拉深深度较大的区域以及胀形区域容易开裂。高强度钢的屈服强度较大，弹性应力也较大，因此回弹量也较大［4］。如何准确预测回弹后覆盖件的形状，设计出准确的型面以补偿回弹，是模具工业中的实际难题［5］。同时，板料弯曲回弹对于控制加工精度也是一个棘手的问题［6］，而且通过工艺补偿回弹所带来的偏差基本占制造准备时间的1／3［7］。

对车身结构的设计与研究，已经从主要依靠经验设计，逐渐发展到基于应用有限元的现代设计方法进行静强度计算和分析阶段，所以基于CAE的车身结构设计是近些年的重点研究领域［8－10］。

本文首先将门槛加强板材料由HC260B（厚1.5mm）替换为1000DP（厚1.0mm）的高强度钢，给出了某汽车门槛梁质量的减轻情况；其次，针对高强度钢成形过程中普遍存在的开裂和回弹问题，研究了影响回弹量的若干因素，使成形工艺条件达到最优；最后，开发了新的门槛加强板结构，并通过解决高强度钢的成形性以及回弹问题，减小门槛加强板和门槛内板的厚度，从而减轻质量约16%。

1 结构轻量化设计

图1所示为某轿车门槛的截面图，竖线处为截面位置，原结构截面形式如图2所示。图2中，门槛梁由3部分组成——门槛外板，厚度为t1；门槛加强板，厚度为t2；门槛内板，厚度为t3。

图1 门槛截面位置

图2 门槛原截面

本文采用图3所示的工况考察门槛结构的抗弯性能。图3中，位于梁下部的2个刚体圆柱仅起支撑作用，对梁没有其他约束，刚体球以4m／s的速度撞击门槛梁。本文选取刚体球位移为300mm处的结构吸能量作为衡量标准。门槛加强板原结构材料为HC260B，质量为8.8kg，刚体球的位移为300mm时的吸能量为2.9kJ。

图3 门槛加载工况

不改变门槛梁在刚体球位移为300mm时的吸能量，门槛梁的内外板结构和材料均保持不变，将门槛梁内加强板的材料由 HC260B（厚1.5mm）替换为1000DP（厚1.0mm）的高强度钢，以质量最小为目标，能量不小于原结构作为约束条件，对门槛结构的厚度进行多目标优化。限于篇幅和其他原因，本文仅给出最终的优化结果。当门槛梁的质量达到最小时，有门槛梁的最优厚度组合结果见表1所列。

表1 门槛梁优化结果

表1的优化结果表明，门槛梁的吸能量保持不变，而质量降低了13.6%，吸能效率E／m由329.5J／kg提高到381.6J／kg。

采用高强度钢1000DP不仅可以保证结构刚度和强度，而且可以大幅降低车身结构的质量。但高强度钢成形过程中普遍存在开裂和回弹的问题。本文利用CAE技术，研究影响回弹量的因素，并通过修改门槛梁加强板的结构，得到了门槛梁加强板的新结构和最优工艺参数。

2 影响回弹量的因素

2.1 材料

根据零件的形状特点以及加工成本，采用一次拉延成形的方法对门槛加强板进行成形。当采用原来的材料时，零件的冲压性能较好，可以成功地一次拉延成形而不出现成形缺陷。但是1000DP属于超高强度钢，它的拉延性能较差，且屈服强度较高，因此在冲压件上取图4所示的a、b 2个截面，研究这2个截面在回弹后形状的变化。

由于零件属于“U”形件，回弹主要发生在4个圆角处，因此取圆角相邻切平面夹角变化量为评价回弹量的主要指标。a截面形状的4个圆角的相邻切平面夹角如图5所示。

分别使用HC260B和1000DP 2种材料成形后，a截面回弹结果见表2所列。

为便于数据拟合，将a、b 2个截面共8个夹角变化量之和的1／2作为总回弹量。通过试验，采用以上2种材料时，总回弹量对比见表3所列。

图4 截面的位置

图5 a截面的4个圆角的相邻切平面夹角

表2 4个夹角的试验值（压边力500kN） （°）

表3 2种材料2个截面的总回弹量对比

可以看出，使用高强度钢1000DP时，回弹量明显增大。根据以往的经验，高强度钢成形的主要缺陷是开裂和回弹。因此，成形时，应该采取有效的措施，在保证不开裂的前提下，尽量减小回弹量。

2.2 压边力

减小回弹量的方法不止一种，其中最简单而有效的方法就是调节压边力。回弹主要是由于板料发生弯曲的部位在厚度方向上的弹性应力方向不同，板料与模具分离时弹性应力的释放而引起的。因此，在冲压过程中控制发生弯曲部位的弹性应力方向以及大小，可以起到控制回弹量的作用。调节压边力可以从整体上控制垂直于板料截面的拉应力的分布，从而减小回弹量。

根据试验，分别取压边力为500、600、700、800、900kN等，通过仿真确定各压边力对应的回弹量，然后利用拟合方法求出最优解。通过拟合，可得到总回弹量与压边力的关系。拟合后，所取各压边力时的回弹量见表4所列。

表4 不同压边力下的回弹量

图6所示的是压边力为900kN时的FLD图，由图6可知，此时没有开裂现象，且事实上回弹量最小，在金属流动阻力较大的区域有开裂的趋势，而在金属流动较好的区域，也是回弹较大的区域，存在拉延变形不足现象。由于受塑性应变最大值的限制，回弹量减小得不是很明显，总回弹量减小到23.1°，即平均每个夹角的回弹角度为5.775°。

图6中仅圆圈处有开裂趋势，其他区域均是稍微起皱或安全区（既产生充分的拉延变形，又无开裂或起皱缺陷）。采用高强度钢、压边力为900kN时回弹后a截面的α、β、γ和θ分别为113.703°、113.684°、112.898°、105.442°。

图6 压边力为900kN时的FLD图

2.3 拉延筋

在弯曲变形区域，应尽量使此处整个截面都受到同一方向的拉应力，并产生拉伸塑性变形。这样，在冲压件脱模时，因弹性应力的释放而产生的弯矩将大大减小，从而很好地减小回弹量。压边力只能从整体上改变坯料的进料阻力，而在模具上布置拉延筋可以在板料局部区域增大沿板料切向的拉应力，从而减小受弯区域板料截面上的弯矩。因此，在模具上合理布置拉延筋可减小冲压件的回弹量。

拉延筋的参数主要有拉延筋的位置和尺寸以及拉延筋的长度等。结合此零件的特征，拉延筋的布置位置如图7所示。

图7 拉延筋布置位置

本文将4条拉延筋的阻力作为变量，得到仿真实验数据见表5所列，求得相应的总回弹量如下：

第1组，18.8°；第2组，17.2°；第3组，20.4°。

表5 仿真实验设计的部分数据

为了求得各个拉延筋阻力的最佳数值，拟合出各组拉延筋阻力与总回弹量的关系，并且通过遗传算法求得各个位置上拉延筋阻力的最佳数值，使得零件的总回弹量最小。

经过拟合和优化，当压边力取值700kN，4个拉延筋的阻力分别为760、740、720、760N／mm时，回弹量最小。此时零件的FLD图如图8所示。图8表明，没有开裂现象，拉延不足现象也得到了一定的改善。

图8 优化拉延筋阻力后的FLD图

优化拉延筋阻力后的a截面回弹的α、β、γ、θ分别为106.647°、107.087°、107.484°、108.065°。显然，经过布置拉延筋，不仅FLD图得到了改善，回弹量也降低了很多。这说明添加合理的拉延筋不仅能够提高高强度钢的成形性，而且可以大大减小高强度钢零件的回弹量，使高强度钢在汽车轻量化中得到更好的应用。

经过拉延筋阻力优化后的总回弹量与添加拉延筋前的总回弹量相比，总回弹量从23.1°减小到了17.2°，即平均每个夹角的回弹角度从5.775°降到4.3°。因此，合理布置拉延筋可以减小回弹量，并且对于“U”形件具有很好的效果。

2.4 零件的局部形状

对于汽车结构件，只依靠拉延筋改变板料的应变，难以很好地控制回弹量。若拉延筋阻力较大，则零件将会开裂；若拉延筋阻力较小，则将不能很好地控制回弹量。改变零件的局部形状以改变其相应位置的应变，不仅对其他位置的应变影响较小，而且可以在不改变拉延筋阻力或压边力的情况下减小零件的回弹量。对于采用高强度钢的形状较复杂的零件，可以将优化拉延筋布置和修改局部结构结合，使回弹量更小。

修改零件局部形状应满足以下几点：① 能够减小回弹量；② 不影响零件的使用功能；③ 对整体的成形性影响不大。

修改零件局部形状常用方式是在回弹量较大的区域添加一些凹槽，以增加该区域的塑性应变，从而减小此区域的回弹量。图9所示为修改局部形状后的零件对应的拉延模凹模型面，在图9中，新增加了凹槽。

图9 修改零件局部形状后的拉延模模具型面

经过对压边力、拉延筋的调节，得到最优的工艺条件为：压边力为700kN，拉延筋的布置位置如图8所示，拉延筋阻力采用表5中的最优组合。计算得到的FLD图如图10所示。

图10 修改零件局部形状且优化拉延筋阻力后的FLD图

分析表明，零件的成形性得到了进一步的改善，尤其是回弹量得到了很好的控制，减小到12°，即平均每个夹角的回弹角度为3°。在其他条件不变的情况下，对比修改局部结构前后冲压件的回弹量，修改后结构的回弹量得到了很好的控制，因此修改局部结构也能够大大减小回弹量。

3 结构改进后的轻量化设计

本文通过改进门槛加强板的形状获得承力更好的截面形式，如图11所示。由于门槛外板属于侧围的一部分，为保证汽车车身结构其他部位的性能，未对外板进行改动。

图11 门槛梁截面改进形状

通过如前所述的轻量化方法，对加强板和门槛内板的厚度进行了优化，在保证门槛梁吸能能力不变的前提下，获得最轻的厚度匹配。表6所示为加强板形式所对应的最优厚度组合。

表6 新结构和原结构质量、吸能量对比

当采用图11形式的门槛加强板时，通过优化，与采用原材料和原结构相比较，质量可减少约16%，吸能效率提高到412.2J／kg，且门槛梁整体的抗弯能力得到提高。因此，这种截面形式是有效的轻量化结构。

通过改变压边力、布置合理的拉延筋、修改局部结构能够很好地改善高强度钢在冲压过程中的成形性以及回弹问题。通过仿真实验、拟合以及优化，可以找到最佳的拉延筋阻力值，进而更好地控制回弹量。

经过拟合和优化，当压边力为300kN，拉延筋阻力为300N／mm时，回弹量最小，零件的FLD图分布较好，没有开裂现象，成形性不足现象也得到了很好的改善。

4 结 论

（1）采用高强度钢减轻门槛加强板的质量时，应该考虑影响高强度钢回弹量的因素。

（2）在采用高强度钢减轻质量的同时，改变压边力、布置合理的拉延筋、修改局部结构，或者三者结合能够很好地改善高强度钢在冲压过程中的成形性以及回弹问题。通过控制回弹量，改善了成形性不足的现象，防止了开裂的产生。

（3）门槛加强板材料由 HC260B（厚1.5mm）替换为1000DP（厚1.0mm）的高强度钢，通过修改门槛加强板截面的形状，并考虑了压边力、拉延筋布置和局部断面结构对回弹量的影响，实现了最优的工艺控制参数，大大地减轻了质量。

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