广汽：铝型材拉弯仿真建模研究

广汽：铝型材拉弯仿真建模研究

拉弯成形过程复杂，影响拉弯成形性的因素较多，包括铝型材的截面及结构形式、材料性能参数、拉弯工艺形式及设备成形参数等，以往主要采用经验及试制的方法确定铝型材合理的拉弯成形方案，但是成本高、周期长。随着有限元CAE分析技术的发展，可以快速的预测拉弯过程出现的缺陷，并分析各成形参数对成形结果的影响，帮助设计者制定合理的成形方案，达到缩短开发周期及节约开发成本的目的。

周贤宾等利用PamStamp软件开展型材2D拉弯数值模拟建模技术研究，准确模拟了型材拉弯的运动过程，避免了计算拉弯夹持端运动轨迹的复杂过程，为拉弯CAE分析提供了有效且可靠的解决方法。但是拉弯建模过程仍较为繁琐，需要耗费较长时间。因此如何进行快速建模，减少建模过程中的失误，制定标准流程是拉弯成形所需解决的问题。

一、拉弯成形工艺方案

图1所示为某车型的前防撞梁，零件长1150mm，截面为“日”字形，截面宽113mm，高40mm，宽高比约3:1，材料为6082T6，初始料长1160mm，通过拉伸试验，测得材料参数如表1所示，应力应变曲线如图2所示。

拉弯成形主要由预拉深、弯曲和补拉深3个阶段组成，预拉深是在拉弯前对型材进行拉深，其作用是使材料产生塑性应变，减少后期的回弹量。弯曲是两侧夹头拉住型材，并绕凸模运动的过程，补拉深的作用是使型材产生塑性应变，降低型材的回弹值。

二、拉弯与其他弯曲成形的区别

型材拉弯属于型材弯曲成形的一种，属于金属塑性成形范，但拉弯成形与绕弯、滚弯等成形方式仍具有区别。

（1）拉弯过程中型材的轴向受拉力，弯曲内侧仍然处于拉伸变形状态，不同于滚弯或绕弯，其内侧不起皱。

（2）拉弯时型材上、下层均处于受拉状态，而弯曲时外层受拉伸，内层受压缩，因此拉弯后的零件回弹更小。

（3）与其他弯曲工艺相比，拉弯是变曲率的零件成形，不需要分成多段弯曲半径进行拟合，可以直接成形所需的曲率，更好地控制零件精度。

（4）由于拉弯内侧也是伸长，与模具零件接触产生的摩擦力与其他弯曲成形方式不一样，由此对截面畸变的影响也不一样，其他弯曲方式在中间位置不同，最大截面畸变位置在两侧。

三、型材拉弯建模分析

1、型材拉弯建模

建立型材拉弯有限元模型，如图3所示，凸模与型材进行接触，夹钳与型材刚性连接，通过滑块提供拉力，同时滑块在筒体中进行直线运动，而筒体绕固定的轴进行旋转，建立拉弯运动模拟的有限元模型。运动模拟的有限元模型不需要根据不同的凸模曲率，重新计算夹钳运动轨迹。当成形的型材需要回弹补偿或曲率变化时，只需要调整运动参数即可，提高建模效率。

图4所示为模具零件运动模型，已知型材的弯曲角度θ及旋转坐标位置即可确定凸模的运动高度H，并计算凸模的运动速度V。

2、滑块超弹性体定义

因为滑块需要在筒体中做直线运动，筒体在模型中是刚性体，滑块需要与型材一样定义为Surafceblank的属性，为防止滑块因受力产生大的变形，需要将滑块的弹性模量设置更大，同时将滑块与筒体的摩擦系数设置为0.01，保证滑块在筒体中可以顺利滑动。

3、型材壁厚处理

图1所示的前防撞梁型材有不同的壁厚，上下2个面的壁厚为3.0mm，中间3个竖直面的壁厚为2.5mm。进行有限元分析时，如果将不同厚度的侧壁等效成一个厚度进行分析，会影响分析精度，如在计算截面畸变时，不同料厚截面畸变大小不一样。因此在分析时需要对不同厚度的侧壁赋予不同的料厚值，如图5所示。

4、型材拉伸力的施加

建立一个压力加载面，以提供型材拉伸时所需要的拉伸力，其施压面如图6所示，拉伸力根据型材的屈服强度和型材截面大小确定。

试验测得的6082T6铝型材的应力应变曲线见图2所示，材料的屈服强度δ0=147MPa，型材的初始截面积A=994mm2，因此使型材得到屈服变形的拉伸力为T0=A×δ0=146kN。

5、预拉深与补拉深变形量确定

预拉深与补拉深是通过夹钳的运动确定，因此通过描述夹钳的运动可以确定预拉深量与补拉深量，一般预拉深量限定在0.5%左右，使拉应力略超过屈服强度即可，根据型材初始长度，设定型材拉深长度为6mm，即左右夹钳分别拉深3mm。图7所示为左右夹钳运动曲线，补拉深量的控制一般要求保证补拉深时不会将型材拉裂。在满足拉弯成形的条件下，型材拉深量对应的应力保持在最低水平，以免造成截面畸变过大。

6、有限元模型

采用ESIPamStamp2012软件进行拉弯仿真模拟，管材采用BT单元，单元大小为6mm，由于材料厚度较厚，积分点设置为7，材料屈服模型采用Hill48厚向异性材料模型，r值取0.7。模拟中接触处理采用罚函数法，材料与凸模摩擦系数为0.12，应力应变曲线为试验获得（见图2）。拉弯仿真模拟利用混合算法求解，其中采用动态显式算法分析拉弯成形过程，采用静态隐式算法分析拉弯回弹过程。

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分析结果及验证

1、分析结果比较

为了对比不同拉伸力对型材拉深的影响，采用3组不同的拉伸力T1，即T1=0.5T0=73kN，T1=0.7T0=102kN，T1=0.9T0=131kN，其CAE分析结果如表2所示，对比不同拉伸力对零件回弹、顶面凹陷、型材内外侧拉伸长度的影响。

2、拉伸力对回弹的影响

从图8可以看出，随拉伸力的增加，型材的回弹值越大，这是由于拉伸力越大，卸载之后产生的变形抗力也越大，则回弹也越大。但由于预拉深的作用，回弹大小差别并不大，对于拉弯，预拉深可以有效控制型材产生弯曲。

3、拉伸力对顶面凹陷的影响

从图9可以看出，拉伸力对型材顶面凹陷的影响，拉伸力为0.5T0和0.9T0时，其顶面凹陷都较0.7T0大，需要采用合适的拉伸力控制顶面凹陷。

4、拉伸试验

对铝合金前防撞梁拉弯过程进行了试验研究，如图10所示，根据CAE分析结果，采用100kN拉伸力以减小零件型面畸变及控制回弹。同时通过现场对零件进行精度测量，对比实际拉伸测量结果与CAE分析结果，如表3所示，内外侧伸长量较合适。零件顶面最大凹陷1.5mm，左右两侧回弹量1.3mm，与CAE分析结果相符合。