汽车连续变截面横梁板厚优化及回弹研究

论文摘要

车身轻量化逐渐成为汽车工业发展的趋势之一,成为今后汽车工业发展中的一项关键性研究课题。连续变截面板由于其厚度分布能够随载荷分布连续变化的特点,具有等厚度板和拼焊板无可比拟的优势,是目前汽车轻量化的重要途径之一。尽管连续变截面板具有很大优势,但在实际生产中也存在一些问题需要解决。一是如何根据零件所受的载荷求出其厚度分布,即连续变截面板零件的厚度优化问题。其次,连续变截面板由于各处厚度不同,冲压成形后各处的回弹量也有很大差异,将给后续的装配带来很大的问题;如何减小其回弹以及如何使其各处回弹量趋于平衡,即连续变截面板的回弹控制问题。首先从理论上分析U形件弯曲成形时在压边力作用下的应力应变特点,研究了U型件卸载后的回弹原理,并结合变截面板,对影响回弹的主要因素压边力进行了分析。汽车车身有大量受力大且受力复杂的粱类零件,特别适合用连续变截面板来制造,可以极大的减轻零件的重量,并节约材料和制造成本。针对目前科研和生产中的问题,以典型的汽车前排座椅下横梁为研究对象,利用大型通用有限元软件ANSYS及其参数优化设计语言APDL,通过编程建立横梁的变截面板有限元模型;根据其所受载荷,利用厚度函数对其沿长度方向的厚度分布进行优化。结果表明,与等厚度板相比,连续变截面板具有很好的减重效果。通过对比减重效果并结合实际生产情况,从而确定了汽车横梁的优化厚度分布。利用大型通用软件ANSYS/LS-DAYNA对连续变截面横梁的冲压成形及其卸载后的回弹进行了数值模拟,通过对等厚度板和连续变截面板的成形数值模拟分析可知,等厚板的冲压后减薄分布较为均匀,而变截面板由于存在厚度差,其薄处和厚处减薄率较大,中间过渡区减薄率较小。对于变截面板,由于变形时其厚处与薄处材料的相互制约,变截面板回弹量介于薄板和厚板回弹量之间。利用压边力控制技术,研究了整块压边力以及不同位置分块压边力作用下对回弹的控制效果;与整块压边圈相比,采用分块压边圈技术,可以使横梁的回弹量趋于平衡,同时整体回弹量有所下降。根据连续变截面横梁的成形及回弹的规律,在分块压边圈的基础上,采用随行程及位置不同压边力的控制方法,即在成形的前一阶段用小压边力,在成形的后一阶段采用大压边力,可以从整体上极大的减小回弹量,且各处的回弹量差别也更小,达到了很好的控制回弹效果。此外,对比分析表明,后一阶段的压边力太大太小对回弹控制都不利,在适度压边力下,可以使横梁的回弹量控制到最小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 连续变截面板的研究背景
• 1.2 连续变截面板的特点及应用
• 1.3 连续变截面板目前的研究现状
• 1.4 本文研究课题的提出
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 弯曲回弹的理论分析
• 2.1 弯曲回弹分析
• 2.1.1 凸凹模圆角处的回弹分析
• 2.1.2 侧壁的回弹分析
• 2.1.3 应力应变对回弹影响的分析
• 2.2 影响变截面板回弹因素的分析
• 2.2.1 压边力对回弹的影响
• 2.2.2 摩擦系数的影响
• 2.2.3 模具间隙的影响
• 2.2.4 凹模圆角半径对于回弹的影响
• 2.2.5 板厚对于回弹的影响
• 2.3 回弹控制方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 汽车横梁板厚优化及分析模型的建立
• 3.1 ANSYS优化设计概念及其优化步骤
• 3.1.1 ANSYS结构优化设计概念
• 3.1.2 ANSYS优化步骤
• 3.2 汽车横梁板厚优化
• 3.2.1 板厚沿长度方向为常量的优化
• 3.2.2 板厚沿长度方向为一次函数的优化
• 3.2.3 板厚沿长度方向为二次函数的优化
• 3.2.4 板厚沿长度方向为三次函数的优化
• 3.3 优化结果分析
• 3.4 汽车横梁分析模型的建立
• 3.5 本章小结
• 第四章 变截面板与等厚板汽车横梁成形与回弹比较分析
• 4.1 显式—隐式分析功能的选用
• 4.2 汽车横梁板料成形及结果分析
• 4.2.1 等厚板成形模拟分析
• 4.2.2 变截面板成形模拟分析
• 4.3 汽车横梁回弹及结果分析
• 4.3.1 汽车横梁回弹模拟
• 4.3.2 等厚度板回弹分析
• 4.3.3 变截面板回弹分析
• 4.3.4 等厚板与变截面回弹对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 压边力对变截面板汽车横梁回弹影响及控制
• 5.1 变截面板随位置不同压边力回弹控制分析
• 5.1.1 随位置不同压边力方案的确定
• 5.1.2 随位置不同压边力回弹的数值模拟分析
• 5.1.3 随位置不同压边力回弹的对比分析
• 5.2 变截面板随冲压行程及位置不同压边力回弹控制分析
• 5.2.1 随位置及冲压行程不同压边力方案的确定
• 5.2.2 随位置及冲压行程不同压边力回弹的数值模拟分析
• 5.2.3 随位置及冲压行程不同压边力下回弹的对比分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文研究总结
• 6.2 下一步的工作
• 附录A:连续变截面板厚度优化程序清单
• 附录B:连续变截面板冲压成形及回弹模拟程序清单
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间发表的论文