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1、 考虑冲压历史的高强度钢汽车结构件冲击特性研究 摘 要 汽车结构件一般具有较为复杂的几何特征，冲压过程中的变形规律比较复杂，分析起来十分困难。随着计算机技术的发展，采用有限元数值模拟技术辅助进行汽车结构件设计已成为可能，该方法通过对板料进行成形分析模拟，可全面了解板料在成形过程中应力应变分布规律，预测成形时可能产生的成形缺陷，为模具工艺分析和设计提供指导。 另一方面，金属板料在冲压成形后将产生硬化强化和厚度不均匀现象。传统的结构有限元分析时，往往忽略板料成形历史的影响，使得模拟结果与真实情况存在较大偏差。为了验证冲压变形历史（厚度变得不均匀、产生不同程度的硬化）对汽车结构件冲击模拟精度的影响，
2、本文目前先以单个零件进行模拟，将考虑冲压变形历史的碰撞分析结果和不考虑冲压变形历史的分析结果进行比较。 本课题由国家 863 项目（编号：2007AA04Z130）及宝钢集团科研项目资助。本文系统地阐述和讨论了汽车结构件冲压成形有限元理论，包括动力显式有限元算法、单元类型、屈服准则、硬化模式、应变率效应、接触及摩擦的处理等，对板料冲压成形、回弹及冲击模拟采用的求解器 LS-DYNA 进行了系统的讲解，并分析了影响数值模拟计算精度的因素。研究了考虑冲压历史的结构件 CAE 分析关键技术，提出了考虑冲压历史的结构件 CAE 分析方法。在此基础上，采用 DP780 高强钢材料的 S 型盒形件作为分析
3、对象，研究其成形特性，分析润滑条件及压边力对结构件成形的影响；将成形及回弹模拟的结果作为冲压历史信息，研究冲压历史对结构件冲击特性的影响，并分析应变率效应、不同初速度状态下的结构件冲击特性规律。 CAE 分析发现，冲压历史对结构件冲击性能模拟结果有比较大的影响；在高速情况下，应变率效应对结果的影响不应忽略。应在进行结构件冲击性能模拟时考虑板料冲压历史。 关键词：高强钢，冲击，冲压历史，应变率 HIGH STRENGTH STEEL AUTOMOTIVE STRUCTURE CRASHWORTHINESS PERFORMANCE ANALYSIS CONSIDERING THE EFFECT O
4、F STAMPING HISTORY ABSTRACT In the automotive panel stamping process, the rule of sheet metal forming is complicated and difficult to be analyzed because of the complex automotive panel structure and various forming parameters affecting the stamping process of automotive panel. With the development
5、of the computer technology, now CAE analysis is widely used in the automotive industry, which can predict the forming failure like crack and wrinkle. On the other hand, sheet forming processes change the material properties. Although forming histories should be taken into account as the initial cond
6、ition in the structural performance simulation, in most cases, the effect of forming is ignored. This paper proposes a method to transfer the metal forming simulation parameters (effective plastic strain distribution, thickness, etc.) into the structural performance simulation. In this paper the dyn
7、amic non-linear explicit finite element theory is investigated systematically, which includes material models, element algorithm and contact algorithm etc. The finite element methods of stamping and springback simulation are developed and a deep research regarding the selection of parameters is stud
8、ied. Also, the methods of structural performance analysis considering the forming history are put forward. Based on that, 3 types of DP780 S-shaped stamped parts are used as the analytical models. Forming and springback simulation are conducted and the impact of binder force and friction condition o
9、n the forming performance are studied. The crashworthiness analysis is performed, and the impact of forming history, strain rate effect and velocity on the crashworthiness performance of the structure is analyzed. The results show that the forming history have great impact on the crashworthiness per
10、formance of the structure, therefore, the forming history should be considered in the integrated forming and performance analysis. KEY WORDS: High Strength Steel, Crashworthiness, Forming History, Strain Rate 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文
11、不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：范瑞麟 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属
12、于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：范瑞麟 指导教师签名：陈军 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 1.1 汽车数值模拟技术的发展 1.1.1 冲压成形数值模拟技术简介 金属板料冲压成形的计算机模拟由于涉及的物理现象十分复杂， 在对模具进行开发的过程中，为了获得合格的产品，需要考虑多方面的影响因素。例如在拉深成形中，材料随着冲头的压入进入模腔，板料在表面面积变化不大的情况下发生变形，在板料与模具的接触表面有较大的相对位移发生，在对该成形过程进行分析时，就应该考虑板料与模具的接触与摩擦问题。冲压成形
13、的汽车零件，从简单的小型轴对称圆筒零件，到复杂的大型覆盖件，种类繁多。由于成形过程所涉及的因素很多，实际生产中的冲压工艺也种类各异，其中不少因素至今尚未被人们清楚的认识，因而很难定量地、准确地分析。 过去传统上的经典力学分析方法， 是根据微分平衡方程和几何变形方程及物理方程，分析成形过程中的应力场及应变场，在给定的边界条件下求解。这种方法的实质就是根据实际问题中的几何关系和材料物理特性，经过合理的假设，恰当的简化而推导出相应的解析式，即解析法。这种方法能描述成形过程中各个因素的相互影响与联系，有利于加深对分析对象的理解和规律性的认识。但是，板料的冲压成形过程十分复杂，一般载荷与载荷引起的变形和
14、应力关系是非线性的。可以说，板料冲压过程是一个涉及材料非线性，又涉及几何及接触非线性的多重非线性问题。而且目前对于冲压成形中摩擦与接触的机理并不完全清楚，因此要由传统的经典力学方法给出恰当解是比较困难的。于是，人们利用一些近似的分析方法对成形过程进行分析，如滑移线法和上限法等，这些方法对于成形过程规律性的认识起到了一定作用，并且己经被人们所接受和应用于工业实际中，指导冲压工艺的指定。然而，由于众多而复杂的影响因素，使用这些方法分析金属塑性变形问题时常采用大量的假设与简化，从而使得它们在变形分析中存在很大的局限性，在实际的产品开发中，并不能发挥非常大的作用。 近年来，随着计算机、计算机图形学的快
15、速发展，并结合金属塑性成形理论，开创了计算机辅助工程（CAE）的新领域，而有限元法是 CAE 的核心技术。有限元分析起源于 50 年代航空工程中飞机结构的矩阵分析法。60 年代提出的“有限单元法”上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 （Finite Element Methods）这一术语，并将它用于求解弹性力学的平面应力问题。在这以后，有限元法和计算机技术的应用经历了一个快速发展的阶段。现在，有限元技术可广泛应用于结构力学、弹性力学、流体力学等各类问题的求解，成为现代数值分析的有力工具。 1.1.2 CAE 数值模拟技术的发展 CAE（Computer Aided Engineering） ，即计算机辅助工程，是以现代计算力学为基础，以计算机模拟为手段的工程分析技术，模拟产品在真实环境下的运行并观察其反映。 CAE 技术从上世纪 60 年代初开始在工程上应用，已有了 40 多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具1-7。 1943 年， 美国飞机结构工程师 Courant 利用定义在三角形区域的分片连续函数和最小势能原理求解 St.Venant 扭转问题，首次提出有限元分析的概念。 1964 年， Besseling 等证明了有限元法是基于变分原理的 R
