汽车设计中先进高强度钢仿真分析

细化成形数据的十大考量因素和重要性

1. 拉伸先进高强度钢切割边缘时的注意事项

在对先进高强度钢进行成形仿真分析时 , 首先要解决的问题是：切割边缘的拉伸。您需要注意在切割边缘出现单轴向拉伸的任何情况。

成形极限图不能用作边缘拉延的指南。原因很简单，因为当我们在实验室测试材料并创建成形极限曲线时 , 我们不会在切割边缘测试先进高强度钢 , 而是在板材内部进行测试。

边缘延展性与延伸率之间也没有关联 — 因此先进高强度钢的 " 香蕉曲线 " 图不能用于评估边缘延展性。

冲裁模具的设计对先进高强度钢的边缘延展性极限有很大影响。在 SSAB 知识服务中心 , 我们测试了 Docol® 汽车先进高强度钢 , 以找到每种钢牌号的最佳冲切间隙。

但是 ,由于冲裁模具的磨损 , 边缘延展性在批量生产过程中会发生变化，使先进高强度钢仿真分析变得更为复杂。一些仿真分析软件已开始增加影响边缘拉伸的切割方法参数 , 其中激光切割边缘的默认值最大 , 紧接着是新的冲孔边缘 , 然后是磨损的冲孔边缘。

因此 , 在先进高强度钢仿真分析中 , 应注意：

边缘拉伸的部位？
边缘拉伸量是多少？
是什么类型的边缘拉伸？

2. 使用实物测试去验证先进高强度钢冲切边缘的应变

有许多方法可以使先进高强度钢产生不同的变形和应变梯度：在板材平面、在厚度方向以及沿切割边缘方向的应力集中。

SSAB 开发了一种实用的测试 — 双折弯测试 — 在发生裂纹之前检测先进高强度钢的最大折弯角度。

我们从双折弯测试中获得结果 , 并将其与扩孔测试进行比较。在可接受的应变水平方面，两种测试可能存在巨大差异。例如 ,1 mm 980 DP 钢在扩孔测试中的最大应变为 46%, 但在双折弯测试中 , 只有 11% 。

3. 寻找先进高强度钢预变形区域的主要应变

ISO 16630 边缘延展性扩孔测试是在先进高强度钢样件预应力为零的情况下进行的。实际上 , 先进高强度钢板在修边冲孔和随后翻边翻孔之前，钢板经过预变形的情况很常见。很难针对这种情况设计常规测试 , 因为对大试样 (100 x 100 mm) 预变形后进行扩孔率 (HER) 测试非常具有挑战性。如何预测先进高强度钢在这种情况下的成形性呢？

不仅仅取决于 HER 测试，您可以对零件进行仿真分析 — 观测整个预应变区域的主应变。如果您发现了问题 , 可考虑以下几种方法。您可以选择将材料更换为具有更好的切边延展性的先进高强度钢牌号 , 以获得更多的安全裕度。或者 , 您也可以调整设计 , 将预应变保持在较低水平。或者尝试将预应变移至零件的最终应变更低的另一个区域。

4. 在折弯时让 SSAB 确定应变水平

成形极限图 (FLD) 适用于钢板沿厚度上具有相同应变。但是 , 当你折弯先进高强度钢时 , 其外侧被拉伸 , 内侧被压缩 , 中间有一个未变形的中性层。在仿真分析中使用标准视图显示的是中性层。

然而, 您应该注意板材外层的应变量。但是 , 在进行仿真分析时 , 您不应该使用成形极限图来确定外层表面是否失效：这样做会导致过度保守的结果。

那么对于先进高强度钢折弯而言 , 什么水平是安全的呢？您应联系我们提供这些数值。例如 , 我们为德国客户在我们的成形实验室对 2.0 mm 厚的 Docol® 1400M 进行了测试。在这次折弯测试中 , 我们测得 18% 的应变 , 远远高于从该材料的成形极限曲线中获得的 10% 的应变（FLD 测试中该材料处于全厚度的等应变状态) 。

5. 使用逐步成形仿真分析来捕捉反复折弯等现象

如果弯折金属 , 然后向相反方向折弯 , 并一直重复这样的步骤 , 金属最终会断裂 — 因为材料中已累积了损伤。这种变形行为无法被成形极限曲线捕捉 , 并且难以建模。

例如 , 我们有一个客户 , 其仿真分析在先进高强度钢成形中没有显示出问题 — 没有应变超过极限。但生产过程中仍然出现裂纹！因此 , 我们进行逐步成形仿真分析 , 提供一个称为 " 累积应变 " 的特殊结果值 ( 见图 ) 。

6. 小心，不要过度依赖先进高强度钢具有很高机械公差这一特性。

有时我们会听到这样一种说法，即所有生产的不稳定都是由于材料性能发生变化所致。先进高强度钢材料性能始终如一固然重要 , 但这还不够。

事实上 , 我们进行了可重复性分析，将 Docol ^® 钢牌号和一般 VDA 钢牌号做比较。在一个案例中 , 我们研究了一个由先进高强度 980 CP 复相钢制成的法兰，按 VDA 239 标准，其公差为 ±1°。您可以在我们的网络研讨会中查看整个分析过程 , 标题为：用于汽车设计的先进高强度钢仿真分析：10 大考量因素。

分析表明 , 由 Docol^®980 CP 制成的这个零件 , 由于 Docol^®材料具有更高的机械公差 , 其超出公差的可能性比普通 VDA 980 CP 制成的零件低 628 倍。

始终需要很高的材料一致性 , 尤其对于先进高强度钢/超高强度钢/千兆帕钢应用来说更是如此 , 这在很大程度上取决于严格的机械公差。但是设计先进高强度钢零件时仅靠很高机械公差是有风险的。在生产过程中还有许多其它因素在起作用：如工艺变化、模具磨损、润滑条件等。

我们想说的是，确保高可重复性的先进高强度钢工艺最重要的一个因素是拥有强大的零件设计能力，充分利用高刚度的几何形状、小圆角半径，并且巧妙使用加强筋等等。

7. 优化您的先进高强度钢成形工艺布局

为了优化成形工艺布局 , 您需要考虑许多参数 , 包括可行性、可重复性、压机和模具磨损。

在我们的仿真分析网络研讨会中 , 您可以看到我们如何使用三种不同的成形方法对相同的先进高强度钢汽车零件进行仿真分析：拉延 + 翻边；翻边 + 侧修边；以及侧翻边。

对于这种特殊的侧梁设计 , 拉延 + 翻边的仿真分析可产生 10 mm 的最大回弹位移 , 其它方面看起来都不错。翻边 + 侧修边仿真分析的最大回弹位移为 13 mm, 但凸面圆角存在公差问题。侧翻边仿真分析受切割边缘高应变的影响 , 折弯半径会导致形状精度出现很大偏差。

8. 成形仿真时起皱分析可能太保守

在翻边过高且无法使用压料板的先进高强度钢零件上 , 您需要对零件进行仿真分析以检测起皱。此处所示是一个由 4 mm 厚的先进高强度钢钢板制成的零件。我们使用三种不同的方法来对该零件进行仿真分析 , 并与实际样件进行比较：

在使用非自接触的壳单元仿真分析方法时，得到的结果是一旦产生起皱，可恢复的能力较低。但事实表明，成形后没有起皱。
在使用非自接触的实体单元仿真分析方法时，该结果更接近于现实 , 但成形后仍然有残余的皱纹。
在使用自接触的实体单元仿真分析方法时，得到的结果与现实的一致性很高。

对于先进高强度钢冲压仿真分析 , 最常见的方法是使用没有自接触的壳单元。在确定起皱倾向时 , 这是一种非常保守的壳单元类型。至少 , 您可以说 , 如果使用没有自接触的壳体单元进行仿真分析，实际上就不会起皱。但是 , 如本例所示 , 这种方法可能对先进高强度钢零件设置一些现实中不存在的限制。

9. 先进高强度钢仿真分析是否能够检测出会导致模具张开的板材反作用力？

使用先进高强度钢/超高强度/千兆帕钢时 , 如果使用压料板 , 则钢板的反作用力会增大。如果先进高强度钢反作用力大于压料板作用力 , 模具就会张开。这会导致冲压过程严重失控：可能产生褶皱和裂纹 , 使先进高强度钢仿真分析和现实之间的关联性大大降低。

因此 , 请仔细检查压料板和压垫上的作用力是否足够。一些仿真分析软件可以在模具张开时检测先进高强度钢钢板的反作用力。有些软件则悄无声息地增加压料板的作用力 , 以保持模具闭合 — 检查您的仿真分析软件是否有这种功能极其重要。

10. 考虑非线性变形

务必考虑非线性失效 , 因为成形极限曲线是为线性应变路径开发的 – 即成形只以一种方式进行 , 直到失效发生。

这意味着 , 当您对先进高强度钢零件的一个区域进行成形和再成形时 , 如在多工步成形模具中 , 您会遇到与成形极限图不同的情况。实际上 , 根据变形路径的不同 , 结果可能更好或更糟。

有些仿真分析软件会将非线性变形考虑在内。例如 , AutoForm 具有非线性成形图 , 该图计算和转换非线性应变 , 并将其绘制在成形极限图上。这在采用多工步成形时非常有帮助 , 但有时甚至在单步成型时也很有用 , 如下例所示。