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摘 要：先进高强钢对边缘开裂较为敏感，且目前的CAE模型未考虑加工硬化和冲裁变形，预测的精度较低。本文通过在传统的扩孔试验基础上，进行优化，得到先进高强钢的边缘最大应变，结合AutoForm软件，对试验结果进行分析与correlation，结果吻合度较好。

关键词：边缘开裂;先进高强钢;CAE预测

0 引言

随着能源危机和环境恶化日益加剧，在保证安全的前提下实现车身的轻量化正成为汽车工业的主要发展方向[1，2]。先进高强度钢的强度和塑性优于普通高强钢，特别是加工硬化指数高，目前已成为被企业广泛使用的轻量化材料[3]。它在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面，相比其他材料具有非常大的优势。车身使用先进高强度钢板，在改善汽车的安全和碰撞性能同时有效减轻车身重量[4]。但同时由于其对边缘开裂的敏感性，往往未达到成型极限就发生开裂现象。

分析其原因，主要有两点：（1）材料在经过拉伸以后，产生加工硬化，其塑性会降低;（2）由于零件在拉延之后的修边工序，剪切废料将不可避免的产生毛刺，从而造成在材料边缘产生应力集中，以上两点因素导致无法通过FLD进行预测是否开裂。

本文选择最大边缘应变为判断先进高强钢的边缘开裂状态的指标，通过实际的材料试验，充分考虑预拉伸及毛刺状态，测定材料的边缘最大应变值，实现前期精准模拟高强钢边缘开裂。

1 最大边缘应变

板料的边缘拉伸性能通过扩孔实验来研究，它反映了板料边缘抵抗破裂的能力，扩孔率的值越大，则材料的边缘拉伸性能越好，即通过实物的扩孔试验来定义板料的边缘应变，他们之间的关系如下：

下文将通过扩孔试验，计算得出相应材料的最大边缘应变值，并通过AutoForm对试验结果进行验证。

1.1 扩孔试验原材料预拉伸

前面提到，材料的拉伸产生加工硬化，导致材料的塑性变低，因此拉伸后的材料未达到FLD成型极限就发生开裂。因此，在扩孔试验开始之前，首先对材料进行预变形，产生加工硬化，如图1所示。本次试验一共選择3种材料，分别为DP600/DP800/DP1000，每种材料选择6种料厚，分别为0.8/1.0/1.2/1.4/1.5/1.6，共18种组合;拉伸试验样条尺寸为400*40，将切割完成的料片，按照3%/6%/9%在拉伸试验机上拉伸，产生预变形。

图1 预拉伸

1.2 扩孔试验

毛刺是影响边缘开裂的重要因素之一，因此，冲孔必须采用模具，从而保证扩孔的结果符合实际状态。

图2 冲孔模具

设计一副10的冲孔模如图2所示，模具间隙按照料厚的10%，与实际生产基本类似，所产生的毛刺状态也与实际零件基本相同。在完成冲孔之后，进行扩孔试验。扩孔试验按照ISO-TS16630试验标准 [5]，设计一副扩孔模具，试验以出现第一道贯穿料厚方向的裂纹为终止信号，每种料厚需要有5组有效试验，以保证数据的准确性，用游标卡尺测量扩孔数据并记录。

1.3 数据分析

将记录完成的扩孔数据进行分析，可以得出：

（1）材料的扩孔率随料厚增加后变大;

（2）预变形影响材料的扩孔率，扩孔率下降3%～8%不等;

（3）3%/6%/9%三种不同的预变形之间差异较小。

由于不同变形下的扩孔率数据基本类似，因此，取其在三种预变形下的最小值，通过扩孔率与边缘最大应变的转换公式，得出我们所需要的数值，以DP600材料1.6mm为例，扩孔率为0.7366，通过公式计算得出最大边缘应变为0.552。

2 基于AutoForm的预测分析correlation

通过扩孔试验以及公式转换，我们得到了先进高强钢材料的最大边缘应变值。下面将选择实物案例，通过AutoForm软件进行分析验证。

2.1 原始零件状态及CAE

图3为某项目的铰链柱加强板，材料为DP600，料厚1.6mm。主要工艺为：OP10-拉延 OP20-修边 OP30-整形翻边。实际生产中，在整形工序出现由边缘延伸的开裂现象。在对零件原始CAE分析查看时（图4），发现并无开裂现象，原CAE分析与实物状态不符。

图3 边缘开裂

图4 原CAE分析结果

2.2 最大边缘应变分析

在AutoForm的材料卡中，由一个Max Edge Strain选项，当勾选此选项时，AutoForm将计算零件成型过程中边缘的最大应变值。将前面通过扩孔试验得到的DP600/1.6mm材料的最大边缘应变，填入该选项卡，并重新计算。

计算结果如图5所示，有三处的边缘应变超过试验数值，AutoForm显示为红色区域。而实际发生开裂在2处，通过测量1、2、3处的数值发现，2处边缘应变值最高，也就是说，零件从2处开始开裂，而开裂一旦发生，由于应力释放，1和3在实际生成中不会产生开裂，CAE分析结果与实际相符。

图5 边缘应变分析结果

2.3 新工艺方案验证

由于上述方案零件开裂，对工艺调整，由翻边工艺改为拉伸加侧修，CAE分析结果显示成型状态及边缘应变状态符合要求（图6），实物亦无开裂，综合之前开裂的分析，从一正一反显示correlation状态较好。

图6 新工艺分析结果

3 结论

传统的型面减薄标准或者FLD，并不适用于高强钢边缘开裂的情况，而通过本文的试验方法测得的边缘最大应变，利用AutoForm软件，CAE模拟结果与实际状态基本一致，可以较好的进行前期预测，当然，本次CAE分析与实际零件结果的对比样本较小，还需要更多的试验数据验证，以增强其可信度。

参考文献：

[1]刘超，王磊，刘杨.汽车用先进高强钢的发展及其在车身设计中的应用[J].特钢技术，2012，1674-0971（2012）02-001-04.

[2]谢磊磊，唐荻，江海涛，段晓鸽，刘胜.汽车用先进高强钢的成形性能[J].塑性工程学报，1007-2012（2013）01-0084-05.

[3]李扬，刘汉武，杜云慧，张鹏.汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向[J].材料导报，2011，25（07）：101-104.

[4]于翔实，陈劼实，汪昌盛，陈军，庄新村.考虑冲裁变形过程的高强度钢扩孔模拟与实验验证[J].上海交通大学学报，2015，1006-2467（2015）10-1441-05.

[5]INTERNATIONAL STANDARD ISO 16630 2009-07-01.Metallic materials-Sheet and Strip-Hole expanding test.