冲裁毛刺对疲劳寿命影响的数值仿真分析.pdf

第41卷第12期Vol． 41 No． 12FORGING 2.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点试验室,湖南长沙410082; 3.广西艾盛创制科技有限公司,广西柳州545000)摘要:由于冲裁毛刺对疲劳性能具有很大的影响,运用线弹性模型对止动弹簧片冲裁毛刺进行数值仿真模拟,提出一种考虑冲裁毛刺对疲劳性能影响的疲劳计算方法。通过定量计算毛刺对零件结构几何边界应力的影响程度,得出因冲裁毛刺影响而造成的应力集中程度;综合材料应力-寿命曲线与载荷谱,运用疲劳积累损伤理论计算出零件的疲劳寿命;在数值仿真分析中计算出添加毛刺与未添加毛刺单元的零件疲劳寿命。通过实验对零件的疲劳寿命计算值进行对比分析验证,结果表明:定量考虑冲裁毛刺对结构的影响能够提高疲劳寿命的计算精度。关键词:冲裁毛刺;应力集中;疲劳寿命;线弹性模型;疲劳积累损伤理论DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2016． 12． 008中图分类号: TG386; U465． 1 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2016) 12-0046-07Influence of the blanking burr on fatigue life based onnumerical simulation methodsLuo Deyang1, Hu Zhaohui2,3, Liao Yi1, Yu Yi1(1. SAIC GM Wuling Automobile Co. , Ltd. , Liuzhou 545000, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Design andManufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China; 3. AISN Innovative Design and ManufacturingCo. , Ltd. , Liuzhou 545000, China)Abstract: For the blanking burr that influencing the fatigue performance, the burr was numerically simulated by line spring model, and anew calculation method was proposed considering the influence of the blanking burr on fatigue life. Then, the influence of the burr on thegeometric boundary stress of the part structure was calculated quantitatively, and the stress concentration caused by the burr was obtained.Furthermore, combining the materials stress-life curve with the load spectrum, the fatigue life of part was calculated by the damage theoryof fatigue accumulation, and the fatigue life of part with and without adding element burr was calculated in the numerical simulation analy-sis. Finally, the fatigue life calculation was verified by experiment. The result indicates that the calculation precision of fatigue life can beimproved by considering the influence of the burr on structure quantitatively.Key words: blanking burr; stress concentration; fatigue life; line spring model; damage theory of fatigue accumulation收稿日期: 2016 -05 -01;修订日期: 2016 -08 -28基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(13JJB003);广西科技开发计划(桂科重14122002 -2);广西汽车公共服务平台建设项目(20130301);广西科学研究与技术开发计划项目(15129001)。作者简介:罗德洋(1989 - ),男,硕士E-mail: deyang． luo@ sgmw． com． cn通讯作者:廖 毅(1973 - ),男,硕士,高级工程师E-mail: liao． yi@ sgmw． com． cn疲劳失效是机械零件失效的主要形式,约80%以上的结构失效为疲劳失效。汽车车身钣金冲压件由于不断承受交变载荷的作用,容易发生疲劳开裂,甚至断裂。因此,对疲劳寿命的预测非常重要。同时,冲裁工艺中钣金零件容易产生冲裁毛刺,影响零件表面粗糙度、尺寸位置精度并造成应力集中。生产实践表明,冲裁毛刺严重影响零件强度与疲劳性能。为了减小毛刺危害,应该对冲裁件进行去毛刺处理。通常去毛刺工序的工时与成本分别占总零件的5% ~ 10%和20% ~ 40% [3]。由此可知,降低去毛刺工时与成本是降低零件成本的重要途径之一[1 -3]。采用计算机数值仿真技术能够快速计算结构的疲劳寿命。目前,计算疲劳寿命主要方法为: (1)建立结构有限元模型; (2)计算其单位载荷下的应力、应变场; (3)根据应力分布判断出结构的危险区域; (4)根据结构载荷谱与材料的S - N或E - N曲线按照疲劳损伤机理计算得到疲劳寿命[4 -6]。万方数据在计算疲劳寿命时,一般未定量考虑冲裁毛刺的影响,导致疲劳寿命的计算精度不够。为了提高疲劳寿命的数值仿真精度,同时减少不必要的去毛刺工序,降低零件生产成本,本文在预测结构疲劳寿命时,定量研究了冲裁毛刺对疲劳寿命的影响,通过有限元单元对毛刺进行数值仿真,计算出毛刺对结构应力的定量影响,结合材料S - N曲线与积累损伤理论计算出结构疲劳寿命值。之后,将数值模拟计算方法进行实验验证。验证结果证明了考虑毛刺对结构疲劳的影响,能够在很大程度上提高疲劳寿命的计算精度。1 冲裁毛刺的模拟1． 1 冲裁毛刺毛刺是在分离工序中形成,冲裁件断面如图1所示,冲裁毛刺是在刃口附近侧面上的材料出现微小裂纹时形成的,当凸模继续下行时,使已经形成的毛刺拉长并残留在冲裁件上[1]。设薄板厚度为t,一般来说,塌角约为5%t,光亮带与断裂带为(80%~90%)t,毛刺为(5% ~ 10%)t [2 -3]。图1中, r为塌角, b为光量带, c为断裂带, d为毛刺。图1 冲裁件切面示意图Fig． 1 Schematic diagram of section for blanking part1． 2 冲裁毛刺模拟原理线弹性模型最初应用于模拟薄板上裂纹尖端对板材应力的影响,将线弹性模型与有限元相结合,可计算应力强度因子,裂纹应力场, J积分等物理量[7 -9]。本文将毛刺近似等价为线弹性模型作用于薄板件表面,线弹性模型应用于有限元中形成线弹性单元,运用线弹性单元对其进行模拟,计算毛刺对几何边界的应力影响。线弹性单元模拟毛刺如图2所示,冲裁薄板边缘产生毛刺,设毛刺高度为h,在该板上作用均布力F与弯矩M。为了不失一般性,假设毛刺一边相对于另一边的位移和转角分别为δ和θ,通过毛刺力F和力矩M的形函数可以得到δ和θ的本构方程为[7]:δ = 2(1 - v2)tE (Aiiσ1 + Aijσ2)θ = 12(1 - v2)E (Ajiσ1 + Ajjσ2) (1)式中: E为弹性模量; υ为泊松比; σ1, σ2分别为厚度方向上的名义应力与弯曲名义应力; Aii, Aij,Aji, Ajj分别为无量纲柔度系数[10],可以表示为:Aij = λ2∑8n =0Cnijλn (2)λ = h/ t (3)式中: Cnij为可由柔度系数。因此,无量纲柔度系数A主要与毛刺高度h和薄板厚度t有关。图2 线弹性单元模拟毛刺Fig． 2 Simulated burr of line spring element建立线弹性单元,将其附加于壳单元,即将毛刺单元建立于壳单元边缘。对毛刺力学行为进行模拟,定义单元位移为:μ→ = [x,y,z,θx,θy]T (4)节点位移为:q→ = [q→ T1,q→ T2,… ,q→ Ti ,… ,q→ Tn]T (5)其中: q→ i = [xi,yi,zi,θxi,θyi]Ti = (1,2,． ． ． ,n) (6)根据插值定理,用节点位移表示单元位移与单元应变:μ→ = [N]q→ε→ = [B]q→ (7)式中: [N], [B]分别为形函数矩阵与应变矩阵。由平衡方程可得:[K]q→ = [F] (8)式中: [F]为外力与等效弹簧力的合力。由本构方程(1)可得毛刺单元刚度矩阵为:[K] = Et2(1 - v2)(AiiAjj - A2ij)Ajj, - Aijt6- Aijt6 ,Aiit236éëùû(9)74第12期罗德洋等:冲裁毛刺对疲劳寿命影响的数值仿真分析 万方数据q→ i, F→ i为局部坐标下的节点位移与节点力,对应整体坐标系下的节点位移与节点力分别为: d→ i和S→ i。根据坐标转换有:q→ i = [L]d→ iS→ i = [L]TF→ i(10)[L] = 0 1 0 0 00 0 0 - 1 0[ ] (11)将式(10)代入式(8)得:S→ i = [L]T[Ki][L] d→ i = Ksi[ ]d→ i (12)式中: Ksi[ ]为整体坐标系中5 × 5的矩阵。毛刺单元的节点力向量可以表示为:F→ L = 0 … Si … 0[ ]T (13)由式(12)和式(13)整理得出单元平衡方程:[Ks]d→ = F→ L (14)其中, Ks[ ] =0． ． ．Ki． ． ．0éëùû(15)式中: Ks[ ]为毛刺单元在整体坐标下的刚度矩阵。当毛刺单元的节点位移求出后,可由其本构方程求出毛刺单元的应变与应力。2 冲裁毛刺零件疲劳性能分析零件表面缺陷都会造成应力集中,特别对于高强度材料表面的尖锐切口,这些部位往往是疲劳裂纹源。毛刺对冲裁零件疲劳性能影响的分析流程如图3所示,为了模拟毛刺并定量计算出其对结构强度和疲劳性能的影响,本文按照4个主要部分进行分析。2． 1 毛刺单元添加(1)均分结构关键区域为n个区间,一般而言,容易疲劳失效的危险区域或者在静载作用下应力较大区域定义结构关键区域,零件关键区域划分示意图如图4所示,假设图中1 ~ n为关键区域。(2)用游标卡尺测量该n个区间内毛刺平均高度分别为(h1, … , hn),毛刺高度为冲裁件在第i个区间内的厚度减去其设计厚度即为毛刺厚度,如式(16)所示:图3 毛刺对冲裁零件疲劳性能影响的分析流程图Fig． 3 Analysis flow chart of effect of burr on fatigueperformance for blanking part图4 零件关键区域划分Fig． 4 Critical area partition of parthi = timax - t (16)式中: i = 1, 2, 3, ． ． ． , n; hi为第i个区间内毛刺的平均高度; timax为第i个区间内最大厚度; t为平板的设计厚度。(3)建立结构有限元模型如图5所示。(4)根据毛刺高度建立毛刺单元,运用LineSpring单元中的LS3S单元对毛刺进行模拟,将该单元添加于结构有限元模型,形成带毛刺单元的有限元模型。2． 2 毛刺结构几何边界应力计算(1)计算带毛刺单元的有限元模型的应变、应84锻 压 技 术 第41卷万方数据图5 带毛刺结构有限元模型示意图Fig．5 Schematic diagram of finite element model for the structure with burr力分布。(2)对比有毛刺单元与无毛刺单元的应变、应力参数值。2． 3 计算结构疲劳寿命(1)测量结构所受疲劳载荷谱,预估材料的应力-寿命曲线。一般对于疲劳寿命N >1 ×103次时,称为高周疲劳;疲劳寿命N 1200 MPa{(17)式中: Su为材料的疲劳极限; Rm为材料的抗拉强度。图6 根据抗拉强度估计材料的S - N曲线Fig． 6 S - N curve estimated by tensile strength(2)根据毛刺对结构应变、应力的影响,结合结构的疲劳载荷与应变-寿命曲线,通过材料积累损伤理论求解结构寿命[12 -14]。2． 4 仿真计算结果实验验证对零件进行疲劳寿命对比实验,选择一组冲裁零件带有一定毛刺,选择另一组冲裁零件进行去毛刺处理,分别对比两组仿真计算结果。对仿真结果进行精度计算,符合精度要求,则输出结果,反之则返回第1步调整毛刺单元。3 实例验证以某款车型的滑移门止动机构上的止动弹簧片零件为例。滑移门止动机构结构及其组成如图7所示,滑移门止动机构由支架、止动弹簧、销钉、螺栓等组成,其中止动弹簧片支架通过两个螺栓安装在滑移门下导轨上,止动弹簧片通过销钉安装在弹簧支架上。滑移门止动机构的主要作用是通过压缩弹簧片对滑移门进行限位,其中最重要的一个部件为弹簧片零件。图7 滑移门止动机构结构及其组成Fig． 7 Structure and constitution of stop mechanism for sliding door弹簧片材料是65Mn,采用冲裁工艺成形,在落料时会形成毛刺。由于整个机构对弹簧片的疲劳性能要求高,且实验表明毛刺对弹簧片的疲劳性能影响非常大,因此,通过运用上述的毛刺对冲裁零件疲劳性能影响的分析流程对弹簧片零件的毛刺单元进行模拟,定量求出毛刺对应力的影响,再根据载荷谱和65Mn的S - N曲线,通过Miner疲劳损伤积累准则计算疲劳寿命。最终通过实验验证,对比得到,运用该种单元对毛刺的模拟具有可接受的准确度。3． 1 工作状态数值仿真滑移门止动机构的工作状态是一个动态的过程,限位轮不断循环地压过止动弹簧片。滑移门止动机构动态有限元模型如图8所示。由于需要模拟限位轮循环压滚弹簧片的过程,其中限位轮运用三维Solid单元模拟,弹簧片和止动弹簧支架运用Shell单元模拟,铆钉运用RBE2刚性单元模拟,通过控制限位轮的运动位移和绕限位轮的轴线做转动的速图8 滑移门止动机构动态有限元模型Fig． 8 Finite element model of stop mechanism for sliding door94第12期罗德洋等:冲裁毛刺对疲劳寿命影响的数值仿真分析 万方数据度使限位轮来回的滚压弹簧片。通过求解可以得到弹簧片的应力分布云图如图9所示,根据应力分布找到弹簧片的顶点区域为危险区域。弹簧片的载荷曲线如图10所示。图9 弹簧片的应力云图Fig． 9 Stress nephoram of leaf spring图10 弹簧片的载荷谱Fig． 10 Load spectrum of leaf spring3． 2 止动弹簧片毛刺数值仿真3． 2． 1 添加毛刺单元(1)均分弹簧片危险区域几何边界如图11所示,将图中所示危险区域均分为5个区间。(2)用游标卡尺分别测量5个区间内毛刺的平均高度,分别为: h1 =0． 08 mm, h2 =0． 09 mm, h3=0． 10 mm, h4 =0． 11 mm, h5 =0． 09 mm。(3)建立止动机构的有限元模型如图8所示。(4)根据毛刺高度(h1, h2, h3, h4, h5)建立毛刺单元,添加毛刺单元于止动机构的有限元模型中弹簧片壳单元危险区域的边界上。3． 2． 2 计算带毛刺结构的应力分布计算添加毛刺单元的弹簧片的应力值,对比有毛刺单元与无毛刺单元的应变变化,添加毛刺单元后边界节点Misses应力比未添加时明显要大。图12为弹簧片毛刺单元应力云图,图13为弹簧片有无毛刺单元应力对比。3． 2． 3 计算结构疲劳寿命(1)测量结构疲劳载荷,预估材料的应力-寿命曲线。图11 均分弹簧片危险区域边界Fig． 11 Boundary of danger zone for the equational leaf spring图12 弹簧片毛刺单元应力Fig． 12 Stress of burr element for leaf spring图13 弹簧片有无毛刺单元应力对比Fig． 13 Comparison between elements with and withoutburr for leaf spring05锻 压 技 术 第41卷万方数据弹簧片材料为65Mn,抗拉强度为Rm为980 MPa,屈服强度ReL为764 MPa。根据抗拉强度可以预估其应力-寿命曲线,根据S - N曲线估算经验公式(17)进行65Mn的疲劳极限估算[16]:Su = 0． 468Rm = 458 MPaS1000 = 0． 9Rm = 882 MPa (18)式中: S1000为材料寿命1000次时的应力水平。由此可以得到65Mn材料的S - N曲线如图14所示。在滑移门打开-关闭的1个过程中,止动轮两次压过弹簧片为1个循环。数值仿真该止动轮在弹簧片上的运动过程形成弹簧片的载荷谱(图10)。图14 65Mn材料的S - N曲线Fig． 14 S - N curve of 65Mn(2)根据应力集中系数和毛刺对弹簧片应变、应力的影响,结合弹簧片的疲劳载荷与65Mn S - N曲线求解其疲劳寿命,弹簧片疲劳寿命数值仿真结果如图15所示。求出未添加毛刺单元时,其疲劳寿命值为13． 1万次,添加毛刺单元后弹簧片的寿命为8． 32万次。为了对疲劳寿命计算结果进一步验证,需对止动机构进行了疲劳寿命试验测试。图15 弹簧片疲劳寿命数值仿真(a)未添加毛刺单元 (b)添加毛刺单元Fig． 15 Simulation of fatigue life for leaf spring(a) Without burr element (b) With burr element3． 3 实验验证将该子系统简化为台架实验台,模拟限位轮滚过止动机构的运动过程,图16为止动机构疲劳测试台架实验装置。建立实验台架,通过气动装置带动止动机构沿着固定导轨以一定速度往复运动,使限位轮往复压过止动机构弹簧片。台架实验装置由气缸、台架、止动机构和走轮臂4部分组成,气缸提供往复运动动力,止动机构固定在气缸上,限位轮固定在走轮臂上,台架设有往复运动的导轨,并固定气缸与走轮臂。每1个循环包括两种状态,限位轮压过弹簧片和限位轮退出弹簧片,当走轮压过弹簧片顶端时停止(开门),最后气缸带动止动合件退回原位(关门),该过程记为1次循环,通过该过程测试滑移门止动机构的寿命。图16 止动机构疲劳测试台架实验装置(a)限位轮压上止动机构弹簧片状态 (b)台架实验模拟关门状态(c)台架实验模拟开门状态Fig． 16 Bench test device of fatigue test for stop mechanism(a) Status of leaf spring when limit wheel pressing stop mechanism(b) Simulated closing status of the bench test(c) Simulated open status of the bench test针对弹簧片有毛刺状态和去毛刺状态对止动机构进行台架实验。每种状态选用3个零件。有毛刺编号分别为1, 2, 3,去毛刺编号分别为4, 5, 6,分别对6个零件进行实验,有无毛刺状态下的寿命实验结果如表1所示。计算仿真结果的计算误差,未添加毛刺单元仿真时的误差为δ0,添加毛刺单元时进行仿真时的误差为δ1。计算公式如式(13)、式(14)所示:δ0 = N实验- N去毛刺仿真N实验× 100% =15第12期罗德洋等:冲裁毛刺对疲劳寿命影响的数值仿真分析 万方数据87683 - 13100087683 × 100% = 49． 4% (13)δ1 = N实验- N有毛刺仿真N实验× 100% =87683 - 8320087683 × 100% = 5． 1% (14)式中: N实验为未去毛刺时的寿命, N去毛刺仿真无毛刺时的仿真寿命, N有毛刺仿真为有毛刺单元时的仿真。表1 有无毛刺状态下的疲劳寿命实验结果Table 1 Test results of fatigue life in the conditions with andwithout burr状态编号实验寿命/次平均实验寿命/次仿真寿命/次有毛刺1 870502 880003 8800087683 83200去毛刺4 1360845 1456256 144628142112 1310004 结论(1)线弹性单元可以运用于65Mn薄板冲裁件的有限元仿真,对冲裁毛刺进行数值仿真,可以计算出毛刺对寿命的影响程度。(2)当止动弹簧片有毛刺时,运用未添加毛刺单元进行仿真得到的精度较低,而运用添加毛刺单元进行仿真得到的仿真精度有很大的提高。参考文献:[1] 周传月,郑红霞,罗慧强. 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