钣金成形件支撑结构抗拉强度的优化研究

钣金成形件支撑结构抗拉强度的优化研究

向元飞

贵州航天风华实业有限公司贵州遵义563319

摘要：随着汽车工业的发展，为满足客户群体的审美要求，汽车造型日渐复杂，对冲压件的生产提出了更高的要求和更大的挑战。针对复杂的造型特征，冲压件需要通过后期工艺优化来保证成形质量。如某些冲压单件的生产过程中，在单件局部刚度需提高的区域会因生产线末端的跌落问题产生变形，因需要满足造型方面的设计而无法优化冲压单件的结构强度，其变形问题越来越难解决，特别是在大型汽车覆盖件高速生产的传输过程中更加容易出现此类问题。目前，较常见的解决方案是在不增加冲压工序的前提下，通过在冲压单件强度需提高的区域添加辅助支撑结构以解决跌落问题，然后在车身车间使用切边机将辅助支撑结构切除，而辅助支撑结构的强度能否在零件跌落过程中起到支撑作用至关重要，也直接影响零件的成形质量。

关键词：钣金零件；冲压；生产线；抗拉强度；结构优化；分组试验

引言：为解决冲压件生产线末端跌落导致的变形问题，通常在冲压单件时需提高刚性区域处添加辅助支撑结构，其强度能否在零件跌落过程中起到支撑作用至关重要，在冲压件生产线末端运输的实际工况下，使用中心惯性矩描述支撑结构的抗拉强度，并进行了合理性的验证。在此基础上提出了支承结构的优化方案，主要为增加截面几何参数宽度b及特征高度h，增加特征高度h对增强零件抗拉强度更明显，该优化方案可为各主机厂解决此类问题提供参考。

1支撑结构抗拉强度的几何描述

1.1跌落模型分析

冲压生产线末端状态如图1（a）所示，零件通过皮带传送至收料台的过程中，支撑结构受到皮带沿传输方向的摩擦力，如图1（b）所示，若支撑结构刚度不足则会导致零件变形从而失去支撑作用。此时，当零件继续通过50mm高的台阶时，则会发生跌落变形。因此，需要优化支撑结构，增加其抵抗传输方向的弯曲作用力，保证支撑结构在传输过程中始终有效。以下重点探讨如何优化支撑结构抵抗弯曲变形的能力。增加零件刚度的主要手段有2种：①从零件材料着手增加材料刚度，但由于该零件生产条件的限制，无法对此进行优化；②从零件的几何结构出发，通过优化其结构参数，提高零件的刚度，此处采用该优化方案提高零件刚度。

图1.冲压生产线末端零件状态及受力情况：

1.2几何结构参数的选择与验证

用于描述零件抵抗弯曲变形能力的几何参数为惯性矩，其定义如下：在平面坐标系yoz中，面积元素dA与其至z轴（y轴）距离平方的乘积y2dA（z2dA），称为该面积元素对于z轴（y轴）的惯性矩或截面二次轴矩。研究对象除受到传输方向的摩擦力外，同时受到跌落重力的作用，受力状态较复杂，因此有必要验证使用惯性矩描述零件结构抗拉强度的合理性。采用分组试验的方式研究惯性矩对支撑结构抗拉强度的影响。此外，使用支撑结构的弯曲转角a描述其弯曲程度，转角越大，弯曲越明显。针对这2点进行试验设计，如图2所示，第1组为空白对照组，即无特征的Z形结构；第2组在第1组试验的基础上添加贯穿的加强筋；第3组在第1组试验的基础上宽度加倍[1]；第4组综合第2、3组试验的结构特征在宽度加倍的同时添加2条加强筋结构。

图2.试验组支撑结构形状：

经过实际测试可知，第1组试验支撑结构宽度b与高度h均取最小值，截面中心惯性矩最小，试验结果弯曲角度最大，变形最明显；第2组试验与第1组相比，因添加加强筋特征，导致截面特征高度h增加，截面中心惯性矩亦随之增加，试验结果弯曲角度小于第1组试验，变形有所减弱；第3组试验则通过增加截面宽度b的方法增加截面的中心惯性矩，试验结果与第1组试验相比弯曲角度也有所减小，但减小程度远不如第2组明显；第4组试验由于具有最大的截面宽度b和特征高度h，中心惯性矩最大，试验结果弯曲程度最小，变形最不明显。由试验结果分析可知，支撑结构抵抗弯曲变形的能力与结构截面宽度b、特征高度h高度呈正相关，且h的变化对支撑结构抗弯曲能力的影响比b更大。4组试验中截面中心惯性矩的变化趋势与截面抗拉强度的变化趋势相同。综上所述，在零件受力状态下，支撑结构抵抗弯曲变形能力用截面中心惯性矩描述是合理的。

2跌落支撑结构优化方案与验证

上述试验结果表明，零件受力状态下支撑结构的抗拉强度与结构截面中心惯性矩有直接关系，与结构截面几何参数宽度b以及特征高度h呈正相关，其中h对抗拉强度的影响尤为显著。因此，在零件结构和成形条件允许的情况下尽量增大截面参数b与h[2]，结构优化方案如图5所示，在上述第4试验组的基础上，通过改变截面形状，增加特征高度h至20mm。经计算发现，优化后的截面中心惯性矩为优化前的12倍，理论上优化后结构的抗拉强度远大于优化前的结构。通过分析可知，优化后的结构抗弯能力显著增强，在受力状态下几乎不会发生弯曲变形，使零件在传输过程中支撑结构不因传输皮带的摩擦力而弯曲失效，在零件通过台阶时，因支撑结构的有效支撑，零件未发生跌落变形的问题，可满足实际生产中侧围外板生产线末端的传输需求。

结论：

简而言之，文章研究了在生产线末端传输工况下的侧围外板支撑结构抗弯能力的影响因素，并提出了结构优化方案，得出以下结论。第一，使用截面中心惯性矩描述零件生产线末端传输工况下支撑结构抗弯曲变形能力是合理的，支撑结构的优化方案应考虑增加截面的中心惯性矩。第二，支撑结构的优化手段主要为增加截面几何参数宽度b及特征高度h，增加特征高度h对增强零件抗拉强度更明显[3]。

参考文献

[1]黄孟生.工程力学[M].北京：中国电力出版社，2016：245-249.

[2]储德文.求截面主惯性矩的矩阵特征值法[J].力学与实践，2018，25：66-68.

[3]张宏伟，贺尔铭，赵志彬.UG二次开发中截面惯性矩计算方法的研究[J].科学技术与工程，2017（34）：8567-8570.