概述

车体大端顶（图1）是车体端墙中重要结构件之一。大端顶零件的顶面由一段R2300的大圆弧以及两端R460的小圆弧构成，侧面为垂直于顶面的曲面，顶面与侧面之间有R50的圆角连接，零件壁厚为2mm。其总宽度为3105mm，宽度为810mm，翻边高85mm，要求其成形后大面平面度≤1mm/m，圆弧面与样板间隙不大于2mm，翻边与底面垂直度不大于1mm，圆弧面不得有明显的起皱现象。该构件的生产工艺为：切割下料—模具压型，由坯料经过模具压型而成。

工艺分析其成形难点在于：

⑴该大端顶有一边不带翻边其他边均有翻边，结构不对称，导致压型后底面靠翻边处由于受拉应力影响而严重上翘；

图1 大端顶零件模型

⑵圆弧面中间R2300两端R460，过渡过程中出现急弯而发生起皱现象；

⑶底面与翻边之间由于有R50的圆角导致成形后翻边外倒。

为预测各种状况，我们采用的方法是先用三维建模软件建立出轨道车辆压型件的三维模型，通过逆运算分析初成形件得展开形状及尺寸，再导入仿真模拟分析软件中，进行分析计算、预测破裂、起皱位置等等。

模型展开

逆成形

逆成形的基本思想是从产品的形状C出发，将其作为变形终了时工件的中面，通过有限元方法确定在满足一定的边界条件下工件中各个节点P在初始平板毛坯C0中的位置P0，比较平板毛坯和工件中节点的位置可得到工件中应变，应力和厚度的分布，如图2所示。

展开的模型尺寸

本文是通过采用CATIA软件应用逆成形算法，进行大端顶展开尺寸确定，其基本操作流程如下：建立成形件三维模型—导入模拟分析模块—设置材料参数—有限元网格划分—将有限元网格偏移到中性层面—计算—输出结果。

图2 一步逆成形有限元方法示意图

通过计算得到大端顶下料展开尺寸，如图3所示（由于部分圆弧边展开完成后非圆边，圆孔展开完成后非圆孔，所以未标尺寸）。

图3 大弯梁

成形模拟分析过程

有限元模型建立

⑴材料。

通过拉伸试验获得了板料的力-位移曲线，通过数据处理计算，获得板料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、强度系数、应变硬化指数等力学性能参数。由于本试验无法获得板料的弹性模量以及泊松比，故板料的弹性模量和泊松比根据经验得到。根据试验和数据处理得到测试结果如表1所示。

2mm板料试样不同角度下的拉伸曲线如图4所示。

图4 不同角度下的拉伸曲线

表1 2mm板料试样的测试结果

表2 网格信息

⑵网格。

板料模型采用Abaqus自带的网格划分模块划分网格。以三角形与四边形混合的方式划分网格，具体网格参数如表2所示。大端顶的板料网格模型如图5所示。

图5 大端顶板料网格模型

⑶接触定义。

定义凹模和板料之间以及凸模和板料之间的接触。接触关系为摩擦接触，摩擦系数定为0.1。定义模具的接触面为主面，板料的接触面为从面。各个模型的主从面如表3所示。

表3 各模型的接触对设置

⑷边界条件设定

图6所示为大端顶有限元模型，定义凹模和凸模为刚体部件。凹模全固定约束，凹模施加沿+z方向的位移约束，其他自由度固定。

图6 大端顶成形有限元模型

大端顶仿真结果输出

基于上述前处理过程计算所得结果如下：

⑴应力应变结果。

大端顶成形零件的应力应变结果如图7所示。从图中可以看出，成形后最大应力为571.8MPa，最大应力位于小圆弧成形圆角处。Q345的抗拉强度一般在629MPa左右，成形中应力未超过Q345的抗拉强度，故未发生破裂现象。

从图中可以看出，应变主要集中于小圆弧成形圆角区域。成形结束后最大应变为0.077。最大应变均集中于小圆弧处。

图7 大端顶应力云图（MPa）

图8 大端顶应变云图

⑵厚度分布结果。

大端顶成形零件的厚度分布结果如图9所示。

图9 大端顶厚度分布云图（mm）

从图9可以看出最大厚度为2.12mm，最小厚度为1.96mm，主要减薄区域在大端顶小圆弧成形处。可说明小圆弧处为成形中薄弱区域。从厚度云图（图10）上可以看到长边的圆角处增厚率较为明显，该区域易起皱。最大厚度的截面如图11所示。

综上所述，从应力应变，厚度分布都可看出大端顶零件成形时在小圆弧圆角处有破裂趋势。从厚度分布图可以看出大端顶零件成形时在大长边的圆角处有起皱趋势。故小圆弧在成形时为重点关注对象。

图10 大端顶成形起皱区域

图11 成形零件截面厚度分布（mm）

总结

⑴本文对大端顶进行了展开，得到展开的边界线，作为仿真模拟的板料模型。并将展开图进行压型模拟仿真，输出结果与压型件模型对比分析，进行局部优化，确定最终展开尺寸。

⑵对大端顶进行仿真模拟，采用展开料为板料，应用Abaqus/Explicit求解器，对其应力应变以及厚度进行求解。并根据厚度云图大致分析其起皱区域。从分析结果来看，大端顶零件在成形过程中一般不存在破裂现象，但长边的圆角处起皱较为明显。总体来说，此产品虽有破裂风险，但成形中并未出现破裂现象，属安全成形。成形的截面尺寸基本符合要求。

——文章来自《锻造与冲压》第8期