车身钣金上具有大量U形成形特征，随着车身质量的不断提高，其成形精度要求也越来越高，回弹问题越发成为成形工艺中的难题。本文利用数值模拟工具PAM-STAMP对U形类车身钣金的回弹特性进行预测研究，分析了改变压边力的工艺措施对回弹的影响。

板料冲压成形是一种重要的金属塑性加工方法，广泛应用于汽车、航空、家电以及包装等工业领域。随着工业对冲压件的需求不断增长，板料成形技术在世界各国都得到了高度重视，在汽车制造业中尤为突出。据统计，车身上大约有60%~70%的零件是通过冲压成形工艺加工出来的。因此，板料成形技术的高低直接影响着汽车制造的成本和新产品的开发周期。回弹是板料成形中不可避免的现象，板料的回弹严重影响成形件的几何和尺寸精度。随着工业的发展，冲压件的应用越来越广，其成形精度要求越来越高，回弹问题越发成为成形中的主要问题。板料成形数值模拟技术的出现和发展为解决回弹问题提供了有力的现代化手段。本文以车身上大量具有U形特征的冲压件为例，研究U形冲压件的回弹特性，利用模拟仿真手段分析压边力的工艺措施对回弹控制的效果。

有限元建模

1.研究对象

本文选取NUMISHEET'93（板料数值模拟大会）标准考题上的U形零件为研究对象，选取该模型是因为它是一种典型的冲压件，在车身上大多数冲压件具有类似特性，不仅在冲压回弹分析中具有很强的代表性，而且研究结果可以和多个研究小组的试验数据进行对比。图1所示为标准考题上U形零件冲压成形示意图。板料在压边圈的作用下边沿被压紧，冲头（凸模）向下运动板料受力拉伸变形，运行至冲程结束板料被成形为冲压件，然后凸模向上回程，此时冲压件在应力的作用下发生回弹变形，导致成形件的尺寸和形状发生变动。

2.有限元模型

我们利用模拟工具PAM-STAMP对回弹特性进行仿真研究。PAM-STAMP是一款成熟的板料冲压成形分析软件，其仿真结果具有较高的可信度。图2所示为有限元模型，由于零件的结构对称性，在有限元建模时只建立了1/4模型以提高计算效率，对板料对称处的节点实施固定约束，在进行节点网格划分时对弯曲较大的拐角单元进行细化处理，以提高仿真计算的精度。

3.边界条件

采用铝合金板料，材料参数如表1所示。板料尺寸为350mm×35mm，密度为2.7×103kg/m3，厚度为0.81mm，拉延深度为70mm。板料采用基于Mindlin理论的蜕化BT壳单元，共分为116×11个单元。采用Hill 1948屈服准则描述板料的各向异性，材料遵循Krupkowsky硬化规律，本构方程用表示，式中表示应力，为材料常数，为初始应变，为塑性应变，为加工硬化指数，材料参数与标准考题等同，以便于和标准数据进行对比。

回弹模拟预测

图3所示给出了U形零件在X向Y向和Z向的回弹分布。从图中可以看出，U形件的回弹主要表现为X向和Z向形状偏差，其中X向最大偏差为19.9mm，Z向回弹最大为55.4mm，这和此类零件的回弹趋势是一致的，回弹集中在侧壁处和凸缘处，这与板料拉伸成形后的应力特性有很大关系。

为比较模拟结果的准确性，我们采用标准考题中测量回弹的方法对U形件的回弹参数进行测量。图3所示为标准考题所采用的回弹测量示意图，其中误差Δ表示模拟值与平均值差值的绝对值与平均值的比值。

表2所示为通过模拟手段预测的回弹结果。从表中可以看出：模拟值与标准考题中的试验结果吻合很好，预测误差不超过5%；侧壁回弹由于拉弯回弹的复杂性，准确预测很难，但预测精度也达到了80%。结果表明本研究所建立的模型具有很高的可信度和有效性。

回弹控制分析

压边力是板料冲压成形最简单而有效的工艺控制手段，通过改变和优化压边力可以改善板料的成形性能。图5所示为通过改变不同压边力的方法对U形零件的回弹控制效果。从图中可以看出，板料的回弹随着压边力的增加而下降，当压边力为8.75kN时，板料已发生了负回弹现象。

图6所示为不同压边力下U形件沿O-X截面上每隔5mm节点的最大主应力曲线。从图中可以看出，随着压边力的增大，板料上各点的主应力不断增加，增加板料的应力是减少回弹量的内因。

图7所示为不同压边力下U形件沿O-X截面上每隔5mm节点的厚度曲线。板料的厚度随着压边力的增大而下降，特别是靠近凹模圆角处，板料厚度随着压边力的增加而显著减小。板料厚度曲线变化说明通过增大压边力的方法可以减少回弹量，但同时也增加了板料破裂的风险。相关文献研究认为变压边力是同时能够降低回弹和避免破裂失效的一种有效控制方法，采用变压边力结合正交试验的方法提高U形件成形精度是回弹控制研究的一个重要方向，但需要反复试错和模拟，要消耗大量的计算时间，本文在此不做进一步研究。

结语

U形件的回弹预测结果表明数值模拟方法具有较高的可信度和准确性，可以用于车身上类似U形特征的钣金金回弹分析，研究结果也表明单纯通过改变压边力的方法可以减少回弹大小，但是一定程度上降低了板料的成形性能。在零件的结构设计上或模具结构上采取相应的措施是进一步解决此类回弹问题的方向。