高強(qiáng)鋼拼焊板熱沖壓成形數(shù)值模擬研究

賀文 劉紅生

【摘?要】拼焊板熱沖壓成形涉及復(fù)雜熱力耦合和流固耦合問題，采用實驗方法難以揭示其成形機(jī)理。在確定焊縫區(qū)材料溫度相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變曲線的基礎(chǔ)上，構(gòu)建拼焊板熱沖壓成形過程的熱力耦合數(shù)值模型和熱沖壓成形后保壓冷卻過程的流固耦合數(shù)值模型。采用所見數(shù)值模型對高強(qiáng)鋼拼焊熱沖壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，給出了工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】高強(qiáng)鋼，熱沖壓，數(shù)值模擬

引言

高強(qiáng)鋼的熱沖壓成形工藝應(yīng)用軟件仿真方法，可通過有限元數(shù)值模型，有限元仿真對于板材成形有三種類別的算法：顯式與隱式算法以及一次成形法[1]。研究板材在沖壓變形時溫度、應(yīng)力分布情況，研究板材熱沖壓成形中受各種工藝參數(shù)的作用機(jī)制，可提高高強(qiáng)鋼在實際熱沖壓技術(shù)中的生產(chǎn)制造效率。一般用有限元仿真模擬分析材料熱沖壓成形過程中，包括零部件的沖壓變形成形性、保壓淬火后組織和力學(xué)性能以及回彈對成形精度的影響，這些軟件仿真分析都必須綜合考慮溫度的影響機(jī)制。探索板料變形、溫度場分布以及殘余應(yīng)力分布受到熱沖壓工藝參數(shù)的影響規(guī)律，可獲得更加系統(tǒng)化、理論化的超高強(qiáng)度鋼的熱沖壓成形工藝，能夠有效輔助零件設(shè)計開發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品周期、工藝成本中存在的問題[2]。Erman等用有限元中仿真材料熱力學(xué)下的變化機(jī)制[3]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個軟件的協(xié)同工作可建立熱力耦合的計算過程，并減少了一些計算時間。朱巧紅等通過構(gòu)建高強(qiáng)鋼熱沖壓的數(shù)值模型[4]，用有限元軟件仿真分析了板材成形溫度、模具型腔溫度和沖壓行程速率等在熱沖壓件成形質(zhì)量、應(yīng)力和溫度的作用機(jī)制。Xing等用實驗性能數(shù)據(jù)構(gòu)建仿真模型[5，6]，研究改變熱沖壓成形中板材受到壓邊力、模具的圓角和間隙大小，將會在回彈變形量上有的何種作用機(jī)制。提出利用ABAQUS仿真軟件研究分析22MnB5高強(qiáng)鋼-Q235鋼拼焊板U形件的熱沖壓成形過程。利用Abaqus/Standard模塊模擬熱沖壓成形的熱力耦合過程，采用Abaqus/CFD和Abaqus/Standard兩個板塊模擬保壓冷卻的流固耦合過程。通過仿真分析板料熱沖壓成形中的應(yīng)力場和溫度場，為揭示拼焊板熱沖壓成形機(jī)理提供技術(shù)支持。

1. 熱沖壓變形過程熱力耦合數(shù)值模擬

1.1 有限元模型

1、幾何模型

以汽車B柱（見圖1）作為研究對象，但B柱形狀復(fù)雜，其熱沖壓變形模式較單一，故通過將U形件（見圖2）熱沖壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬研究汽車B柱熱沖成形，可大幅降低計算時間。

2、網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格的劃分是數(shù)值建模中的關(guān)鍵。熱沖壓仿真計算是一個熱力耦合分析過程，劃分合適的網(wǎng)格對計算精度和計算時間尤其重要。網(wǎng)格劃分需考慮力學(xué)和溫度特性，在應(yīng)力梯度較小區(qū)域可分布較大網(wǎng)格，而在模具圓角接觸力較大的部位需要細(xì)化網(wǎng)格。網(wǎng)格的大小與計算量直接相關(guān)，與冷沖壓過程有限元模擬不同，熱沖壓成形涉及熱力耦合，其計算量大大增加，因此，網(wǎng)格的劃分對計算量影響更大。網(wǎng)格最終劃分如圖3所示，在焊縫區(qū)域及模具與板材接觸變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最終得到板材48000個網(wǎng)格、凸模15000和凹模14000個網(wǎng)格。

2成形過程數(shù)值模擬

應(yīng)用Abaqus/Standard模塊對22MnB5高強(qiáng)鋼-Q235鋼拼焊板熱沖壓成形過程模擬分析。為研究板材不同初始溫度對熱沖壓成形的影響，對模具和環(huán)境初始溫度統(tǒng)一設(shè)置為20℃，設(shè)置不同初始溫度（700℃、750℃、800℃、850℃、900℃），對板料初始溫度850℃，沖壓速度為30mm/s熱沖成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4為熱沖壓成形時刻為2.4s時板材上的溫度和等效應(yīng)力分布。

不同初始成形溫度板材成形后的溫度場和應(yīng)力場的變化情況，成形件的應(yīng)力隨初始成形溫度的升高而降低，溫度隨之升高。22MnB5高強(qiáng)鋼區(qū)應(yīng)力和溫度的數(shù)值最大，焊縫區(qū)域次之，且22MnB5高強(qiáng)鋼和Q235鋼在沖壓過程中與模具間熱傳導(dǎo)后，兩者的應(yīng)力差值隨初始成形溫度的升高而逐漸減小，而溫度差值則逐漸增大?？煽闯?，在熱沖壓過程中，成形時間短，致使板材和模具沒有進(jìn)行更多的熱傳遞、空氣中的散熱量也少，板材降溫效果不明顯，為滿足硼鋼的淬火效果，還需要進(jìn)行通水冷卻的流固耦合模擬。

3 拼焊板熱沖壓成形保壓過程流固耦合數(shù)值模擬

根據(jù)熱力耦合模擬仿真沖壓成形過程后的溫度場，得到熱力流固耦合中的初始溫度場。仿真計算出在水流速1.5m/s下通水冷卻7s后的溫度長分布，如圖5所示。水冷時間是影響熱沖壓成形件力學(xué)性能的重要工藝參數(shù)。從各工藝參數(shù)所得結(jié)果可總結(jié)出冷卻時間對溫度場的影響，如圖5所示。

從圖6可看出，隨水冷時間的增大成形件溫度越低，特別是在前期高溫時冷卻效果變化幅度最大，當(dāng)水冷時間超過10s后，隨時間的增長，溫度的降低變化量逐漸減小，則冷卻效果增強(qiáng)幅度沒有前期明顯。當(dāng)水冷時間為10s時，22MnB5高強(qiáng)鋼區(qū)域溫度在200℃以下，滿足馬氏體轉(zhuǎn)化要求的冷卻速率27℃/s以上，綜合考慮生產(chǎn)效率和成本等問題，水冷10s為最佳的水冷時間參數(shù)，這為后續(xù)22MnB5高強(qiáng)鋼-Q235鋼拼焊板熱沖壓成形試驗提供有效且真實的理論參數(shù)理論數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

通過研究可得到如下結(jié)論：

（1）所構(gòu)建的高強(qiáng)鋼拼焊板熱沖壓成形數(shù)值模型是可靠的;

（2）采用該數(shù)值模型計算所得的溫度場和應(yīng)力分布是合理的;

（3）通過數(shù)值模擬得到了關(guān)鍵工藝參數(shù)水冷時間對溫度的影響規(guī)律;

（4）采用所建立的數(shù)值模型可對熱沖壓成形工藝進(jìn)行理論分析。

本論文獲得福建省工業(yè)高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項目（項目編號：2017H6012）支持。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Tekkaya?A?E，Karbasian?H，Homberg?W，etal. Thereto-mechanical?coupledsimulat- ion?of?hot?stamping?components?for?process?design?[J].Production Engineeri- ng，2007. 85～89.

[4]朱巧紅.熱成形模具熱平衡分析及冷卻系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化[D].上海：同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

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[6]Xing Z W，Bao J，Yang Y Y. Numerical simulation of hot stamping of quenchable boron steel [J].Materials Science and Engineering：A，2009，499（1）：28～31.

（作者單位：1.華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院;2.福建省特種能場制造重點實驗室;3. 華僑大學(xué)廈門市數(shù)字化視覺測量重點實驗室）