基于ABAQUS軟件的熱沖壓成形接觸問題分析

岑升波

【摘? 要】ABAQUS是一款功能非常強(qiáng)大的有限元軟件，被廣泛地應(yīng)用在解決各種工程項(xiàng)目問題當(dāng)中。論文以防撞梁的熱沖壓成形為例，詳細(xì)介紹了ABAQUS在處理復(fù)雜接觸問題時的基本步驟和注意事項(xiàng)，展示了ABAQUS在處理高度非線性問題時的優(yōu)越性，也為新手在處理相似問題時提供參考和幫助。

【Abstract】ABAQUS is a finite element software with very powerful functions， which is widely used to solve various problems in engineering projects. This paper takes the hot stamping of the anti-collision beam as an example， explicitly introduces the basic steps and precautions of ABAQUS in dealing with complex contact problems， shows the advantages of ABAQUS in dealing with highly nonlinear problems， and also provides reference and help for novices in dealing with similar problems.

【關(guān)鍵詞】ABAQUS軟件;熱沖壓成形;接觸

1 引言

ABAQUS是一套功能非常強(qiáng)大的工程模擬仿真軟件，擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬各種工程領(lǐng)域的許多問題，例如，熱傳導(dǎo)、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析以及壓電介質(zhì)分析[1，2]。ABAQUS擁有十分強(qiáng)大的處理高度復(fù)雜非線性問題的能力，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)問題的高度可靠性，被廣泛應(yīng)用于在各國工業(yè)和研究所中。但是在國內(nèi)ABAQUS的普及率遠(yuǎn)不如ANSYS，不僅中文的資料少，而且可供新手學(xué)習(xí)的例子少，尤其是對比較復(fù)雜的接觸問題的介紹更少。

在現(xiàn)實(shí)世界中，有許許多多的工程項(xiàng)目問題都涉及接觸問題，如運(yùn)動中火車輪與鋼軌的接觸、切削中車刀與工件的接觸、沖壓時模具與毛坯間的接觸，等等。在接觸過程中，兩個物體在接觸界面上的相互作用是復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象，接觸問題常常同時涉及三種非線性：大形變引起的材料非線性、幾何非線性和接觸界面的非線性，再加上接觸界面的事先未知性和接觸條件的不等式約束，決定了接觸分析過程屬于高度非線性的，不僅需要花費(fèi)較多的計(jì)算機(jī)資源，而且收斂難度較大。本文從汽車防撞梁的熱沖壓成形出發(fā)，基于ABAQUS軟件對接觸問題進(jìn)行分析研究。

2 ABAQUS接觸分析的關(guān)鍵問題

接觸分析中需要注意的常見問題包括：單元類型的選擇和網(wǎng)格質(zhì)量的控制、接觸關(guān)系的建立、相對滑動、主從面的定義等[3]。ABAQUS軟件提供了非常豐富的單元種類，在給用戶提供更多選擇的同時，也增加了用戶選擇適合自己模型的單元類型的難度，人們要清楚自己計(jì)算的目的是什么，然后選擇合適的單元類型。例如，熱沖壓成形模型，涉及溫度變化和形變，就這需要選擇溫度—位移耦合類型。網(wǎng)格質(zhì)量的控制，ABAQUS軟件是通過Verify Mesh檢查模型網(wǎng)格質(zhì)量，可以檢查出分析過程中會導(dǎo)致錯誤和警告信息的單元，想要獲得精確的計(jì)算結(jié)果，完美的單元質(zhì)量是必不可少的。接觸關(guān)系的建立，人們在建立接觸對時，首先要搞清楚主從面的定義，一般選擇剛度較大的一面作為主面，柔性材料作為從面，而解析面和剛體面必須作為主面。定義接觸屬性時，一定要清楚接觸里面包含了哪些內(nèi)容，如熱沖壓成形模型中模具和毛坯之間的互相接觸，既有摩擦又會發(fā)生熱傳遞，在定義屬性時不能遺漏。相對滑動問題，ABAQUS包括有限滑動和小滑動兩種選擇，其中，有限滑動是最通用的選擇，其在接觸面間允許任意大的滑動和旋轉(zhuǎn)，而小滑動是在接觸面間允許小的相對滑動。在接觸分析中需要注意的問題還有很多，稍微不注意都可能導(dǎo)致計(jì)算不收斂，會在下文防撞梁的熱沖壓成形例子中提及。

3 熱沖壓成形案例

本案例基于某轎車前防撞梁熱沖壓成形的過程，詳細(xì)介紹了利用ABAQUS軟件解決接觸類問題的基礎(chǔ)步驟和注意事項(xiàng)。

3.1 案例的背景

汽車防撞梁是車輛受到碰撞時吸收碰撞能量的一種裝置，能夠減少駕乘人員受到的沖擊，是提高汽車安全可靠性的重要部件。為了實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化且安全性能不降低，防撞梁一般都使用高強(qiáng)鋼22MnB5，采用熱沖壓成形的工藝沖壓成形。防撞梁的成形工藝為：將加熱至850℃左右完全奧氏體化的22MnB5毛坯置于25℃的凹模之上，然后壓邊圈以15000N的力向下運(yùn)動直至最低點(diǎn)，毛坯發(fā)生變形且四周被壓邊圈壓緊，接著凸模以40m/s的速度向下運(yùn)動，毛坯在凸模的作用下發(fā)生塑性變形，最后凸模、凹模完全閉合，進(jìn)行保壓和淬火。淬火階段是在凸模和凹模的冷卻管道中通入冷卻水，工件上大量的熱量通過熱傳遞被循環(huán)冷卻水帶走實(shí)現(xiàn)淬火，本文不做討論。在本案例中，毛坯和模具之間的接觸界面既存在力的相互作用又存在熱傳遞作用，在計(jì)算過程中，既有材料大變形帶來的非線性問題又有溫度帶來的材料屬性的非線性問題，這是屬于比較復(fù)雜的熱力耦合問題。

3.2 模型的建立

防撞梁的三維模型如圖1所示，長度方向的尺寸為1068.5mm，寬度方向的尺寸為135mm，弧度為22°，毛坯厚度為1mm。本文采用SolidWorks軟件建立防撞梁熱沖壓成形的三維模型，分別為凸模、凹模、壓邊圈和毛坯，如圖2所示。由于毛坯的長寬都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度，為了節(jié)約計(jì)算時間，將模型轉(zhuǎn)變?yōu)闅んw導(dǎo)入ABAQUS中。在導(dǎo)入部件的過程中應(yīng)注意，如果僅僅關(guān)注的是防撞梁成形的過程，不考慮溫度場的話，可以將凸模、凹模和壓邊圈都設(shè)置為離散剛體，可大大提高計(jì)算速度;但是如果還要關(guān)注防撞梁成形過程中毛坯和模具之間熱傳遞的溫度場的話，所有部件都要設(shè)為可變體，這對后面網(wǎng)格單元類型的選擇很重要。

3.3 材料屬性的定義

毛坯22MnB5鋼和模具的密度為7850kg/m3，線膨脹系數(shù)為1.3×10-5。由于防撞梁的熱沖壓過程是采用熱力耦合分析的方法，溫度的變化對材料的屬性影響非常大，根據(jù)查詢文獻(xiàn)資料[4]，22MnB5鋼在不同溫度下的真實(shí)塑性應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1所示。

22MnB5鋼的楊氏模量、泊松比以及熱傳導(dǎo)率、熱熔的數(shù)據(jù)[5，6]，如表2所示。模具的熱導(dǎo)率為52W·（m·K）-1，熱熔為450J·（kg·K）-1。在設(shè)定材料屬性時，最容易出問題的是各參數(shù)單位的統(tǒng)一，很容易出現(xiàn)數(shù)量級的錯誤。

3.4 分析步的設(shè)定

分析步設(shè)為兩步，分析步的類型選擇動力，溫度—位移，顯式：第一步為壓邊圈向下運(yùn)動，時間為0.001s;第二步為凸模向下運(yùn)動，時間為0.0175s。在編輯分析步時，把幾何非線性打開。如果想節(jié)約計(jì)算時間，可以將質(zhì)量縮放打開，縮放比例的大小以計(jì)算結(jié)果的動能占總能量的5%以內(nèi)合適。

3.5 相互作用的設(shè)定

進(jìn)入相互作用模塊，對模具和毛坯之間設(shè)定相互作用關(guān)系。首先，相互作用屬性管理器定義接觸關(guān)系的屬性，其切向行為中的摩擦公式選擇罰公式，摩擦系數(shù)為0.05，其熱傳導(dǎo)系數(shù)當(dāng)距離為0時系數(shù)為0.75;其次，定義毛坯和模具與周圍環(huán)境對流的熱交換系數(shù)，毛坯與空氣的自然對流系數(shù)為29W/m2/K，模具與冷卻水的熱交換系數(shù)為1200W/m2/K;再次，定義毛坯和模具之間的接觸面，在這里要強(qiáng)調(diào)的是模具面一定是主面，毛坯面為從面;最后，創(chuàng)建三個參考點(diǎn)，創(chuàng)建約束類型，選擇剛體，分別將凸模、凹模和壓邊圈綁定起來。

3.6 施加載荷

進(jìn)入載荷模塊，對模具和毛坯施加邊界條件，在凹模的參考點(diǎn)上施加位移/轉(zhuǎn)角邊界條件，將所有方向固定。在壓邊圈的參考點(diǎn)上也施加位移/轉(zhuǎn)角邊界條件，分析步選擇第一步，設(shè)定壓邊圈向下運(yùn)動24mm壓住毛坯表面，其他方向固定。同時，設(shè)定幅值，幅值的類型注意選擇平滑分析步，否則容易出現(xiàn)不收斂問題。在凸模的參考點(diǎn)上施加位移/轉(zhuǎn)角邊界條件，分析步選擇第二步，設(shè)定凸模向下運(yùn)動70mm進(jìn)行沖壓動作，其他方向固定，幅值的設(shè)定時間與分析步一致。進(jìn)入預(yù)定義場管理器，毛坯的溫度設(shè)定為850℃，模具溫度為25℃。

3.7 網(wǎng)格劃分

進(jìn)入網(wǎng)格劃分模塊，先定義網(wǎng)格控制屬性，網(wǎng)格形狀盡量選擇四面體，劃分技術(shù)選擇結(jié)構(gòu)，有時需要拆分模型才能劃出想要的網(wǎng)格。進(jìn)入種子部件，給模型設(shè)置尺寸，然后劃分網(wǎng)格。一定要為網(wǎng)格指派單元類型，本次計(jì)算為熱力耦合的問題，且接觸里面定義了熱傳導(dǎo)屬性，所有模型的網(wǎng)格單元類型一定要溫度—位移耦合，不然提交計(jì)算會報(bào)錯“without temperature degree of freedom are not allowed in a heat transfer analysis”。

3.8 作業(yè)提交與結(jié)果分析

在工作管理器中提交作業(yè)，在監(jiān)控中可以實(shí)時觀察計(jì)算的進(jìn)展情況。當(dāng)計(jì)算結(jié)束以后進(jìn)入可視化模塊對結(jié)果進(jìn)行分析。當(dāng)熱沖壓結(jié)束后，防撞梁成形后凹槽底部溫度最低點(diǎn)的溫度—時間曲線圖如圖3所示，由于整個沖壓過程時間只有0.0185s，時間非常短暫，該節(jié)點(diǎn)的溫度從850℃下降到845.4℃，瞬間的冷卻速度達(dá)到248.6℃/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于馬氏體的轉(zhuǎn)變的冷卻速度，有利于提高22MnB5的馬氏體轉(zhuǎn)變率，提高防撞梁熱沖壓成形后的力學(xué)性能。

防撞梁熱沖壓成形后的應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在防撞梁凹槽底部圓角過渡兩側(cè)以及側(cè)壁上，最大應(yīng)力為169.9MPa，這是因?yàn)檫@些位置是毛坯與模具相互接觸、相互作用最為復(fù)雜的位置，也是材料形變最大的地方，所以其應(yīng)力也相對較大。

4 結(jié)語

ABAQUS軟件在處理高度非線性的復(fù)雜問題上具有明顯的優(yōu)勢，本文以汽車防撞梁熱沖壓成形為例，詳細(xì)介紹了ABAQUS在處理復(fù)雜接觸問題的過程和注意事項(xiàng)，為進(jìn)一步利用ABAQUS軟件研究汽車防撞梁的熱沖壓成形過程做好鋪墊，同時，也為新手處理類似的問題提供了參考和幫助。

【參考文獻(xiàn)】

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