基于ABAQUS雙U型前防撞梁熱沖壓成形過(guò)程的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

岑升波

摘要：采用ABAQUS軟件對(duì)汽車(chē)前防撞梁的熱沖壓成形工藝進(jìn)行了熱力耦合數(shù)值模擬分析，建立了22MnB5高強(qiáng)鋼的熱彈塑性有限元模型，計(jì)算了不同模具溫度下防撞梁的溫度場(chǎng)。結(jié)果表明，防撞梁在淬火過(guò)程中，其溫度呈快速降低趨勢(shì)，淬火結(jié)束時(shí)防撞梁的溫度為42.6℃～243℃，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉(zhuǎn)變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體。模具的溫度對(duì)防撞梁熱成形后的溫度場(chǎng)分布有較大的影響，模具溫度為25℃～60℃時(shí)可滿足企業(yè)高效率生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：ABAQUS;前防撞梁;熱沖壓成形;溫度場(chǎng)

0? 引言

汽車(chē)防撞梁是車(chē)輛受到碰撞時(shí)吸收碰撞能量的一種裝置，能夠減少駕乘人員受到的沖擊，是構(gòu)成汽車(chē)安全可靠性的重要部件。在實(shí)際生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)車(chē)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，但是高強(qiáng)鋼在常溫下塑性變形能力較差，沖壓成形時(shí)容易回彈開(kāi)裂，而熱沖壓成形工藝可以有效的解決這些問(wèn)題[1][2]。在對(duì)熱成形工藝的研究中，采用數(shù)值模擬的方法可以快速確定成形工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)形時(shí)可能出現(xiàn)的缺陷，還可以有效的預(yù)測(cè)和分析熱沖壓成形過(guò)程中工件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，優(yōu)化熱成形工藝參數(shù)以及生產(chǎn)節(jié)拍，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量[3-5]。

本文采用ABAQUS軟件建立了熱彈塑性有限元模型，對(duì)雙U型汽車(chē)前防撞梁熱沖壓成形的過(guò)程進(jìn)行了熱力耦合數(shù)值模擬，計(jì)算并分析了防撞梁熱成形過(guò)程和淬火過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，討論了模具溫度對(duì)防撞梁溫度場(chǎng)的影響。

1? 汽車(chē)前防撞梁有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

某車(chē)型的前防撞梁如圖1所示，防撞梁結(jié)構(gòu)呈雙U型，長(zhǎng)度方向的尺寸為1068.5mm，寬度方向的尺寸為135mm，弧度為22°，板厚為1mm，材料為高強(qiáng)鋼22MnB5。

1.2 材料屬性的定義

22MnB5鋼的密度為7850kgm-3，線膨脹系數(shù)為1.3×10-5。由于防撞梁的熱沖壓過(guò)程是熱力耦合分析，溫度對(duì)材料的流動(dòng)應(yīng)力及其變形抗力影響很大，根據(jù)查詢文獻(xiàn)資料[6]，22MnB5鋼在不同溫度下的真實(shí)塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

熱沖壓過(guò)程中，材料的溫度從常溫加熱到奧氏體化溫度，材料組織隨著溫度的變化而變化，將會(huì)造成材料的彈性模量和泊松比發(fā)生變化。同時(shí)，板料溫度場(chǎng)變化時(shí)，材料的熱學(xué)性能也會(huì)隨著發(fā)生改變，進(jìn)而影響著成形過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變、變形程度以及機(jī)械性能等。根據(jù)文獻(xiàn)資料[7-8]，22MnB5鋼的楊氏模量、泊松比以及熱傳導(dǎo)率、熱熔隨溫度的變化曲線如圖4所示。

1.3 參數(shù)設(shè)置

在模擬中，防撞梁在熱沖壓時(shí)的壓邊力為15kN，時(shí)間步長(zhǎng)0.5s，沖壓速度為40mm/s，時(shí)間步長(zhǎng)1.75s，在淬火階段，保壓、冷卻時(shí)間為10s。毛坯的預(yù)熱溫度為850℃，模具的初始溫度為25℃，板料與模具之間的摩擦系數(shù)為0.1。毛坯與空氣之間的自然對(duì)流系數(shù)為29W/m2/K，毛坯和模具之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為750W/m2/K，模具與冷卻水的換熱系數(shù)為1200W/m2/K。考慮到模具溫度對(duì)防撞梁淬火后溫度場(chǎng)分布的影響，計(jì)算了在淬火過(guò)程中模具的初始溫度為25℃、40℃、60℃、80℃、100℃時(shí)防撞梁的溫度場(chǎng)變化。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的單元類型為溫度位移耦合，毛坯的網(wǎng)格的種子尺寸為2.5，網(wǎng)格數(shù)量為59631。模具的種子尺寸統(tǒng)一為5，凸模的網(wǎng)格數(shù)量為23296，凹模的網(wǎng)格數(shù)量為30015，壓邊圈的網(wǎng)格數(shù)量為9072。防撞梁熱沖壓模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2? 結(jié)果分析

2.1 防撞梁熱沖壓成形的溫度場(chǎng)分布規(guī)律

防撞梁在不同時(shí)刻下的溫度場(chǎng)分布如圖5所示。在熱沖壓過(guò)程中，可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段時(shí)間為2.25s，為沖壓成形階段;第二個(gè)階段時(shí)間為10s，為防撞梁淬火階段。圖5（a）為壓邊圈壓住毛坯時(shí)的溫度場(chǎng)，從圖中可以看出工件上溫度較低的區(qū)域出現(xiàn)在防撞梁的法蘭上且法蘭兩端溫度最低，這是因?yàn)榘寄３蕛深^高中間凹的形狀，高溫的毛坯放在凹模上時(shí)，毛坯的兩端首先接觸凹模，巨大的溫差使得毛坯與凹模之間發(fā)生強(qiáng)烈的熱傳遞作用，這時(shí)毛坯其他地方發(fā)生的是散熱較慢的自然對(duì)流。隨著壓邊圈的作用，毛坯發(fā)生形變與凹模貼合，由于防撞梁為雙U型，毛坯有三塊區(qū)域處在壓邊圈和凹模中間發(fā)生雙面熱傳遞，而此時(shí)凹槽區(qū)域的毛坯仍然是自然對(duì)流散熱，熱量散失得比較少，所以凹槽處的溫度是最高的。圖5（b）為沖壓結(jié)束時(shí)刻的溫度場(chǎng)，防撞梁上凹槽處中心處溫度最高為729.8℃，而法蘭兩端邊緣處的溫度最低為621.3℃。圖5（c）為淬火結(jié)束時(shí)刻的溫度場(chǎng)，防撞梁溫度最高處仍然是凹槽中心為243℃，溫度最低處也是法蘭兩端邊緣處為42.6℃。從整體來(lái)看，防撞梁的溫度場(chǎng)的分布規(guī)律為從凹槽區(qū)域逐漸向法蘭區(qū)域降低，溫度梯度連續(xù)。這是因?yàn)樵跊_壓的過(guò)程中，毛坯各區(qū)域由于模具的作用而散熱量不同，造成了防撞梁上存在了溫度差，而高溫區(qū)域的熱量會(huì)自發(fā)的往低溫區(qū)域傳遞，使得整個(gè)溫度場(chǎng)變化具有連續(xù)性。另外，沖壓過(guò)程中毛坯的塑性變形能、毛坯與模具之間的摩擦熱也會(huì)使防撞梁的溫度場(chǎng)得到新的平衡。

圖6為防撞梁淬火后溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的冷卻曲線，溫度最高點(diǎn)位于防撞梁凹槽中心處，溫度最低點(diǎn)位于法蘭端處。在沖壓剛開(kāi)始階段凹槽處沒(méi)有接觸到模具，該區(qū)域的散熱為自然對(duì)流散熱，溫度下降較為緩慢;沖壓1.3s后模具作用到凹槽區(qū)域后，在凹槽與模具的巨大溫度差下產(chǎn)生劇烈的熱傳遞作用，溫度迅速的下降。而法蘭兩端處從沖壓開(kāi)始到結(jié)束都與模具接觸，該區(qū)域一直保持較快的速度下降。到了淬火階段中，模具內(nèi)部通入冷水而保持在較低的溫度，使得模具和工件的溫度差一直存在，工件的溫度均保持迅速下降的趨勢(shì)，但是法蘭端處的溫度要比凹槽處溫度下降得更快。發(fā)生形變的硼鋼馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms為400℃左右，馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf為250℃，馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為30℃/s[9]。從圖中可以看出，在淬火過(guò)程中，凹槽處溫度從729.8℃急劇下降到243℃，平均冷卻速度為48.7℃/s，大于馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速度，可以產(chǎn)生馬氏體相變。另外，沖壓結(jié)束后，防撞梁最低溫度為621.3℃，大于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度，這避免了沖壓成形過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變阻礙坯料的進(jìn)一步成形;同時(shí)在淬火階段，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉(zhuǎn)變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體，力學(xué)性能得到提高。

2.2 模具溫度對(duì)淬火過(guò)程防撞梁溫度場(chǎng)的影響

模具溫度的不同防撞梁熱成形后的溫度場(chǎng)分布也會(huì)有差異，對(duì)防撞梁的應(yīng)力場(chǎng)分布也會(huì)有影響，進(jìn)而影響制件的質(zhì)量;另外模具的溫度越低，在生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)模具的冷卻系統(tǒng)要求就越嚴(yán)格。圖7為不同模具溫度時(shí)防撞梁上最大溫度節(jié)點(diǎn)的冷卻曲線，從圖中可以看出，淬火到第10s的時(shí)候，模具溫度為25℃～60℃的防撞梁上最高溫度節(jié)點(diǎn)已經(jīng)冷卻到了馬氏體終了溫度250℃以下，而模具溫度為80℃～100℃的防撞梁最高溫度節(jié)點(diǎn)的冷卻溫度大于265℃，馬氏體轉(zhuǎn)變還沒(méi)有結(jié)束，需要更長(zhǎng)的淬火時(shí)間。但是模具的溫度越低，成形的防撞梁的溫度場(chǎng)分布越不均勻，溫度梯度越大，造成的熱應(yīng)力就越大，容易在直壁和凹槽處出現(xiàn)變形和開(kāi)裂。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)制件的精度及品質(zhì)要求不高，只是為了追求高效益，就可以選擇較低的模具溫度。如果對(duì)制件的精度要求較高或是特殊材料的成形可以選擇較高模具溫度。

3? 結(jié)論

①在本文設(shè)定的計(jì)算條件下，模具為25℃時(shí)，淬火結(jié)束后防撞梁的溫度為42.6℃～243℃，防撞梁的溫度分布不均勻，存在一定的溫度梯度。防撞梁在熱成形模具冷卻條件下，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉(zhuǎn)變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體，力學(xué)性能得到提高。

②模具的溫度對(duì)防撞梁熱成形后的溫度場(chǎng)分布有較大的影響，模具溫度為25℃～60℃時(shí)可滿足企業(yè)高效率生產(chǎn)的要求。

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