基于ABAQUS 汽車前防撞梁熱沖壓成形應(yīng)力場的研究

王洪廣，岑升波

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

前防撞梁作為汽車正面碰撞時最重要的安全防線，其安全使用性能直接影響到車內(nèi)乘客的安全，所以防撞梁的安全性能不容忽視。目前在輕量化的大背景下，高強(qiáng)度的22MnB5 鋼是防撞梁的主要生產(chǎn)材料，相比普通鋼材，其具有較高的比強(qiáng)度，大量使用可以顯著降低汽車車身的總重量。但是高強(qiáng)鋼22MnB5的缺點(diǎn)也很明顯，其常溫下的塑性變形能力較差，在采用冷沖壓成形工藝時容易出現(xiàn)回彈開裂的問題，很多學(xué)者研究了高強(qiáng)鋼的熱沖壓成形工藝[1-2]。而熱沖壓成形工藝可以有效的解決這些問題[1-2]。目前，數(shù)值模擬是研究熱沖壓成形工藝最常使用的方法，該方法可以快速模擬不同工藝參數(shù)下工件的成形情況，方便優(yōu)化工藝參數(shù)，加快生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[3-5]。但是這些研究大都采用的是AUTOFORM、DYNAFORM 等沖壓仿真軟件，而本文采用的是功能強(qiáng)大的ABAQUS 軟件，且本文所討論的防撞梁呈雙U 型，側(cè)壁垂直、深度大，成形更加困難。

高強(qiáng)鋼22MnB5 的熱沖壓工藝是把毛坯加熱到奧氏體化溫度后放入模具中進(jìn)行沖壓成形，然后在模具中冷卻淬火，板材組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度的馬氏體組織。在成形的過程中，板材即受到?jīng)_壓成產(chǎn)的變形力，又受到溫度變化帶來的熱應(yīng)力，成形后的殘余應(yīng)力有可能會造成防撞梁開裂，或者是在防撞梁的服役過程中和外荷載相互疊加降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，使防撞梁的安全使用性能降低，因此防撞梁熱沖壓成形過程的應(yīng)力場研究具有重要的實(shí)用價值。

本文基于ABAQUS 熱力耦合有限元方法，建立了22MnB5 鋼的熱-彈塑性有限元模型，對汽車前防撞梁熱沖壓成形過程中應(yīng)力場進(jìn)行了研究，分別計算了不同預(yù)熱溫度對防撞梁的變形力的影響，并分析了防撞梁在850 ℃預(yù)熱溫度下熱沖壓過程和淬火過程中的應(yīng)力分布場的變化規(guī)律。

1 汽車前防撞梁有限元模型的建立

1.1 建立幾何模型

某品牌轎車的前防撞梁如圖1 所示，結(jié)構(gòu)為雙U型，整體尺寸為長1 068.5 mm、寬135 mm、弧度為22°，厚度為1mm，材料為22MnB5 鋼。

圖1 某汽車前防撞梁

圖2 防撞梁熱沖壓成形的裝配圖

1.2 定義材料屬性

防撞梁的材料先是從常溫預(yù)熱到奧氏體化溫度，然后在熱沖壓的過程中逐漸冷卻到室溫，溫度的劇烈變化將導(dǎo)致材料組織發(fā)生變化，這對材料的力學(xué)性能影響很大，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[6]。

圖3 22MnB5 鋼在不同溫度下塑性應(yīng)力應(yīng)變

材料的熱物理性能和力學(xué)性能都會隨著溫度的變化而發(fā)生改變，22MnB5 鋼的泊松比、楊氏模量以及熱熔、熱傳導(dǎo)率隨溫度的變化曲線如圖4 所示[7-8]。溫度對材料的密度和線膨脹系數(shù)影響較小，一般可以把這兩個參數(shù)看作是常數(shù)，22MnB5 鋼的密度為7 850 kg·m-3，線膨脹系數(shù)為1.3 × 10-5。

圖4 22MnB5 鋼在不同溫度下物理性能

1.3 設(shè)置參數(shù)

防撞梁的熱沖壓工藝為壓邊力15 kN、沖壓速度為40 mm/s，壓邊、沖壓和淬火總時間為2.25 s。模具的初始溫度為室溫，板料和模具的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，模具和毛坯之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為750 W/m2/K，毛坯和空氣的自然對流系數(shù)設(shè)為29 W/m2/K，模具與冷卻水的換熱系數(shù)為1 200 W/m2/K?？紤]到不同預(yù)熱溫度對防撞梁成形的影響，分別計算了毛坯溫度為650 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃和950 ℃時防撞梁成形過程中成形力的變化情況。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分技術(shù)為結(jié)構(gòu)，選擇溫度-位移耦合的單元類型，毛坯網(wǎng)格尺寸控制為2.5 mm、網(wǎng)格數(shù)量為59631，模具的網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一為5 mm，凸模網(wǎng)格數(shù)量為23296，凹模網(wǎng)格數(shù)量為30015，壓邊圈的網(wǎng)格數(shù)量為9072。防撞梁網(wǎng)格劃分后的模型如圖2 所示。

2 結(jié)果分析

2.1 毛坯預(yù)熱溫度對防撞梁成形力的影響

材料的力學(xué)性能隨著溫度升高，材料的強(qiáng)度降低而塑性增加，在沖壓的過程中主要表現(xiàn)為毛坯塑性成形的難易程度。對此研究了650 ℃、750 ℃、800℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃預(yù)熱溫度下防撞梁成形的作用力的變化情況，沖壓時時間為1.75 s，得出變形過程中作用力的變化規(guī)律圖5 所示。從圖中可知，隨著毛坯預(yù)熱溫度的升高，沖壓成形的作用力呈減小的趨勢，這是由于溫度升高，高強(qiáng)鋼的硬度降低塑性增加，變形抗力減小，板料易于成形。同時毛坯與模具之間的摩擦系數(shù)首先隨著溫度升高而增大然后800 ℃以后隨著溫度升高而快速下降[9]。在沖壓過程中，溫度越高摩擦系數(shù)越低，毛坯成形受到的阻力越小，也越容易成形。但是并不是溫度越高越好，從鐵碳相圖中看，22MnB5 鋼完全奧氏體化溫度在830 ℃左右，預(yù)熱溫度超過高強(qiáng)鋼的奧氏體溫度過多，將會引起奧氏體晶粒長大，引起晶粒粗大組織不均勻造成成型后的防撞梁性能下降。綜合考慮，在加工工藝過程中可以將板料的預(yù)熱溫度確定在850 ℃～950 ℃之間。

圖5 不同預(yù)熱溫度下毛坯熱沖壓成形過程中的作用力時間曲線圖

2.2 防撞梁熱沖壓成形的應(yīng)力場分布規(guī)律

防撞梁在850 ℃預(yù)熱溫度下熱沖壓成形的應(yīng)力場分布如圖6 所示。圖a）和b）為沖壓階段的應(yīng)力場分布，在此階段工件將受到?jīng)_壓作用的機(jī)械力和溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力。圖a）為沖壓階段0.5 s 時刻，壓邊圈剛好下壓到位，此時凹槽邊緣處的應(yīng)力最大為183.5 MPa，因?yàn)榘疾厶幍臏囟茸罡叨ㄌm處溫度最低，凹槽邊緣處為溫度差最大的地方，所以受到的熱應(yīng)力最大；壓邊圈的作用只是壓住毛坯防止沖壓過程在出現(xiàn)卷邊，法蘭處的形變量并不大，所以形變力也不高，所以此時是熱應(yīng)力占主導(dǎo)。圖b）為沖壓階段2.25 s 時刻，防撞梁沖壓成形剛好結(jié)束，此時中間直壁和凹槽圓弧過渡區(qū)的應(yīng)力都比較大，最高處193.8 MPa，已經(jīng)超過了該溫度下的屈服強(qiáng)度，該區(qū)域在沖壓成形的過程中形變量最大，發(fā)生了劇烈的塑性變形，同時由于模具的冷卻作用，防撞梁直壁處上存在著較大的溫度梯度，熱應(yīng)力的作用也不能忽視，所以此時防撞梁上是形變力和熱應(yīng)力共同作用。圖c）為淬火階段10 s 時刻，防撞梁已經(jīng)淬火結(jié)束，從圖中可以看出，淬火后防撞梁的應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力較大處出現(xiàn)在防撞梁的直壁和凹槽處，這與該時刻的溫度場分布有關(guān)，直壁與法蘭、凹槽與直壁之間的溫度梯度較大，導(dǎo)致這兩個區(qū)域的熱應(yīng)力也較大。同時工件的最高溫度已經(jīng)低于馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)結(jié)束，工件已經(jīng)完成了馬氏體相變，材料力學(xué)性能大大增加，熱脹冷縮造成的應(yīng)力也越大，所以隨著溫度的降低，防撞梁上的應(yīng)力也隨著增大。淬火階段防撞梁沒有繼續(xù)發(fā)生沖壓形變，其所受到的應(yīng)力主要是熱應(yīng)力。

防撞梁淬火后的最大殘余應(yīng)力為418.5 MPa，這是因?yàn)闆_壓的最大塑性變形量發(fā)生在高溫階段，650℃以上22MnB5 的屈服強(qiáng)度只有150 MPa 左右，防撞梁的殘余應(yīng)力主要還是來自淬火后期不均勻溫度場帶來的熱應(yīng)力。淬火后22MnB5 鋼的組織為馬氏體組織，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)1558 MPa，防撞梁的最大殘余應(yīng)力僅僅是抗拉強(qiáng)度的27%，這對防撞梁的安全使用影響較小，可以不考慮去應(yīng)力退火熱處理，因?yàn)樵俅渭訜釋档头雷擦旱膹?qiáng)度。

圖6 不同時刻防撞梁應(yīng)力場分布

3 結(jié)束語

（1）防撞梁的沖壓作用力隨著毛坯預(yù)熱溫度的升高而降低，但在考慮溫度對材料組織性能的影響下，板料的預(yù)熱溫度確定在850 ℃～950 ℃之間為最佳成形溫度。

（2）防撞梁在成形的過程中，其中間直壁和凹槽圓弧過渡區(qū)在劇烈的塑性變形和巨大的溫度梯度的共同作用下，是整個防撞梁應(yīng)力最大的區(qū)域。防撞梁淬火后的最大殘余應(yīng)力為418.5 MPa，而淬火后的22MNB5 鋼的抗拉強(qiáng)度高達(dá)1558 MPa，最大殘余應(yīng)力僅僅是抗拉強(qiáng)度的27%，不會對防撞梁的安全使用造成太大的影響，可以不考慮進(jìn)行去應(yīng)力退火。