李萬

一、引言

從1973年Norrbottens Jernverk 率先開發(fā)出熱成形工藝至今，熱成形技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，目前全球熱成形生產(chǎn)線超過 110 條。相對于冷沖壓模具，熱成形模具的使用壽命普遍不高，勢必造成模具的制造和使用成本增加，影響熱成形件在車身制造中的使用和推廣。熱成形是冷沖壓與熱處理相結(jié)合的新型沖壓工藝，接觸關(guān)系及邊界條件非常復(fù)雜，是一個熱力耦合的過程。模具既承受來自高溫板料加熱及冷卻水冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)力，又受到來自機(jī)械設(shè)備施加的機(jī)械應(yīng)力，模具工作環(huán)境非常惡劣，對模具性能研究相當(dāng)有必要。在模具性能研究方面，S.H. Tang和 Xi-Ping Li等人通過有限元法對注塑模具進(jìn)行熱分析，研究熱應(yīng)力對模具性能的影響及造成的失效形式。R. deOliveira等人通過實(shí)驗(yàn)對比分析不同模具材料用于碳纖維復(fù)合材料加工對模具熱應(yīng)變的影響。D. Firrao通過模具材料微觀結(jié)構(gòu)研究，分析不同模具材料對模具表面及里層疲勞和斷裂韌性的影響。上述學(xué)者在模具性能研究方面做了大量創(chuàng)新性的工作，但并沒有涉及熱成形模具熱力耦合分析。實(shí)際生產(chǎn)中，熱成形模具在承受機(jī)械應(yīng)力的同時受到自身溫差引起的熱應(yīng)力，導(dǎo)致模具溫度與應(yīng)力的相互關(guān)系及變化規(guī)律錯綜復(fù)雜。鑒于實(shí)驗(yàn)測量的困難性，本文通過對熱成形進(jìn)行熱力耦合數(shù)值模擬，揭示模具溫度與應(yīng)力的相互關(guān)系及變化規(guī)律，以填補(bǔ)國內(nèi)外空白。

淬火過程中高溫區(qū)主要分布在模具型面，凹凸模圓角出現(xiàn)溫度集中。這是由于凹凸模圓角最先接觸板料且接觸時間最長，受限于模具冷卻能力，熱量堆積造成模具圓角溫度集中。對比于 發(fā)現(xiàn)，模具應(yīng)力集中與溫度集中區(qū)域均出現(xiàn)在模具圓角。由于模具溫度集中產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力在模具應(yīng)力中所占比重較大，造成凹凸模圓角應(yīng)力集中。此外發(fā)現(xiàn)，模具應(yīng)力由不均勻分布到沿模具型面分布。因?yàn)榇慊饡r需對模具施以很大的保壓壓力，機(jī)械應(yīng)力的引入造成淬火初期模具應(yīng)力分布不均勻。隨著淬火的進(jìn)行，熱應(yīng)力隨溫度變化而變化，而機(jī)械應(yīng)力為常量，溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力逐漸起主導(dǎo)作用，熱應(yīng)力的參與改變了模具應(yīng)力分布狀態(tài)。

二、熱成形工藝數(shù)值模擬分析

隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)施和數(shù)值模擬軟件的快速發(fā)展， CAE 技術(shù)在汽車制造業(yè)領(lǐng)域取得了令人矚目的成績。沖壓 CAE 商用軟件主要有 Autoform、Dynaform、Pam-Stamp 等，在車身沖壓方向得到了廣泛的應(yīng)用。針對熱成形模具溫度與應(yīng)力相互關(guān)系及變化規(guī)律的復(fù)雜性，應(yīng)用ABAQUS 軟件對超高強(qiáng)鋼板熱成形過程進(jìn)行熱力耦合數(shù)值模擬。對多個熱成形循環(huán)進(jìn)行仿真分析，待模具溫度處于動態(tài)平衡狀態(tài)，獲取模具隨時間變化的溫度場和應(yīng)力場。以模具溫度作為輸入載荷，對模具進(jìn)行熱應(yīng)力分析，獲取相應(yīng)的模具熱應(yīng)力場。在無熱傳遞條件下，對模具進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力分析，并獲取模具機(jī)械應(yīng)力隨時間的變化曲線。通過對比方法，分析模具溫度與模具應(yīng)力、熱應(yīng)力的相互關(guān)系及變化規(guī)律；研究模具應(yīng)力中熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力所占的比重。

（1）隨著冶煉技術(shù)的快速發(fā)展，鋼鐵企業(yè)開發(fā)出輕質(zhì)高強(qiáng)度的超高強(qiáng)度鋼板。超高強(qiáng)鋼板具有很高的抗拉強(qiáng)度，足夠的韌性，極大的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比），以減輕構(gòu)件的重量，而且有良好的焊接性能。超高強(qiáng)鋼板的使用既滿足汽車安全性能要求，又兼顧汽車輕量化需求。所以，超高強(qiáng)鋼板越來越多的應(yīng)用于車身制造中，能在滿足車身輕量化的同時，極大的提高汽車的碰撞安全性能。然而，超高強(qiáng)鋼板在常溫下屈服強(qiáng)度高，成形性能差，延伸率較低，采用傳統(tǒng)的冷沖壓工藝加工容易出現(xiàn)開裂、起皺、回彈、尺寸不易控制、成形抗力大、成形設(shè)備噸位高等問題。在此背景下，熱沖壓成形技術(shù)的開發(fā)成為解決高強(qiáng)鋼零件沖壓成形問題的關(guān)鍵，并在汽車制造業(yè)得到的廣泛關(guān)注。

（2）為了研究淬火工藝參數(shù)對模具冷卻性能的影響，借助 MPCCI 耦合ABAQUS 和 FLUENT 軟件，對熱成形淬火階段進(jìn)行熱流固耦合數(shù)值模擬，分析模具冷卻性能對淬火工藝參數(shù)的敏感性。對模具溫度進(jìn)行動平衡分析，獲取平衡狀態(tài)下沖壓終了時模具溫度場，作為敏感性分析時模具的初始溫度場。通過改變淬火工藝參數(shù)：保壓壓力、淬火時間、冷卻水溫度、冷卻水流速，對熱成形的保壓淬火過程進(jìn)行熱流固耦合分析，獲取模具冷卻性能評價指標(biāo)數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以及圖形對比方法，分析各淬火工藝參數(shù)對模具冷卻性能的影響規(guī)律；研究模具冷卻性能各評價指標(biāo)對各淬火工藝參數(shù)的敏感性。熱成形是冷沖壓與熱處理相結(jié)合的新型沖壓工藝，過程涉及幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等問題。此外，熱成形過程具有應(yīng)力場、溫度場、相變場及流場等多物理場耦合的特性，由此給熱成形仿真計(jì)算帶來了多學(xué)科、多領(lǐng)域相互交叉的復(fù)雜問題。為了深入了解熱成形相關(guān)的仿真分析理論，本章將簡單介紹：有限元分析理論，傳熱分析理論，熱力耦合分析理論，熱流固耦合分析原理。

有限元分析方法，即使用有限單元離散需要分析的物理系統(tǒng)，并利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，從而用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)的分析方法。熱成形過程具有高度非線性的特點(diǎn)，借助有限元分析方法，可以對熱成形過程進(jìn)行模擬。時下最流行的熱成形仿真分析軟件是 ABAQUS，使用 ABAQUS/Explicit 模塊可對熱成形進(jìn)行有效分析。

三、虛功原理

虛功原理作為求解力學(xué)有限元的基礎(chǔ)，時虛位移原理及虛應(yīng)力原理的統(tǒng)稱，可以表述為：對于一個處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，當(dāng)滿足許可位移條件的虛位移時，系統(tǒng)上所有的虛功總和恒為零，即體系外力的虛功與內(nèi)力的虛功之和為 0針對熱成形模具溫度與應(yīng)力相互關(guān)系及變化規(guī)律的復(fù)雜性，應(yīng)用 ABAQUS對多個熱成形循環(huán)進(jìn)行仿真分析，研究了模具溫度、應(yīng)力、熱應(yīng)力的相互關(guān)系及變化規(guī)律，并通過對比方法，分析了熱成形模具中應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力所占比重，得到如下結(jié)論①模具圓角與板料接觸最早且接觸時間最長，模具圓角處產(chǎn)生熱應(yīng)力集中。②在一個熱成形循環(huán)中，模具溫度在淬火初期達(dá)到最大值，隨著淬火的進(jìn)行，模具溫度冷卻速度逐漸減小。③模具熱應(yīng)力在 2.5s 內(nèi)改變 325Mpa，模具熱應(yīng)力較高的變化頻率及過大的變化幅值，極易造成模具熱疲勞。④模具溫度與熱應(yīng)力曲線對比表明：溫差是產(chǎn)生熱應(yīng)力的原因，模具熱應(yīng)力隨著溫度波動變化。⑤模具應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力比例為：11.25：10.31：1，由此可知，模具應(yīng)力中熱應(yīng)力比重較大。