高強鋼拼焊板熱沖壓成形數值模擬研究

賀文 劉紅生

【摘?要】拼焊板熱沖壓成形涉及復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理。在確定焊縫區材料溫度相關應力應變曲線的基礎上，構建拼焊板熱沖壓成形過程的熱力耦合數值模型和熱沖壓成形后保壓冷卻過程的流固耦合數值模型。采用所見數值模型對高強鋼拼焊熱沖壓成形進行了數值模擬研究，給出了工藝參數對成形質量的影響規律。

【關鍵詞】高強鋼，熱沖壓，數值模擬

引言

高強鋼的熱沖壓成形工藝應用軟件仿真方法，可通過有限元數值模型，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、應力分布情況，研究板材熱沖壓成形中受各種工藝參數的作用機制，可提高高強鋼在實際熱沖壓技術中的生產制造效率。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制。探索板料變形、溫度場分布以及殘余應力分布受到熱沖壓工藝參數的影響規律，可獲得更加系統化、理論化的超高強度鋼的熱沖壓成形工藝，能夠有效輔助零件設計開發、結構優化、產品周期、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下的變化機制[3]，結果發現兩個軟件的協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。朱巧紅等通過構建高強鋼熱沖壓的數值模型[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量、應力和溫度的作用機制。Xing等用實驗性能數據構建仿真模型[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制。提出利用ABAQUS仿真軟件研究分析22MnB5高強鋼-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力場和溫度場，為揭示拼焊板熱沖壓成形機理提供技術支持。

1. 熱沖壓變形過程熱力耦合數值模擬

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）熱沖壓成形進行數值模擬研究汽車B柱熱沖成形，可大幅降低計算時間。

2、網格劃分

有限元網格的劃分是數值建模中的關鍵。熱沖壓仿真計算是一個熱力耦合分析過程，劃分合適的網格對計算精度和計算時間尤其重要。網格劃分需考慮力學和溫度特性，在應力梯度較小區域可分布較大網格，而在模具圓角接觸力較大的部位需要細化網格。網格的大小與計算量直接相關，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，網格的劃分對計算量影響更大。網格最終劃分如圖3所示，在焊縫區域及模具與板材接觸變形區域進行網格加密處理，最終得到板材48000個網格、凸模15000和凹模14000個網格。

2成形過程數值模擬

應用Abaqus/Standard模塊對22MnB5高強鋼-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，對模具和環境初始溫度統一設置為20℃，設置不同初始溫度（700℃、750℃、800℃、850℃、900℃），對板料初始溫度850℃，沖壓速度為30mm/s熱沖成形過程進行數值模擬。圖4為熱沖壓成形時刻為2.4s時板材上的溫度和等效應力分布。

不同初始成形溫度板材成形后的溫度場和應力場的變化情況，成形件的應力隨初始成形溫度的升高而降低，溫度隨之升高。22MnB5高強鋼區應力和溫度的數值最大，焊縫區域次之，且22MnB5高強鋼和Q235鋼在沖壓過程中與模具間熱傳導后，兩者的應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。可看出，在熱沖壓過程中，成形時間短，致使板材和模具沒有進行更多的熱傳遞、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值模擬

根據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性能的重要工藝參數。從各工藝參數所得結果可總結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，則冷卻效果增強幅度沒有前期明顯。當水冷時間為10s時，22MnB5高強鋼區域溫度在200℃以下，滿足馬氏體轉化要求的冷卻速率27℃/s以上，綜合考慮生產效率和成本等問題，水冷10s為最佳的水冷時間參數，這為后續22MnB5高強鋼-Q235鋼拼焊板熱沖壓成形試驗提供有效且真實的理論參數理論數據。

4 結論

通過研究可得到如下結論：

（1）所構建的高強鋼拼焊板熱沖壓成形數值模型是可靠的;

（2）采用該數值模型計算所得的溫度場和應力分布是合理的;

（3）通過數值模擬得到了關鍵工藝參數水冷時間對溫度的影響規律;

（4）采用所建立的數值模型可對熱沖壓成形工藝進行理論分析。

本論文獲得福建省工業高校產學合作科技重大項目（項目編號：2017H6012）支持。

參考文獻：

[1]李明昆. 板料成形的計算機數值模擬仿真技術[J]. 鍛壓裝備與制造技術，2006，41（4）：95～97.

[2]徐勇. 超高強度可淬火鋼板熱成形工藝數值模擬研究[D].長春：吉林大學，2010.

[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設計優化[D].上海：同濟大學碩士學位論文，2007.

[5]Geiger?M， Merklein.?Basic?investigations?on?the?hot?stamping?steel?22Mn B5 [J].Advanced Materials Research，2005，（6）：795～804.

[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.華僑大學機電及自動化學院;2.福建省特種能場制造重點實驗室;3. 華僑大學廈門市數字化視覺測量重點實驗室）