基于多維度物理參數影響的超高強鋼熱成形冷卻流場仿真分析

張泉達，李蕙宇，孫福臻，吉日格勒，劉子知

基于多維度物理參數影響的超高強鋼熱成形冷卻流場仿真分析

張泉達，李蕙宇，孫福臻，吉日格勒，劉子知

（北京機科國創輕量化科學研究院有限公司，北京 101407）

研究關鍵參數對超高強鋼熱成形模內淬火效果的影響規律，合理選擇模具材料和冷卻流場空間結構，達到冷卻淬火后材料中條狀馬氏體含量最大的目的。利用流體仿真軟件Star–ccm+對超高強鋼熱成形模具冷卻流場進行有限元模擬分析，采用7種不同熱導率的熱成形模具材料和直徑為15、20、25、30、35 mm的冷卻管道管徑，研究模具熱屬性及冷卻管道分布的結構屬性對板材淬火效果的影響規律。板材H13冷卻效果最好，達到淬火標定冷卻溫度用時更短，熱成形工藝冷卻效率明顯提升。冷卻管道管徑為35 mm的模具冷卻效果最好，達到溫度峰值時間更短，散熱更快，為冷卻流場空間結構提供優化參考。結合理論分析可知，模擬結果的熱傳遞規律合理，仿真模具對超高強鋼熱成形模內淬火工藝的制定有一定的指導意義。

熱成形模具；冷卻流場；有限元模擬分析；熱屬性；模型優化；板材淬火工藝

近年來，為滿足汽車行業逐年提高的節能減排需求和安全要求，國內將汽車輕量化作為推進汽車工業可持續發展的重要研究方向。汽車輕量化是指在保證汽車強度和安全性能的前提下，通過優化車體結構和研究應用輕質材料來降低整車質量，進而達到節能減排的目的[1]。為適應這種發展趨勢，汽車廠商在車身設計時會優先選用質量輕、強度高、性價比高的超高強鋼。由于超高強鋼常溫下成形困難，因此超高強鋼熱成形技術的優化十分關鍵[2-4]。熱成形冷卻過程中，奧氏體轉變為馬氏體，馬氏體尺寸越小則成形件強度越高，這一相變過程由模具的冷卻效果控制，冷卻效果決定了超高強鋼熱成形的質量。影響冷卻效果的主要因素為板材熱模擬參數以及冷卻管道的設計[5-7]，因此，板料選型和熱成形模具冷卻系統的設計是優化熱沖壓成形技術的核心內容[8-10]。

目前國內外針對超高強鋼熱成形領域的研究主要集中在通過參考技術人員的經驗或開展大量的試驗進行冷卻系統的設計和板材的選型，并未充分考慮板料與冷卻系統之間的關系，因此很少使用流體仿真軟件對成形模具進行模擬分析。由于過度依賴經驗，板材優化的效果十分有限，導致進行大量的試驗仍得不到良好的優化效果，試驗進度緩慢且難以進行創新，同時也造成了極大的板料浪費和模具浪費[11-13]。因此需要結合專用CFD軟件，用軟件模擬分析代替現場試驗，這會大大增加試驗的容錯率，同時也能有效節約時間和減少浪費。Star–ccm+是一種專業性很強的流體模擬軟件，界面設計貼合實際試驗操作，能夠較好地達到熱成形模擬的需求[14-15]。

文中結合熱成形冷卻平臺模具，對7種板材進行參數化模擬，獲得板材快速冷卻溫降數據，對板材選型進行優化研究，以結果最好的板材參數為標準，對模具冷卻管道進行模型修改，所得冷卻仿真數據能夠驗證該熱成形模具仿真物理模型的實用性，為模具冷卻系統提供優化參考。

1 冷卻流場模型分析

研究對象為板材快速冷卻平臺模具，如圖1所示。該模具由冷卻管道、冷卻平臺模具和板材組成，冷卻管道直徑為20 mm，長為75 mm，板材尺寸為50 mm′75 mm′2 mm。

冷卻平臺模型可分為冷卻水流體域、冷卻平臺模具區域以及高溫板材區域，其主要物理模型選型如表1所示。冷卻水模型選用標準的K–Epsilon湍流耦合流體，設定20 ℃恒溫冷卻水以3 m/s勻速流過冷卻管道，同時施加一定的邊界條件，使流體域冷卻水的位移、速度、壓力等參數始終不變[16-18]。固體區域統一使用軟件數據庫鋼材（Wrought iron）模型，冷卻平臺模具使用鋼材原始參數，初始溫度設定為25 ℃，高溫板材模型參數根據7種板材的熱模擬系數測試數據依次進行更改。施加邊界條件，環境溫度設定為恒溫20 ℃，兩區域之間交界位置形成接觸壁面，設置接觸壁面為傳熱壁面，傳熱方式為對流傳熱[19-20]。

圖1 板材快速冷卻平臺模具

表1 冷卻平臺物理模型選型

Tab.1 Physical model selection of cooling platform

2 冷卻流場模擬仿真分析

2.1 冷卻流場仿真試驗方案

冷卻流場模擬仿真試驗的方案流程如圖2所示。將試驗板材熱模擬系數代入板材溫降仿真試驗，得出最優板材參數，為優化后續試驗效果，模具冷卻流場測試試驗及冷卻管道優化模擬試驗均使用上述試驗的最優板材物理模型參數，將其試驗結果應用于熱沖壓淬火工藝。

圖2 冷卻流場模擬方案流程

板材溫降試驗流程。選取7種常用鋼材HHD、L606、L707、DIVER、H13、K353和W360，分別測定其在600、650、700、750、800 ℃下的主要熱模擬系數，即熱擴散系數、導熱系數和比熱容。將板材熱模擬系數代入Star?ccm+中進行溫降仿真試驗，通過更改板材參數實現7種鋼材物理模型的替換，模具冷卻時間設定為1 s。結合傳熱學公式對溫降試驗結果進行分析，合理選擇冷卻效果最好的板材，為后續試驗提供更好的熱模擬參數。

模具冷卻流場測試試驗流程。冷卻平臺模具由冷卻管道上表面至板材下表面形成溫度差，在此區域內等間距選取9個點，試驗時間設定為1 s，觀察各試驗點的溫降趨勢。該試驗重點關注模具內部溫度變化及傳熱規律，驗證模具的合理有效性。隨后進行5個初始溫度板材的冷卻模擬試驗，試驗時間設定為1 s，對試驗結果進行后處理，得到模具溫度云圖及冷卻溫降曲線，驗證該模具與常規熱成形模具冷卻趨勢的異同，為冷卻管道提供優化參考。

冷卻管道優化模擬試驗流程。修改模具冷卻管道模型，等間距選取直徑為15、20、25、30、35 mm的試驗管徑，如圖3所示。模具和冷卻水參數不變，設置材料為H13板材，初始溫度為800 ℃。常規熱成形冷卻試驗達到淬火狀態一般需要8～10 s，故取其中間值，設定該試驗時間為9 s，完成冷卻管道優化模擬試驗。

圖3 冷卻管道優化方案

2.2 結果與分析

溫降試驗結果分析。文中采用試驗模具仿真了超高強鋼熱成形淬火過程中的快速冷卻階段，板材冷卻前后溫差越大，達到淬火標定冷卻溫度越快，結合傳熱學熱擴散系數公式進行分析[21-22]。傳熱學熱擴散系數公式見式（1）。

式中：為熱擴散系數；為導熱系數；為比熱容。

由式（1）可知，分母是單位體積的板材溫度升高1 ℃所需的熱量，可知比熱容越低，板材降低溫度所需的能量就越少。熱擴散系數與比熱容成反比，則在密度不變的情況下，熱擴散系數越高，板材降溫越快。

板材熱模擬系數和冷卻前后溫度差如圖4所示。結果表明，在5個初始溫度下冷卻前后溫度差最大的均為H13板材，觀察圖4b和4d可知，板材冷卻溫差曲線趨勢與比熱容曲線趨勢成反比，H13的熱擴散系數最大，比熱容最小，溫降試驗結果與傳熱公式分析吻合，可知H13板材冷卻效果最好，為使淬火后材料中條狀馬氏體含量最大，選用冷卻效果最好的板材，有效優化熱成形工藝路徑。

模具冷卻流場測試試驗及模具優化分析。模具內部不同位置傳熱效果會有少量差異，由于材料密度、傳熱距離和環境參數等不可控的實際因素，使模具在傳熱壁面與地面間形成溫度差。模具梯度冷卻試驗示意圖及溫度變化曲線如圖5所示，該試驗對模具內部不同位置點的溫度變化進行測試，其溫降曲線趨勢具有一定差異，但整體趨勢呈現升溫。其中，與板材距離越近的點傳熱效率越高，模具由傳熱壁面至冷卻流體處進行梯度傳熱，傳熱方式符合熱力學第二定律，經驗證該模具物理模型具備合理性和有效性，可為模具快速冷卻試驗提供參考。

圖4 板材熱模擬系數和冷卻前后溫度差折線圖

圖5 模具梯度冷卻試驗示意圖及溫度變化曲線

試驗測試了不同初始溫度板材對仿真模具傳熱規律的影響，板材參數變化導致模具傳熱效率發生變化，模具冷卻流場測試試驗后處理溫度云圖及板材溫降曲線如圖6和7所示。試驗結果表明，額定冷卻時間內，初始溫度為750 ℃的板材溫降曲線趨勢更為平緩，板材冷卻后溫度最高，模具冷卻效果最差。

圖8為彎板零件熱成形淬火示意圖。為驗證上述仿真試驗的實用性，利用彎板模具進行實際板材熱成形淬火冷卻試驗，該對比試驗流程及條件設置與仿真實驗保持一致。試驗結果如表2所示，對比分析仿真模具與實際熱成形模具板材淬火試驗數據發現，其誤差不超過20%，仿真模具實用性高，可實現仿真模具對熱成形模具板材淬火冷卻流場的測試功能，可用于選擇最佳模具物理模型，為冷卻管道模型優化提供參考。

圖6 模具冷卻流場測試試驗后處理溫度云圖

圖7 試驗板材溫降曲線

圖8 彎板零件熱成形高溫淬火示意圖

表2 彎板零件淬火冷卻試驗數據

Tab.2 Quenching and cooling test data of bending parts ℃

冷卻管道優化模擬試驗。5種管徑模具及板材溫度變化曲線如圖9所示。試驗結果表明，35 mm管徑的模具溫度峰值更高，達到溫度峰值的速度更快。隨著冷卻管道管徑增大，管壁與板材下表面間距縮小，同時冷卻水流量增大，使模具與冷卻水的熱交換效率增大，可有效提升模具的散熱速度。額定時間內，模具散熱速度更快意味著其所能吸收的板材熱量更多，35 mm管徑模具的板材冷卻后溫度最低，證明板材與模具間傳熱效率加快。板材的溫降速率與管徑大小成正比，管徑越大的仿真模具降溫效果越好，因此，管徑空間結構優化可有效加快板材傳熱速度，提高模具傳熱效率。

圖9 5種管徑模具及板材溫度變化曲線

3 結論

1）板材優化仿真試驗結果表明，板材冷卻前后溫差越大，達到淬火標定冷卻溫度越快，得到了優化試驗板材參數。

2）模具冷卻流場測試試驗結果表明，仿真模具與實際熱成形模具板材淬火試驗數據誤差不超過20%，仿真模具實用性高，可實現仿真模具對熱成形模具板材淬火冷卻流場的測試功能，用于選擇最佳模具物理模型，為冷卻管道模型優化提供參考。

3）冷卻管道優化模擬試驗結果表明，仿真模具實用性高，管徑越大的模具冷卻時間越快，傳熱效率更好，管徑空間結構優化可有效加快板材傳熱速度，提高模具傳熱效率。

[1] 李光霽, 劉新玲. 汽車輕量化技術的研究現狀綜述[J]. 材料科學與工藝, 2020, 28(5): 47-61.

LI Guang-ji, LIU Xin-ling. Literature Review on Research and Development of Automotive Lightweight Technology[J]. Materials Science and Technology, 2020, 28(5): 47-61.

[2] 劉巖, 葉海青, 劉佳朋. 熱成形鋼在汽車輕量化中的應用及其焊接性能研究[J]. 熱加工工藝, 2019, 48(17): 11-14.

LIU Yan, YE Hai-qing, LIU Jia-peng. Application of Hot Forming Steel in Automotive Lightweight and Study on Welding Performance[J]. Hot Working Technology, 2019, 48(17): 11-14.

[3] 支衛軍, 石磊, 肖華. 超高強梁類零件凸包的輥沖成形工藝分析[J]. 模具工業, 2019, 45(5): 22-26.

ZHI Wei-jun, SHI Lei, XIAO Hua. Analysis of Roll-Stamping Process for Convex Hull of Ultra-High Strength Beam Part[J]. Die & Mould Industry, 2019, 45(5): 22-26.

[4] 鄭東升, 劉丹, 羅登, 等. 回火溫度對超高強鋼微觀組織及力學性能的影響[J]. 材料熱處理學報, 2020, 41(12): 90-96.

ZHENG Dong-sheng, LIU Dan, LUO Deng, et al. Effect of Tempering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Ultra-High Strength Steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2020, 41(12): 90-96.

[5] 祁濤, 李建東, 張歡, 等. 超高強鋼熱成形模具溫度場分析及冷卻管道設計[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(21): 138-141.

QI Tao, LI Jian-dong, ZHANG Huan, et al. Temperature Field Analysis and Cooling Pipeline Design of Hot Forming Die for Ultra High Strength Steel[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(21): 138-141.

[6] 姜大鑫, 武文華, 胡平. 高強度鋼板熱成形溫度場數值模擬分析[J]. 工程力學, 2013, 30(1): 419-424.

JIANG Da-xin, WU Wen-hua, HU Ping. Research on Temperature Numerical Simulation of Hot Stamping Process of High Strength Steel[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(1): 419-424.

[7] PAN Feng, ZHU Ping, ZHANG Yu. Metamodel-Based Lightweight Design of B-Pillar with TWB Structure via Support Vector Regression[J]. Computers and Structures, 2009, 88(1): 36-44.

[8] HAN Shan-ling, WANG Zhi-yong, WANG Zhi-peng, et al. Heat-Assisted Hole-Clinching Process for Joining Magnesium Alloy and Ultra-High-Strength Steel[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 115(1/2): 551-561.

[9] YUAN Chang-wang, LI Sheng-ci, HUANG Jia-jin, et al. Effect of Hierarchical Martensitic Microstructure on Fatigue Crack Growth Behavior of Ultra-High Strength Hot Stamping Steel[J]. Materials Characterization, 2021, 174: 111041.

[10] 桂中祥, 張宜生, 王子健. 汽車超高強鋼熱沖壓成形新工藝——選擇性冷卻[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(1): 108-113.

GUI Zhong-xiang, ZHANG Yi-sheng, WANG Zi-jian. A New Technology of Hot Stamping Ultra-High Strength Automobile-Selective Cooling[J]. Hot Working Technology, 2013, 42(1): 108-113.

[11] LIU Hong-sheng, LIU Wei, BAO Jun, et al. Numerical and Experimental Investigation into Hot Forming of Ultra High Strength Steel Sheet[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2011, 20(1): 1-10.

[12] HEIN P. A Global Approach of the Finite Element Simulation of Hot Stamping[J]. Advanced Materials Research, 2005, 522(6/7/8): 763-770.

[13] 林建平, 王立影, 田浩彬, 等. 超高強度鋼板熱沖壓成形研究與進展[J]. 熱加工工藝, 2008, 37(21): 140-144.

LIN Jian-ping, WANG Li-ying, TIAN Hao-bin, et al. Research and Progress of Hot Stamping of Ultrahigh Strength Steel[J]. Hot Working Technology, 2008, 37(21): 140-144.

[14] LIU Wei, LIU Hong-sheng, XING Zhong-wen, et al. Effect of Tool Temperature and Punch Speed on Hot Stamping of Ultra High Strength Steel[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22: s534-s541.

[15] MIKKO H, ATEF H, MARKKU K, et al. Microstructural Evolution and Tensile Strength of Laser-Welded Butt Joints of Ultra-High Strength Steels: Low and High Alloy Steels[J]. Key Engineering Materials, 2021, 6057: 250-257.

[16] 沈海濤, 馬玉圣, 金會會, 等. STAR-CCM+用于變壓器溫度場計算的可行性研究[J]. 浙江電力, 2020, 39(9): 39-43.

SHEN Hai-tao, MA Yu-sheng, JIN Hui-hui, et al. Feasibility Study of STAR-CCM+ for Transformer Temperature Field Calculation[J]. Zhejiang Electric Power, 2020, 39(9): 39-43.

[17] MORI K, MAENO T, NAKAMOTO S. Hot Spline Forming of Ultra-High Strength Steel Gear Drum Using Resistance Heating[J]. Key Engineering Materials, 2014, 3362(622/623): 201-206.

[18] MERKLEIN M, LECHLER J, STOEHR T. Investigations on the Thermal Behavior of Ultra High Strength Boron Manganese Steels within Hot Stamping[J]. International Journal of Material Forming, 2009, 2(1): 259-262.

[19] ANNA-MAIJA A, ANTTI K, VILI K, et al. The Effect of Mechanical Behavior on Bendability of Ultrahigh-Strength Steel[J]. Materials Today Communications, 2021, 26: 101943.

[20] 馬志浩, 劉清霖, 王印, 等. 基于STAR-CCM+建模的管路壓力損失仿真分析[J]. 客車技術與研究, 2019, 41(2): 9-11.

MA Zhi-hao, LIU Qing-lin, WANG Yin, et al. Simulation Analysis of Pressure Loss in Pipes Based on STAR-CCM+ Modeling[J]. Bus & Coach Technology and Research, 2019, 41(2): 9-11.

[21] 張云, 黎軍頑, 李爽, 等. 模具熱導率對熱沖壓成形工藝影響的數值研究[J]. 材料熱處理學報, 2015, 36(S2): 234-241.

ZHANG Yun, LI Jun-wan, LI Shuang, et al. Influence of Thermal Conductivity of Die on Hot Stamping Process by Numerical Simulation[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2015, 36(S2): 234-241.

[22] CHEBBI R. Formulation of Heat Conduction and Thermal Conductivity of Metals[J]. Open Physics, 2019, 17(1): 276-280.

Simulation Analysis of Cooling Flow Field in Hot Forming of Ultra High Strength Steel Based on Multi Dimensional Physical Parameters

ZHANG Quan-da, LI Hui-yu, SUN Fu-zhen, JI Ri-ge-le, LIU Zi-zhi

(Beijing National Innovation Institute of Lightweight Ltd., Beijing 101407, China)

This work aims to master the influence law of key parameters on the quenching effect in the hot forming die of ultra-high strength steel, reasonably select the die material and the spatial structure of cooling flow field, so as to maximize the content of strip martensite in the material after cooling and quenching. The cooling flow field of ultra-high strength steel hot forming die is simulated and analyzed by using the fluid simulation software Star-ccm+. Seven hot forming die materials with different thermal conductivity and cooling pipe diameters of 15, 20, 25, 30 and 35 mm are used to study the influence of die thermal properties and structural properties of cooling pipe distribution on plate quenching effect. The cooling effect of sheet H13 is the best, the time to reach the quenching rated cooling temperature is shorter, and the cooling efficiency of hot forming process is significantly improved. The mold with 35 mm cooling pipe diameter has the best cooling effect, shorter time to reach the temperature peak and faster heat dissipation, which provides an optimization reference for the spatial structure of cooling flow field. Combined with the theoretical analysis, the heat transfer law of the simulation results is reasonable, and the simulation die has a certain guiding significance for the formulation of the quenching process in the hot forming die of ultra-high strength steel.

hot forming die; cooling flow field; finite element simulation analysis; thermal properties; model optimization; plate quenching process

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.004

TG156.1

A

1674-6457(2022)05-0020-07

2021–07–30

中央引導地方科技發展資金（基礎研究項目）（206Z1803G）

張泉達（1986—），男，博士，工程師，主要研究方向為超高強鋼熱成形技術。

責任編輯：蔣紅晨