高强钢拼焊板热冲压成形数值模拟研究

贺文 刘红生

【摘 要】拼焊板热冲压成形涉及复杂热力耦合和流固耦合问题，采用实验方法难以揭示其成形机理。在确定焊缝区材料温度相关应力应变曲线的基础上，构建拼焊板热冲压成形过程的热力耦合数值模型和热冲压成形后保压冷却过程的流固耦合数值模型。采用所见数值模型对高强钢拼焊热冲压成形进行了数值模拟研究，给出了工艺参数对成形质量的影响规律。

【关键词】高强钢，热冲压，数值模拟

引言

高强钢的热冲压成形工艺应用软件仿真方法，可通过有限元数值模型，有限元仿真对于板材成形有三种类别的算法：显式与隐式算法以及一次成形法[1]。研究板材在冲压变形时温度、应力分布情况，研究板材热冲压成形中受各种工艺参数的作用机制，可提高高强钢在实际热冲压技术中的生产制造效率。一般用有限元仿真模拟分析材料热冲压成形过程中，包括零部件的冲压变形成形性、保压淬火后组织和力学性能以及回弹对成形精度的影响，这些软件仿真分析都必须综合考虑温度的影响机制。探索板料变形、温度场分布以及残余应力分布受到热冲压工艺参数的影响规律，可获得更加系统化、理论化的超高强度钢的热冲压成形工艺，能够有效辅助零件设计开发、结构优化、产品周期、工艺成本中存在的问题[2]。Erman等用有限元中仿真材料热力学下的变化机制[3]，结果发现两个软件的协同工作可建立热力耦合的计算过程，并减少了一些计算时间。朱巧红等通过构建高强钢热冲压的数值模型[4]，用有限元软件仿真分析了板材成形温度、模具型腔温度和冲压行程速率等在热冲压件成形质量、应力和温度的作用机制。Xing等用实验性能数据构建仿真模型[5，6]，研究改变热冲压成形中板材受到压边力、模具的圆角和间隙大小，将会在回弹变形量上有的何种作用机制。提出利用ABAQUS仿真软件研究分析22MnB5高强钢-Q235钢拼焊板U形件的热冲压成形过程。利用Abaqus/Standard模块模拟热冲压成形的热力耦合过程，采用Abaqus/CFD和Abaqus/Standard两个板块模拟保压冷却的流固耦合过程。通过仿真分析板料热冲压成形中的应力场和温度场，为揭示拼焊板热冲压成形机理提供技术支持。

1. 热冲压变形过程热力耦合数值模拟

1.1 有限元模型

1、几何模型

以汽车B柱（见图1）作为研究对象，但B柱形状复杂，其热冲压变形模式较单一，故通过将U形件（见图2）热冲压成形进行数值模拟研究汽车B柱热冲成形，可大幅降低计算时间。

2、网格划分

有限元网格的划分是数值建模中的关键。热冲压仿真计算是一个热力耦合分析过程，划分合适的网格对计算精度和计算时间尤其重要。网格划分需考虑力学和温度特性，在应力梯度较小区域可分布较大网格，而在模具圆角接触力较大的部位需要细化网格。网格的大小与计算量直接相关，与冷冲压过程有限元模拟不同，热冲压成形涉及热力耦合，其计算量大大增加，因此，网格的划分对计算量影响更大。网格最终划分如图3所示，在焊缝区域及模具与板材接触变形区域进行网格加密处理，最终得到板材48000个网格、凸模15000和凹模14000个网格。

2成形过程数值模拟

应用Abaqus/Standard模块对22MnB5高强钢-Q235钢拼焊板热冲压成形过程模拟分析。为研究板材不同初始温度对热冲压成形的影响，对模具和环境初始温度统一设置为20℃，设置不同初始温度（700℃、750℃、800℃、850℃、900℃），对板料初始温度850℃，冲压速度为30mm/s热冲成形过程进行数值模拟。图4为热冲压成形时刻为2.4s时板材上的温度和等效应力分布。

不同初始成形温度板材成形后的温度场和应力场的变化情况，成形件的应力随初始成形温度的升高而降低，温度随之升高。22MnB5高强钢区应力和温度的数值最大，焊缝区域次之，且22MnB5高强钢和Q235钢在冲压过程中与模具间热传导后，两者的应力差值随初始成形温度的升高而逐渐减小，而温度差值则逐渐增大。可看出，在热冲压过程中，成形时间短，致使板材和模具没有进行更多的热传递、空气中的散热量也少，板材降温效果不明显，为满足硼钢的淬火效果，还需要进行通水冷却的流固耦合模拟。

3 拼焊板热冲压成形保压过程流固耦合数值模拟

根据热力耦合模拟仿真冲压成形过程后的温度场，得到热力流固耦合中的初始温度场。仿真计算出在水流速1.5m/s下通水冷却7s后的温度长分布，如图5所示。水冷時间是影响热冲压成形件力学性能的重要工艺参数。从各工艺参数所得结果可总结出冷却时间对温度场的影响，如图5所示。

从图6可看出，随水冷时间的增大成形件温度越低，特别是在前期高温时冷却效果变化幅度最大，当水冷时间超过10s后，随时间的增长，温度的降低变化量逐渐减小，则冷却效果增强幅度没有前期明显。当水冷时间为10s时，22MnB5高强钢区域温度在200℃以下，满足马氏体转化要求的冷却速率27℃/s以上，综合考虑生产效率和成本等问题，水冷10s为最佳的水冷时间参数，这为后续22MnB5高强钢-Q235钢拼焊板热冲压成形试验提供有效且真实的理论参数理论数据。

4 结论

通过研究可得到如下结论：

（1）所构建的高强钢拼焊板热冲压成形数值模型是可靠的;

（2）采用该数值模型计算所得的温度场和应力分布是合理的;

（3）通过数值模拟得到了关键工艺参数水冷时间对温度的影响规律;

（4）采用所建立的数值模型可对热冲压成形工艺进行理论分析。

本论文获得福建省工业高校产学合作科技重大项目（项目编号：2017H6012）支持。

参考文献：

[1]李明昆. 板料成形的计算机数值模拟仿真技术[J]. 锻压装备与制造技术，2006，41（4）：95～97.

[2]徐勇. 超高强度可淬火钢板热成形工艺数值模拟研究[D].长春：吉林大学，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]朱巧红.热成形模具热平衡分析及冷却系统设计优化[D].上海：同济大学硕士学位论文，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.

（作者单位：1.华侨大学机电及自动化学院;2.福建省特种能场制造重点实验室;3. 华侨大学厦门市数字化视觉测量重点实验室）