高強(qiáng)鋼熱沖壓成形性及微觀力學(xué)性能數(shù)值預(yù)測(cè).pdf

1、為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、降低燃油消耗同時(shí)保證碰撞安全性能，高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造汽車車身結(jié)構(gòu)零部件。與傳統(tǒng)冷沖壓成形過程不同，熱沖壓過程包括板料的加熱、成形及淬火流程，是一個(gè)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及相變場(chǎng)相互耦合的復(fù)雜過程。在該過程中，板料及所使用模具的溫度發(fā)生變化，板料的成形性會(huì)由于沖壓工藝參數(shù)及模具設(shè)計(jì)的不合理而發(fā)生惡化，板料內(nèi)部的微觀組織也會(huì)發(fā)生演變。因此，對(duì)熱沖壓過程進(jìn)行準(zhǔn)確建模和數(shù)值預(yù)測(cè)對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際的熱沖壓工業(yè)化生產(chǎn)具有重要

2、的意義。本博士論文針對(duì)高強(qiáng)度鋼板熱沖壓過程中的溫度場(chǎng)、成形性及微觀組織演變進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，主要工作有:
　　(1)基于熱沖壓過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及相變場(chǎng)之間的相互耦合作用，建立了熱、力及相變多物理場(chǎng)相耦合的本構(gòu)方程。通過熱力拉伸試驗(yàn)測(cè)試了材料在高溫奧氏體狀態(tài)下的流動(dòng)力學(xué)性能，研究了溫度及應(yīng)變率對(duì)材料流動(dòng)行為的影響。結(jié)合材料在高溫鐵素體、珠光體、貝氏體及馬氏體狀態(tài)下的流動(dòng)力學(xué)性能，并考慮奧氏體變形時(shí)的等效應(yīng)力對(duì)材料擴(kuò)散型相變

3、動(dòng)力學(xué)的影響，采用動(dòng)力顯式有限元算法開發(fā)了可用于高強(qiáng)度鋼板熱沖壓數(shù)值模擬的有限元軟件King Mesh Analysis System_Hot Stamping(KMAS_HS)。
　　(2)開發(fā)了熱沖壓三維溫度場(chǎng)分析預(yù)測(cè)模塊。概述了熱沖壓的傳熱過程，通過考慮板料微觀組織相變潛熱釋放建立了熱沖壓熱傳導(dǎo)微分方程。結(jié)合熱沖壓瞬態(tài)溫度場(chǎng)問題的初始及邊界條件，采用Galerkin加權(quán)余量法對(duì)熱沖壓三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)微分方程進(jìn)行求解，導(dǎo)出了熱沖

4、壓瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元的一般形式。分別采用溫度殼單元及三維四面體單元對(duì)熱沖壓板料和帶有冷卻系統(tǒng)的模具進(jìn)行有限元離散。采用該分析模塊計(jì)算了U型試件熱沖壓過程中板料、三維實(shí)體模具及模具冷卻管道的溫度分布，并與實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較一致。
　　(3)開發(fā)了熱沖壓板料成形性分析預(yù)測(cè)模塊。分別將四種非耦合的韌性斷裂準(zhǔn)則(Oh、Brozzo、Ayada和Rice-Tracey)和基于全耦合連續(xù)損傷力學(xué)的Lemaitre

5、模型引入到熱沖壓有限元軟件KMAS_HS中，比較了它們對(duì)熱沖壓板料成形性的預(yù)測(cè)能力。進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板在高溫下的成形極限試驗(yàn)，獲得了不同溫度下的成形極限曲線，通過優(yōu)化對(duì)比采用四種非耦合的韌性斷裂準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的成形極限曲線與試驗(yàn)所得曲線，確定了四種韌性斷裂準(zhǔn)則中與溫度相關(guān)的材料臨界常數(shù)。對(duì)熱力拉伸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過優(yōu)化方法、數(shù)值模擬及試驗(yàn)相結(jié)合的方式確定了與溫度和應(yīng)變率相關(guān)的材料損傷參數(shù)。分別采用四種韌性斷裂準(zhǔn)則及Lemaitre損傷力學(xué)模

6、型預(yù)測(cè)了一款汽車B柱在熱沖壓過程中的成形性，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出基于連續(xù)損傷力學(xué)的Lemaitre模型結(jié)合有限元的方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱沖壓過程中的韌性損傷及斷裂。隨后基于該損傷力學(xué)模型又進(jìn)一步研究了壓邊力及摩擦系數(shù)對(duì)熱沖壓板料成形性、損傷演化和凸模力的影響。
　　(4)開發(fā)了熱沖壓微觀組織演變及成形后零件力學(xué)性能分析預(yù)測(cè)模塊。采用Newton-Raphson迭代法對(duì)擴(kuò)散型相變動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解，運(yùn)用Scheil疊加準(zhǔn)則將等溫相

7、變動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于非等溫過程，并考慮奧氏體變形時(shí)的等效應(yīng)力對(duì)擴(kuò)散型相變?cè)杏龝r(shí)間的影響。針對(duì)熱沖壓過程，分別采用Li和(A)kerstr(o)m擴(kuò)散型相變動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合Koistinen-Marburger(K-M)非擴(kuò)散型相變動(dòng)力學(xué)模型模擬汽車B柱熱沖壓過程中的微觀組織演變，采用Maynier硬度模型預(yù)測(cè)成形后零件的力學(xué)性能，并進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明采用Li模型結(jié)合K-M模型的數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。針對(duì)梯度硬度熱沖壓過