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1、 学校代号:学 号:级:公开密湖南大学硕士学位论文车轻量化中的热成形工艺在汽应用研究诠文提童旦期; 生堕?且上上一生堕?旦鱼诠窒筌整目期;.,湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。日期:弘年;月日作者签名:丫慨伺学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件
2、和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于.保密口,在 年解密后适用本授权书。.不保密留。请在以上相应方框内打“”作者签名:略月伊日厉髫翻 日期:枷口年日期:导师签名: 汐日月枷/年椭黪糕豢摹鬻司驴警瓣矧名萏藩&蟊蔷螽热成形工艺在汽车轻量化中的应用研究摘要随着能源危机、交通安全和环境污染的日趋严重,节能、安全、环保已成为世纪世界汽车工业发展的三大趋势。汽车轻量化技术是实现该目标的有效途径之一。优化车身结构设计和采用轻量化材料是汽车轻量化的两大有效途径。其中,轻量化
3、材料包括新型轻质材料和超高强度钢材料。一方面,新型轻质材料,如铝合金、钛合金碳纤维等的不断涌现,为轻量化技术的发展提供了广阔的发展空间;另一方面,热成形工艺的出现,使得抗拉强度在以上的超高强度钢材料在车身上的应用越来越广泛。本文主要内容包括以下几方面:论述了热成形模具冷却系统设计的基本要求,并基于传热学原理计算了冷却管段直径与冷却管道根数之间应满足的关系式;基于材料的弹塑性,建立了冷却管道间距应满足的力学关系式;并将冷却管道模具的力学模型简化为简支梁,根据弯曲强度校核条件,建立了冷却管道与承载型面间距应满足的公式。最后基于上述关系式,设计了“中气”轿车车门防撞梁热成形模具。基于 软件,创新性地
4、将体积流法应用到冷却系统建模中,建立了热成形板料、模具及冷却水流之间的热力耦合模型。在此基础上取车门防撞梁中间一段“”型样件,对其成形和淬火过程进行热力耦合数值模拟,得出了冷却水流速、冷却管道直径、板料初始温度、模具温度及冲压速度等工艺参数对热成形工艺的影响规律;根据成形终了和保压淬火终了时刻板料应力场和温度场的分布,优化模具冷却系统布局及热成形工艺参数。最后论述了板料初始温度、模具温度变化及不同冲压速度对热成形工艺的影响。参考车门防撞梁国内外法规,对普通高强钢冷成形车门防撞梁和热成形车门防撞梁进行了静态承载性能和动态抗冲击吸能性能的对比研究。研究表明,热成形防撞梁具有优异的静态承载性能和动态
5、抗冲击吸能性能,因此,采用热成形工艺不仅可以提高汽车安全性能,还能有效减轻车身重量,实现汽车的轻量化。本文以“中气”轿车前门防撞梁为研究对象,设计了热成形专用模具,运用上述体积流法实现了板料、模具和冷却水流间的热力耦合模拟,并开发热成形模具验证了冷却系统设计方法和体积流法的有效性。本文是工程应用性课题,在热成形模具的前期开发中,运用本文论述的冷却系统设计与模拟方法,可以有敝缩短模具开发周期,降低开发成本。关键词:汽车轻量化;热成形;超高强度钢;数值模拟;体积流法;热力耦合, ,.,. ., ,; , , , . :. ,., ,;. ,., ” . ? ,. .,”,? ., , , ,.,.
6、 ,羹戳黼鬟 “祭鸳嗲魍戆豢.。., .,. . ”. . , ,:; ;硕士学位论文目录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书?摘要.?.?.?.第章绪论.引言?.国内外研究现状?.汽车轻量化的发展历史.热成形工艺的发展历史及研究现状.超高强度钢板及其热成形技术.高强钢板的分类?.热成形工艺原理与分类.热成形工艺的优点?.超高强度钢在车身上的应用.课题背景与意义?.课题主要研究内容.第章金属板料热成形机理?.金属热塑性加工中的传热学理论.热能传递的基本形式?.塑性变形过程中的传热学基本方程.热传导变分原理及有限元求解式?.热成形过程的热力耦合分析?.热塑性金属材料特性.硼钢性能试验?一.
7、 曲线的测定.金属材料热成形机理?.本章小结?第章热成形数值模拟及工艺参数影响规律研究.热成形模具冷却系统设计.冷却系统的设计要求?一.冷却管道最小直径计算?一.冷却管道位置参数计算?一黼溅冀糍蛳搿簿糍蹩瞬黪瞪一镒濯溪灞滋鬟囊掣甑阮骥霪敷醛鬻程鹫毪“揖罐 搿.勋争饕酽赫赫熬墨蕞碡拧燕蜒薪翟鼎掩譬抽彦睡警姆轩掉当季荽睾熬黜群漆 薯, 鞠嚣一鬻科蛰嚣滞糍敬国瞪辫蜘融艇 。,.日牲鞴骖罄器妇释幅婚槽滞冀穗鼹鞲蒯鹕嚣瓣懿戮鬣蓉越蓓醪“赫黼糕撼器舅辅.避娶露甚皇热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究.车门防撞梁热成形模具冷却系统设计.有限元模型.材料模型?.单元类型.热边界条件一.接触模型?一.热成形数
8、值模拟?.体积流法?.有限元建模.冷却水流速的确定一.冷却系统优化设计一.实验验证?.工艺参数对热成形的过程影响?.板料初温对热成形工艺的影响.模具温度对热成形工艺的影响.冲压速度对热成形工艺的影响.本章小结?.第章热成形超高强钢车前门防撞梁力学性能分析.前门防撞梁力学性能研究:疗法?.前门防撞梁的主要形式?一.前门防撞梁试验方法与法规?一.前门防撞梁静态承载性能.准静态三点弯曲数值模拟一.数值模拟与结果分析?.前门防撞梁抗冲击吸能性能?.抗冲击数值模拟.数值模拟与结果分析?一.本章小结?结论与展望?参考文献附录攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录致 谢?一硕士学位论文第章绪论.引言随着汽车工
9、业的发展,世界汽车保有量在迅速增长,使得世界范围内面临着能源危机,交通安全和环境污染三大问题。节能、安全和环保已成为世纪普遍关注的问题。研究表明,汽车重量每减轻%,可节省燃油%,汽车轻量化。技术是实现这一目标的有效途径之一车身重量一般占整车重量的%,所以车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用【】。汽车轻量化的两种有效途径是【】:一、优化车身结构设计;二、使用新型轻质或高强度钢材料。世界汽车工业经过一百多年的发展,车身结构日趋成熟,布局已经相当紧凑,因此,车身结构的改进空间已经非常狭小。然而,随着多学科、学科交叉领域的发展,新型材料不断涌现,为汽车轻量化的发展提供了广阔空间。另一方面,高
10、强度和超高强度钢的开发和应用,使汽车轻。量化技术的发展迈向了一个新的台阶普通高强度钢的抗拉强度一般在之间,在传统的冷冲压成形过程中极易发生拉裂等成性缺陷,且成形后回弹量较大,得到的零件形状和几何精度较低【,】。由于高温下材料塑性、变形抗力小,且模内淬火后制件回弹较小,因此,热成形工艺具有成形性好、变形抗力小、成形精度较高等技术优势。热成形技术则能很好地解决冷成形过程中的这些问题。热成形工艺通过将板料加热到高温状态,然后在专用热成形模具上快速成形并保压淬火,可以得到抗拉强度在以上的零件【】。超高强度钢制件在车身上的应用使得车身力学性能提高的同时,重量得以减轻。目前,车身上越来越多的零部件开始采用
11、热成形工艺,如:柱、柱、柱、侧门防撞梁、门槛加强梁、前保险杠等?。.国内外研究现状.汽车轻量化的发展历史近年来,随着汽车工业的高速发展,汽车保有量迅速增加,消耗了大量的石化燃料,加剧了环境的污染,也增加了汽车的使用成本。如今,低能耗,轻量化,低污染和高安全己成为汽车工业发展的主流趋势?。为了节约能源、减小排量和满足各国的环境保护法规,同时也为了增强在汽车市场上的竞争力,以满足人们对汽车性能越来越高的要求,世界各国的汽车工业都在探索各种有效的途径,汽车轻量化已成为世界汽车工业发展的主要趋势之一。热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究.高强钢轻量化车身年,为提高钢铁材料相比其它材料在车身上应用的竞
12、争地位,国际钢铁协会组织世界个国家家钢铁公司并委托公司,持巨资开展了超轻质钢车身曲 项目。开发出的超轻质钢车身质量为,比同级别轿车车身质量平均减轻%,与此同时车身扭转刚度提高了%,弯曲刚度提高%,车身第一阶固有频率上升到,并且完全满足碰撞安全性法规要求。年开始,又开展了超轻钢汽车附件项目。通过将车门结构改用无框架形式,同时车门外板和车门管件均采用高强度钢制造,在满足所有结构性能要求的前提下减轻车门质量%,而制造成本仅为美元。年钢铁企业又实施超轻钢车身.先进汽车. 计划,总投入万美元,进一步从整体上研究开发新一代钢铁材料的汽车结构。在.项目中,白车身%使用高强度钢板,其中超过%为先进高强度钢板.
13、双向钢成为车身主要制造材料。国内近年来在汽车用高强钢的开发与应用方面也取得较大进展,例如宝钢已经形成、及等多种商业化供货能力的高强度钢板品种,涵盖了国外当前生产的主要品种,这表明国产高强度钢系列已经初步形成。中国第一汽车集团将宝钢生产的级高强度钢板应用于载货车左、右车门内板、下后围和左右翼子板等零件。神龙汽车公司富康轿车的地板横梁加强板、车门铰链固定板、油箱固定板及发动机支架等也应用了高强度钢板。.铝合金轻量化车身奥迪公司最早于 年在 和 型轿车上使用了铝制车门,并于年开发了具有里程碑意义的第一代全铝空间框架,。 全铝车身质量减轻%,车身的静态扭转刚度提高%。年使用第二代空间框架的问世【,并批
14、量生产,车身质量比传统钢制车身轻%以上。图.【是和全铝合金车身框架。年,该设计中心又诞生了第二代奥迪。改进后的全铝车身框架,刚度提高%,焊点减少%,重量比竞争对手轻,以此带来更大的灵活性、安全性和平稳。硕士学位论文图. 和全铝合金车身框架?公司年面市的是一体式的铝车身结构单体构造车身,车身在融入轻量化设计理念之后,重量仅有公斤。采用此种结构的还有美洲豹新款“型轿车 和福特公司的轿车图.【,汽车总共使用铝台金,比传统钢制汽车减轻。图. 铝合金单体构造车身们综合与单体构造车身结构的优点,本田公司开发了复合结构全铝车身【 ,最大限度的发挥铝合金的优势。与铝合金单壳体车身车相比,%,焊点少%。此外,与
15、三门钢车身铝复合车身所用的零件少%,车相比,白车身的质量减小%,而扭转刚度提高%,弯曲刚度提高同时具有很好的碰撞安全性。车身使用了通用汽车公司开发的五座轿车使用铝合金制造车身【铝挤压型材、铝合金板及铝压铸件,与传统钢结构车身相比,。的车身质量减轻%我国铝矿产资源丰富,经过几十年的发展,己形成了一个较完整的铝工业体系但是,我国汽车用铝合金比例仍然很小。我国汽车用铝与国际水平差距较大。近年来,我国汽车工业的发展,特别是轿车和轻型车的发展,将促进我国汽车工业整体技术的进步,使国产汽车在设计制造和新材料、新技术的研究开发和应用方面跃上新的台阶,轻合金的开发应用亦会得到长足进展。热成形工艺在汽车车身轻量
16、化中的应用研究.其他轻质材料在车身轻量化中的应用除了高强度钢和铝合金外,镁合金、复合材料等轻质材料在车身上也得到一定程度的应用。目前汽车工业镁合金用量最多的国家和地区主要包括北美、欧洲、日本和韩国,这些镁合金主要用来制造一些零部件,而在车身上的应用逐渐由仪表板拓展到车门、车顶以及其他结构部件。复合材料在整车车身上有一些应用,如通用公司的等研制成功一款复合材料白车身,在满足包括静刚度、耐久性、碰撞安全性等结构性能要求前提下,比传统钢车身质量减轻了%。 年,克莱斯勒推出了复合材料概念车,在节省加工时间约%的同时,质量减轻%。新型的奔驰级车上总共使用了塑料及复合材料,其中有的车身外零部件。综上所述,
17、目前车身用材料仍以普通钢材为主,然而随着汽车轻量化的不断发展,世界各大汽车制造商对汽车轻量化材料的研发投入越来越大。随着人们汽车安全性的重视,车身上越来越多的零部件改用高强钢材料。与此同时,铝合金、镁合金、复合材料等轻质材料在车身上的应用也越来越广泛。.热成形工艺的发展历史及研究现状、,年,瑞典公司提出了一项热冲压成形专利 ,用于制造锯片和割草机刀片。 年,汽车公司在上首次采用了淬火硼钢材料经热成形生产的零件【】。近年来,世界各国汽车业投入大量的精力来开展高强度钢板热成形技术的研究。在热成形的材料特性与试验研究中,对超高强度钢的研究表明在热成:形中当使用水冷模具时、和等硼合金钢是能生成完:全的
18、马氏体微观组织的最适合的钢种【?,其中,钢在热冲压成形工艺中应用最为广泛,初始状态时,材料是铁素体和珠光体微观组织,其拉伸强度约为,经热成形工艺之后,材料转变形成马氏体组织,拉伸强度升高到约。板料和模具内的温度分:布在热成形工艺中起着重要作用,通过有限元仿真来预测热成形零件的力学特性需要对成形和淬火过程中的热现象及热边界条件进行精确的建模。年,等】的研究表明板料整个成形过程中,板料在成形和冷却阶段的热传递系数:受接触压力和板料温度,以及表面质量镀层厚度,粗糙度等的影响,此外,还需要考虑板料由于热对流和热辐射造成的热损耗。由于基体材料的力学特性依赖于温度,在考虑热成形的有限元建模中,温度;是一个
19、很重要的参数。为决定热传递系数,年,.等【开发了一套冷却坝士学位论文试验模具,加热后的板料在恒定接触压力的作用下,以水冷方式对板料进行淬火,试验中,同时记录板料和模具的温度,测量获得的数据表明接触条件相关的热传递系数可以用符合牛顿冷却定律的解析模型来描述。此外,在热成形工艺中必须考虑奥氏体到马氏体的相变。年,等【】研究表明在奥氏体向铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的组织转变过程中,微观组织的体积分数变化能够通过各向同性转变应变来描述,相变造成了体积变化,其影响和热应变增量的作用类似。如果在未施加应力条件下发生相变,材料响应是纯体积的,在母相和子相之间的致密度差异造成了体积增加。当在外应力作用下发
20、生转变,就会造成了不可逆的塑性变形, 年,和】的研究表明转变诱导塑性主要取决于奥氏体和最终各组成相分数。 年,等【提出了能考虑转变塑性的模型,在奥氏体中引入了微应力来产生塑性应变。年,【 进一步将该模型应用到数值建模中。此外,由于材料的这些微观组分的形态是显著不同的,在研究材料的匀质宏观行为时如何考虑新相的连续演变和变形历史成为一个难点。热成形是在热力耦合作用下使材料变形并发生相变以获得特定组分的成形工艺过程。最终的产品性能和质量取决于温度历史和力学变形和相组分演变。在固态相变中,潜热释放,影响了热场,同时,微观组分的演变,力学和热特性又随温度和变形而变化。因此,在有限元仿真中必须考虑热、力、
21、微观场的相互作用。年,和【 对高温时金属的流动行为建模,采用有限元法对金属热力耦合变形进行了分析,提出的模型考虑了金属大变形成形过程中的初始各向异性和温度相关性。年,和 】采用热拉伸试验测定了的流动行为,以确定工艺相关条件下材料的热力特性,研究表明在高温奥氏体状态下除了应变,应变率、温度、温度变化率对材料的流动特性有很大的影响。年,和】在热拉伸试验中,观察到除了温度和应变率对材料的热力特性有显著影响外,塑性各项异性也具有温度相关性,在温度范围为.时,板料:呈现出几乎各项同性塑性行为,各项异性可以忽略。对热力成形仿真中,提出了大量的半经验或基于物理的模型描述材料的流动应力。年,等【的研究表明.模
22、型和.模型不能很好的预测在大的等效塑性应变区的流动应力增加饱和现象,而.模型能够与试验数据得到较好的拟合。在等【】的研究中指出,不能较好的预测在相对大的应变时的流动应力值是.模型的主要缺陷。.关系的预测和试验数据吻合较好,该模型预测了在应变为.时流动应力的早期饱和现象。.模型能够通过内参数的演变规律考虑历史效应,如应变率和温度历史的迅速变化,对研究的热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究材料,.模型预测了塑性应变大于. 后的流动应力饱和。模型在塑性应变小于.时与的试验数据吻合较好。等瞄提出了包含马氏体演变过程中相变的流动行为连续模型,并将其应用于有限元仿真中,基于实际的相组分演变并考虑了相变过
23、程中的潜热,体积变化和转变塑性,这一模型较好的描述了材料的热力特性,材料模型和试验数据的比较表明对在奥氏体状态下的材料建立切合实际的流动行为模型是可行的。在传统的冷冲压成形工艺中,材料成形性是通过成形极限曲线来描述的。成形极限曲线表征了从平衡双轴到纯剪切不同应力状态下板料变形发生拉裂和起皱的临界状态。然而,在高温成形时,材料成形性不仅受应变影响,同时还受变形过程中温度、应变率和微观组织变化的影响。在高温成形中,为了确定温度相关的成形极限曲线,需要改造传统的试验装置,必须在凸模、凹模和压边圈中加入热电偶来控制板料和设备的温度。和试验是最常用于高温材料成形性评价的试验,这两种试验的主要区别在于:前
24、者是采用半球形的冲模形状,后者是采用平的冲模底部形状【。试验时,处于亚稳态奥氏体相的金属板料经历了热.力载荷,在不同温度和不同的应变和应变率路径条件下测试直到发生拉裂【】。年,等【】的研究表明与初始的铁素体、珠光体微观组织比较,加热后的奥氏体组织具有更多的滑移系是热成形中材料的性能变化及提高的原因。年,等 的研究指出初始板料温度越高或板料越厚,在平面应变条件下的临界失效应变越高。.超高强度钢板及其热成形技术.高强钢板的分类汽车用钢板根据不同的标准有不同的分类:根据抗拉强度可以分为如下三类:低强度车,;高强度钢,:;超高强度钢,。根据冶金设计,可以分为如下几类:低强度钢:钢,软钢;传统高强度钢:
25、钢、烘烤硬化钢、无间隙高强度钢.、高强度低合金钢;高级高强度钢:双向钢,钢,复相钢、马氏体钢。如图.所示为各种汽车用钢的强度与延僻率的关系。硕士学位论文图.汽车用钢的强度与延伸率【.热成形工艺原理与分类.热成形工艺原理热成形工艺的基本原理是首先将常温下抗拉强度为的可淬火用硼钢板在加热炉内加热到再结晶温度。以上,并保温一段时间,使板料内部组织均匀奥氏体化,然后快速移至带冷却水道的热成形专用模具上冲压成形,并在模具型腔内保压淬火 秒,最后获得在室温下具有均匀马氏体组织、抗拉强度可达的超高强度冲压件。因此,热成形工艺是一种有效解决高强度钢板冲压成形的新型方法。如图.,热成形工艺过程一般可分为:将板料
26、在加热炉内加热到再结晶温度约以上,并保温一段时间使其均匀奥氏体化。文献研究表明,当板料被加热到。,并在此温度下保温分钟可获得晶粒细小、均匀的奥氏体组织。板料转移。为了防止高温板料在空气中氧化和保证板料在较高温度下成形,应将板料从加热炉内快速取出;板料放置与定位。由于高温板料在重力作用下的变形挠度很大,为最大限度避免毛坯在冲压之前过早地与模具表面接触以减小温降、提高热冲压成形性,。需要设计专门的支撑机构来支撑毛坯【快速成形。由于板料高温下的变形抗力较小,高温下成形可降低压机吨位。保压淬火。成形结束后,使板料在模具型腔内保压淬火 ,从而得到马氏体组织均匀、力学性能优良且几何尺寸精度较高的制件。文献
27、研究表明,为保证制件组织由奥氏体向马氏体组织转变过程中不出现铁素体和珠光体组织的杂质,模具对制件的冷却速率应不低于/临界冷却速率,如图.热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究所示。.板料加热.转移 .放置与定位 .成形 .淬火图.热成形工艺流程【】蛐:蕊心、:啪:、.琳珂率心船盔蝴五烈 嚣主啪口。薹掣。一一、 ; 毫 茹函 。伽。图. 钢曲线图.热成形工艺分类在实际的生产中,根据制件的形状复杂程度,一般又将制件的热成形工艺分为直接成形工艺和间接成形:工艺两大类,如图【.【 。直接热成形工艺是指,将下料后的板料加热后直接一次成形,并保压淬火的工艺。该工艺主要用于形状简单、变形程度较小的零件。其在
28、实际生产中应用非常广泛,如,车身上大部分起安全加强作用的部件均可以通过这种方法制得。与直接成形工艺不同的是,间接成形工艺是将板料在加热之前在冷冲压模具上预先成形至零件最终几何尺寸的%石,然后再将板材进行加热奥氏体化、成形及保压淬火。由于进行了附加的预成形处理,间接成形工艺可以生产形状相对复杂的零件。硕士学位论文飑直接成形工艺严万睫偶墨鹃一.兰二间接成形工艺图.热成形工艺分类.热成形工艺的优点与传统冷成形技术相比,热成形技术在车身上的应用具有诸多优势,主要体现在以下几方面】:通过快速冷却淬火,热成形后制件强度得到大幅提高。从而在不降低车身碰撞安全性能的前提下减小零件厚度,减少零部件数量,实现车身
29、的有效减重,进而达到节能减排的目的。成形性优良。材料在高温下塑性好,变形抗力小,延伸率高,可成形冷冲压无法成形的复杂零件,还可以将冷冲压需要多道工序、多套模具成形的零件实现一次成形。降低压机吨位。温度对热成形用材料流变应力影响显著,随着温度的升高,材料的流变应力变小。当温度升至。时,材料的流变应力降至左右,因此,高温下快速成形可以减小成形力,降低压机吨位。从而减少设备投资成本。尺寸精度较高。回弹一直是造成冷冲压成形缺陷的主要原因之一。尤其是高强钢制件成形后的回弹量较大。而利用热成形工艺几乎可以完全消除制件成形后的回弹,从而得到几何精度较高的制件。零件表面硬度、抗凹性和刚度好。.超高强度钢在车身
30、上的应用近年来,热成形技术在汽车车身上得到越来越广泛的应用,主要应用于柱,柱,柱,保险杠加强梁,车门防撞杆,门框加强梁和中通道等承载结构件。热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究该技术已成为实现车身轻量化的主要方法之一,如图.【。图.是全球汽车车身热成形零件的增长趋势,可见,在现代汽车车身设计制造中热成形零件的应用显著增加【。攀疆侧蘩图.热成形工艺在车身构件中的应用图.热成形零件应用增长趋势【】热成形工艺将材料热处理与板料成形的优点相结合,能显著的改善高强度和超高强度钢的成形性,提高零件的力学性能,组织特性和零件的形状精度。近年来,热成形得到了科学界和工程界的广泛关注,该技术已成为国内外广大学
31、者研究的热点。.课题背景与意义根据大量研究表明,当整车质量减轻%时,汽车的燃油经济性可提高.%,加速时间减少%,排放量减少.%,制动距离减少%,轮胎寿命提高%,转向力减小%。白车身是整个汽车零部件的载体,其重量约占整车的%。因此,车身的轻量化是实现整车轻量化的重点和关键。可以说,轻质汽硕士学位论文车车身是汽车提高动力性、安全性、降低油耗、节约材耗、降低成本的关键,车身轻量化已成为当前汽车工程的重要研究课题和目标之一。热成形工艺作为一种材料加工的新技术,通过将钢板加热实现相变再冲压成形并淬火处理,从而获得抗拉强度高达以上的零部件,可组焊成高强度驾乘单元,承受吨以上的静压而不损坏。采用这种超高强度
32、钢结构件,可明显提高汽车的碰撞安全性,同时通过减小壁厚或截面、减少汽车装配环节中的零部件的数量与尺寸,从而实现汽车轻量化。正因为热成形的技术优势,才使得高强度钢热成形技术正受到全球汽车厂商和钢铁生产企业的青睐和极大关注。.课题主要研究内容由传统冷冲压成形转变为热成形不单是简单的“冷转热”的过程,更涉及到十分复杂的温度场、应力场及微观相变等多物理场耦合问题,以及热边界摩擦非线性力学问题。高强钢板热成形的复杂性决定了不仅要克服成形过程中热成形缺陷的产生,诸如:局部过分软化、缩颈、破裂、起皱。马氏体转变不均匀等,还要实现最佳的奥氏体.马氏体化温度、最佳模内冷却速率、最佳成形压力、最佳保压时间等优化问
33、题。 本文主要研究内容分为以下几方面:阐述了热塑性变形过程中的传热学基本理论,并介绍和推导了热传导中的变分原理及有限元求解过程,论述了金属热塑性成形模拟的热.力耦合技术;研究了热塑性金属材料硼钢的流变应力受温度及应变速率等的影响规律,并绘制了硼钢的曲线,观察了不同冷却速率对组织转变的影响;论述了金属热成形的变形机理及影响因素。论述了热成形模具冷却系统设计的基本要求,并基于传热学原理计算了冷却管段直径与冷却管道根数之间应满足的关系式;基于材料的弹塑性,建立了冷却管道间距应满足的力学关系式;并将冷却管道模具的力学模型简化为简支梁,根据弯曲强度校核条件,建立了冷却管道与承载型面间距应满足的公式。最后
34、基于上述关系式,设计“中气”轿车车门防撞梁热成形模具。应用了一种热成形模具冷却系统数值模拟新方法一一体积流法。并将该方法应用于“中气”轿车前门防撞梁模具的前期开发中,并指导模具冷却管道布置,取得了良好的应用效果。在此基础上,研究了冷却水流速、冷却管道直径、板料初温、模具温度、冲压速度等对热成形工艺过程的影响规律。对该车门防撞梁热成形件的力学性能进行研究。对该车门防撞梁冷、热成形件进行静态承载性能试验和抗冲击吸能试验,对比冷、热成形防撞梁在抗凹陷、抗冲击与吸能性能方面的差异,从而得出结论:采用热成形的防撞梁可以在保证碰撞安全性能的基础上实现车身轻量化的目的。热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究
35、第章金属板料热成形机理板料塑性成形是利用金属材料的塑性,使其在一定的外力作用下成形并获得具有一定力学性能制件的一种加工方法,其具有效率高、材料利用率高的特点。板料热成形是在冷冲压的基础上,将板料加热奥氏体化,并快速成形与淬火,实现组织的再结晶的一项新型加工工艺。热成形过程中伴随着温度场、应力场及微观组织的不断变化与相互作用,整个过程涉及几何非线性、材料非线性、边界条件非线性于一体的高度非线性问题。.金属热塑性加工中的传热学理论热传导、热对流和热辐射是热能的传递的三种基本方式。分别论述如下】:.热能传递的基本形式.热传导热传导 ,简称导热,是指物体各部分之间不发生相对位移时,依靠自由电子、分子及
36、原子等各种微观粒子发生热运动产生的热能传递。热传导现象的规律由傅里叶定律给定:一 .式中,为热导率,或称导热系数 ,负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反。.热对流热对流 是指由于流体的宏观运动引起的流体各部分之间发生相对位移,冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。对流换热可分为:自然对流和强制对流。对流换热一般采用如下公式计算:流体被加热时庇。一 .流体被冷却时乃 ?。 .式中,。及,分别为壁面温度和流体温度,;比例系数称为对流换热系数 ,单位是/?。对流换热系数的影响因素众多,其不仅取决于流体的物理特性允、叼、等以及换热表面的形状、大小与布置,而且还与流速有密切的关系。因此,对流换热的
37、研究重点就在于的精确计算,常用方法有理论分析、数值模拟或实验测硕士学位论文定。.热辐射物体内部热量以电磁波形式传递的方式称为热辐射。自然界中,每个物体都在不停地向空间发出热辐射,同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。热传导和热对流这两种热量传递的方式通过介质才能实现。而热辐射则不需要借助于介质,其可以在真空中传递,而且真空中热辐射最有效。实验表明,物体的辐射能力与温度有关,而相同温度下不同物体的辐射与吸收能力又不一样。物体热辐射的计算一般由斯蒂潘.波尔兹曼定律的修正公式给定:.式中,为物体的发射率,即习惯上称为黑度,其总值小于。以上分别讨论了热量传递的三种基本方式:传导、对流和辐射。在实际工程
38、应用中,这三种方式往往是同时发生的。.塑性变形过程中的传热学基本方程.热平衡方程根据能量守恒原理,固体传热过程的热平衡方程为: 。?西一誓等誓卜胪鲁 苏 却 昆式中,、。、:分别为、方向的热流密度;雪为单位体积的内部热源在单位时间内所产生的热量。将模具体看作是刚性的,则其不产生任何变形,内部无内热源,此时可以将工件内部的塑性变形功率转看作是内热源,即:石, 、 ;模具:/仃 口模具 式中,亏、万分别为等效应变速率和等效应力;叼为热生成效率,一般可取为/.。在研究固体间热传导时,热流密度与温度梯度的关系可假设成正比,即:. 丁而一兄而一式中,是某一方向的导热系数。对已各向同性材料,则有,九,:允
39、,于是公式.可转化为:四胪署昙罢茜九茜毫老口公式.即固体热传导的热平衡微分方程。? 热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究昌;釜二兰二釜;.初始条件、边值条件初始条件是指在初始时刻固体内部温度场的分布情况,即:,少,瑚,.式中,表示在时刻时所规定的温度分布。边界条件指固体表面与周围介质环境之间的相互作用,一般有四种形式:第一类边界条件固体温度边界条件是时间的已知函数,即在边界.上, 当时:丁,瓦,.第二类边界条件固体边界上的热流密度为已知,即当时:允。,:。.咖 瑟。式中,为边界外法线的方向余弦。第三类边界条件.对流边界固体边界与流体接触时,通过固体边界的热流密度与固体的温度边界条件和流体温度
40、之差成正比,即在边界上:、 。. ?。,娶瓦 咖,豢乞:一办一弓 出式中,为对流换热系数;巧:为流体温度,由公式. 可知,当专。时,一,:,即丁,此时转化成第一类边界条件。辐射边界高温成形时热辐射耗散的热量在总传热量中占较大比重,辐射时热流密度为:,巧弦疋 .式中,仃为斯蒂芬波尔斯曼.常数,为物体表面辐射率,为环境温度。第四类边界条件绝热边界条件,代表温度梯度在边界法线方向为,即:.一?杀在。上玎式中,表示边界的外法线方向。.热传导变分原理及有限元求解式.变分原理固体间接触热传导求解时需联立边界条件和初始条件求解平衡方程。一般方法是,将求解微分方程的问题利用变分法转化为求解泛函的极值问题。咖,
41、允瓦硕士学位论文与公式.及其边界条件对应的泛函如下:州去晰驴九研允警撇.?,甄胪詈一雪卜舭妒册:步吉丁一无丁声,伊一疋丁,当泛函丌取极值时,泛函:的方程可使,在固体内部内满足热平衡求解微分方程及其初始边值条件。由于泛函万同时为时间和坐标的函,故不仅要对时间域进行离散化处理,还需要对空间域同时离散化处理。对时间和空间欲离散化处理后,将求解域划分为有限个单元,与此同时泛函?可由各单元泛函丌。之和表示。泛函取极值时则有:旦幽:亿初始条件给定后,温度场即可通过上式求解出。.有限元求解式在有限元数值模拟中,一般用节点处的温度表示单元内任意一点的温度,即:喳 。.式中,为形函数,丁。为单元节点处的温度向量
42、矩阵。用单元节点处的温度变化率插值表示单元内任意一点的温度变化率,即:望:?.于是有:舐 叙。 舐“豢警警巧警疋 叙丁一.?一正苏/ 缸丝:.得:将上式代入公式. ,并由公式.。:譬妇,一:。若令:,】,一:。】,则上式为:.热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究公式.和.即为温度场控制方程的瞬态求解矩阵形式,其中各分量可以表示成:,胁矿.矿归.婚.马,.矿、沁.矿:肛:.&,。.是.焉,.,女舐反舐.巩却却, , ,.热成形过程的热力耦合分析热成形过程中,板料温度场和应力场在不断变化的同时两者相互影响。因此,在热成形数值模拟中需同时求解给定温度分布下板料塑性变形方程和热量传递方程,其实质是在
43、某一特定有限元网格上,分别求解受速度变化影响的热传导和受温度变化影响的塑性变形,直至最终获得收敛解。具体热力耦合计算步骤如下:计算初始时刻的温度场瓦;计算初始时刻温度场不对应的速度场“;利用步骤、的结果来求解初始时刻的温度率东;博批一惫一孑;刷新节点最新坐标位置,以及该时间步内单元的等效应变信息;根据前一时间步的速度场,计算温度场的第一级近似值翘,公式如下:硕士学位论文五熹融:乳一“卢/“计算与温度场础对应的新速度场;利用新速度场按下式计算温度场和第二级近似值:卜盖声划埘重复步骤和步骤,当得到的解收敛时终止;计算下一时间步的温度率场瓦;重复步骤,直至求解终了。利用上述耦合方法计算时,由于迭代求
44、解时仅对温度载荷列矩阵产生影响,其余无须再计算,因此温度场求解时间较短。此外,由于较小的时间步内速度场的变化对温度的波动不敏感,导致温度场耦合计算影响速度场的迭代次数和收敛性。.热塑性金属材料特性.硼钢性能试验本研究基于一种牌号为的硼钢材料。参考文献【】,其材料成分如下表.:表. 材料成分的质量百分含量%提供的硼钢不同温度下图.为根据的应力.应变数据绘制的曲线。由图可知,温度对流变应力有显著影响,当板料温度为时,板料应力为左右,而当板料温度升到时,材料的流变应力降至左右,因此,在热成形中,升高板料的变形温度可以降低材料的流动应力,成形力降低,从而可降低压机的吨位。图.为根据 提供的硼钢不同应变速率下的应力.应变数据绘制的曲线。由图可知,在一定温度下,随着应变速率的增大,材料的流动应力水平提高,材料的流动应力受应变速率影响较显著。热成
