摘要

　　隨著(zhù)霧靈問(wèn)題、能源緊張問(wèn)題日益突出,汽車(chē)輕量化成為汽車(chē)制造業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。對于汽車(chē)輕量化而言,超高強度鋼由于其強度高、硬度大的特點(diǎn)可W有效減小車(chē)身鋼板厚度,且超高強度鋼的應用進(jìn)一步提高了車(chē)體結構的強度和抗沖擊性能。然而,該鋼板由于屈服強度和抗拉強度的提高,其沖壓成形性能下降,使巧冷沖壓工藝容易導致很多成形缺陷。因此,超高強度鋼熱沖壓成形技術(shù)開(kāi)始被迅速應用。超高強度鋼熱沖壓技術(shù)通過(guò)將鋼板加熱到再結晶溫度W上,并保溫一段時(shí)間實(shí)現完全奧氏體化后,再轉移到帶有冷卻系統的模具中進(jìn)行沖壓成形,并在模具內保壓渾火完成馬氏體相變,從而得到超高強度鋼沖壓件。該技術(shù)有效解決了超高強鋼成形性能和強度之間的矛盾。本文以22MnB5為研究材料,形零件作為研究對象,對熱沖壓模具設汁、熱沖壓仿真、模具冷卻系統優(yōu)化、模具結構拓撲優(yōu)化等進(jìn)斤了研究。

　　利用CATIA對U形件熱沖壓模具進(jìn)行了設計,設計內容包括模具材料的選擇、模具整體結構設計、冷卻系統設計W及密封裝置設計。基于設計結果,利用有限元仿真軟件ABAQUS建立熱力鍋合有限元模型,對超高強度測鋼U形件的熱成形過(guò)程和渾火過(guò)程進(jìn)行了數值仿真。

　　為提高熱沖壓模具冷卻系統的冷卻能力,對其關(guān)鍵參數進(jìn)斤了優(yōu)化。熱沖壓模具冷卻系統的主要設計參數包括冷卻管道直徑D、相鄰管道側壁間距S、管道頂部與模具型面間的距離H、冷卻水流速V。確定這4個(gè)參數的最優(yōu)值是模具冷卻系統設計的重點(diǎn)。

　　本文對冷卻系統中D、S、V、H這4個(gè)因素分別選取16個(gè)水平,建立均勻設計試驗方案,并按照試驗方案進(jìn)行對應的熱沖壓有限元仿真。基于均勻設計試驗的仿真結果和回歸分析方法,建立渾火結束時(shí)刻凹模最高溫度與這4個(gè)因素之間的二次型回歸模型。利用遺傳算法對該回歸模型進(jìn)行最優(yōu)值求解,確定冷卻系統關(guān)鍵參數的最優(yōu)值,并通過(guò)有限元仿真模型驗證了該優(yōu)化結果。

　　為提高模具材料利用率、減輕模具結構重量,本文對熱沖壓模具結構進(jìn)行了拓撲優(yōu)化設計。凹模作為研究對象,W關(guān)鍵工況下凹模與板料間接觸應力作為凹模結構分析模型的壓力載荷,最小化凹模體積作為目標,凹模關(guān)鍵區域節點(diǎn)位移作為約束,單元的相對密度作為設計變量,建立凹模結構拓拌優(yōu)化模型,并對熱沖壓凹模結構進(jìn)行拓撲優(yōu)化設計。最終實(shí)現結構減重25.2%,且熱沖壓過(guò)程中凹模的變形與優(yōu)化前的結果相差甚微,對熱沖壓模具結構拓撲優(yōu)化研巧具有一定參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞:超高強鋼;熱沖壓;數值仿真;冷卻系統;拓林優(yōu)化

Abstract

　　With the haze problem  and the energy  shortage problem becoming  increasingly prominent, reducing vehicle weight has been an important development direction for the automobile manufacturing industry. For the automotive lightweight, ultra-high strength steel can effectively reduce the thickness of the body steel plate due to its high strength and high hardness. In addition, the application of the ultra-high strength steel can further improve the strength and impact resistance of the body structure. However, due to the increase of yield strength and tensile strength, the steel's stamping performance has decreased, and using cold stamping process easily leads to a lot of defects. Therefore, hot stamping technology of ultra-high strength steel has been rapidly applied. In the hot stamping process of ultra-high strength steel, the steel sheet is heated above the recrystallization temperature and kept in the temperature for a period of time for sufficient austenization, and the steel sheet is transferred to a die with cooling system to be formed and quenched, and then ultra-high strength stamping part will be obtained after martensitic transformation. This technology can effectively solve the contradiction between the forming performance and the strength of ultra-high strength steel. In this paper, 22MnB5 is chosen as research material, and the U shaped part is chosen as research object. Furthermore, the design of hot stamping die, the simulation of hot stamping process, the optimization of die cooling system and the topology optimization of die structure are studied.

　　The hot stamping die for U shaped part is designed衍CATIA, and the design includes the selection of die materials, the design of overall structure of the die, the design of the cooling system and the design of the sealing devices. Based on the design results, a finite element model based on thermal-mechanical coupled method is set up through the software ABAQUS, and numerical simulation of ultra-high born steel about U shaped part's hot forning and cooling process is conducted.

　　In order to improve the cooling capacity of the hot stamping die cooling system, the key parameters of the cooling system are optimized. The main design parameters of the hot stamping die cooling system include the cooling pipe diameter D, the sidewall distance S between adjoining pipes, the distance H between pipe top and die surface, and the cooling water flow velocity V Determining the optimal value of the 4 parameters is the key point to design the die cooling system. In this paper, 16 levels are taken from the 4 factors of D, S, V and H in the cooling system, and uniform design experimentation scheme is established, and then corresponding hot stamping finite element simulation is carried out according to the experimentation  scheme.  According  to  the  simulation  results  of  uniform  design experimentation and the method of regression analysis, quadratic regression model between the maximum temperature of the die at the end of quenching with the four parameters is established. Genetic algorithm is used to get the optimal value of the regression model, and the optimal value of the key parameters of cooling system is determined. Finally, the optimal results are verified by finite element simulation model.

　　In order to improve the utilization rate of die material and reduce the die structure weight,the topology optimization of hot stamping die structure is carried out. The die structure is selected as the research object, and the contact stresses between blank and die at critical case are selected as the pressure load for the analysis model of the die structure. Moreover,minimizing the volume of the die structure is chosen as the goal, and the nodes displacement of key area of the die is chosen as the constraint, and the units relative density is chosen as the design variables. The topology optimization model of die structure is established, and topology optimization on hot stamping die structure is carried out. Consequently, the weight of die structure has been reduced by 25.20l0, and die's deformation is almost kept with the previous result during hot stamping process. The research provides a certain reference value for the topology optimization of the hot stamping die structure.

　　Keywords: Ultra-high strength steel; Hot stamping; Numerical simulation; Cooling System;Topology optimization

　　隨著(zhù)霧霆問(wèn)題、能源緊張問(wèn)題日益突出，降低油耗、減少排放已經(jīng)成為汽車(chē)制造業(yè)函待解決的問(wèn)題。相關(guān)研究表明，汽車(chē)重量每減輕10%，燃油消耗可降低6%-8%。由此可見(jiàn)，實(shí)現汽車(chē)輕量化能夠很好的降低汽車(chē)油耗以及減少尾氣排放。

　　對于汽車(chē)輕量化來(lái)說(shuō)，超高強度鋼具有強度高、硬度大的特點(diǎn)，用超高強度鋼代替傳統鋼可以有效減輕車(chē)身板料厚度從而降低整車(chē)重量，且應用超高強度鋼可以加強車(chē)身結構強度和其抗沖擊能力。但是，超高強度鋼由于其屈服強度和抗拉強度的顯著(zhù)提高，其沖壓力學(xué)性能下降，各種成形缺陷凸顯，尤其當一些成形件幾何結構變得復雜時(shí)，使用傳統的冷沖壓加工很難滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

　　針對超高強度鋼成形困難的問(wèn)題，超高強度鋼熱沖壓技術(shù)的產(chǎn)生有效解決了這一問(wèn)題。超高強度鋼熱沖壓技術(shù)通過(guò)將超高強度鋼板加熱到奧氏體化溫度以上，并保溫合適的時(shí)間使板料完全奧氏體化，然后通過(guò)機械手等轉移裝置快速精確轉移到模具中進(jìn)行快速沖壓，并在模具內保壓淬火形成馬氏體組織，最后進(jìn)行打孔、噴丸等后處理。這種加工技術(shù)利用了板料高溫時(shí)流動(dòng)應力變低的特點(diǎn)，提高了板料的成形性，降低了成形件的回彈，能一次成形復雜的沖壓件，且零件成形精度高。超高強度鋼熱沖壓技術(shù)所用鋼板需具備良好的淬透性，研究指出硼元素能有效加強鋼板的淬透性。超高強度硼鋼22MnB5通過(guò)在C-Mn鋼的前提上加入少量硼元素，同時(shí)能起到固溶強化效果，該鋼板因為其良好的塑性、可成形性和淬火性能，成為目前主要的熱沖壓工藝材料。對熱沖壓技術(shù)而言，其工藝流程主要包括鋼板下料、高溫加熱爐加熱、高溫鋼板轉移、快速成形、冷卻淬火、零件后處理等工藝。熱沖壓模具在其中承擔著(zhù)快速成形和冷卻淬火兩個(gè)主要工藝，是完成熱沖壓工藝的核心機器。相對于傳統冷沖壓模具，熱沖壓模具設計需考慮模具的抗熱疲勞能力、模具材料生產(chǎn)及表面強化、冷卻系統關(guān)鍵參數優(yōu)化、冷卻水管密封及動(dòng)力循環(huán)、冷卻水孔加工、模具結構強度優(yōu)化等幾個(gè)重要方面。

　　本文針對現階段國內熱沖壓技術(shù)研究處于剛起步的現狀，對熱沖壓過(guò)程有限元仿真、熱沖壓模具冷卻系統關(guān)鍵參數的優(yōu)化和熱沖壓模具結構優(yōu)化等方面展開(kāi)了研究。熱沖壓過(guò)程有限元仿真可以有效縮短模具開(kāi)發(fā)周期，以及提高對熱沖壓過(guò)程的認識。模具冷卻系統關(guān)鍵參數的優(yōu)化是一個(gè)包含多因素的優(yōu)化問(wèn)題，且各因素間可能存在相互作用，無(wú)論是借助傳統手工試錯法，還是依賴(lài)有限元程序反復計算法，都帶有一定的盲目性，難以快速得到參數的最優(yōu)值。結合有限元仿真、試驗設計、回歸模型、智能算法等方法，可以建立冷卻系統關(guān)鍵參數與目標量之間的映射關(guān)系，并對冷卻系統關(guān)鍵參數進(jìn)行優(yōu)化設計，從而有效提高熱沖壓模具冷卻系統冷卻能力。在熱沖壓過(guò)程中，模具受力變得更加惡劣，對模具結構進(jìn)行優(yōu)化分析尤為必要。拓撲優(yōu)化技術(shù)通過(guò)尋求模具內部材料的最優(yōu)分布，去除對模具強度貢獻不大的材料，可以有效優(yōu)化模具結構、降低模具重量。結合拓撲優(yōu)化設計理論、有限元仿真方法，可以對熱沖壓模具結構進(jìn)行拓撲優(yōu)化設計，從而減輕模具結構重量，提高模具材料利用率。

　　生產(chǎn)制造中通常把超高強度鋼熱沖壓工藝分成直接熱沖壓工藝和間接熱沖壓工藝。直接熱沖壓工藝，如圖1-1所示，落料后的鋼板通過(guò)機械手等裝置轉移到高溫加熱爐中，加熱至再結晶溫度以上并在爐中保溫使其完全均勻奧氏體化，然后通過(guò)轉移裝置快速精確轉移到模具中進(jìn)行快速成形，成形完后在模具內保壓淬火形成馬氏體組織，最后進(jìn)行打孔、切邊、噴丸等后處理工序。直接熱沖壓工藝因為在一套模具中完成成形和淬火，具有工序簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，制造成本低的優(yōu)勢。該工藝適合于制造形狀相對簡(jiǎn)單的零件。對于結構相對復雜的產(chǎn)品，如果使用直接熱沖壓工藝，容易導致板料各區域溫度下降不一致，進(jìn)而產(chǎn)生拉裂、形狀畸變等問(wèn)題，對這類(lèi)零件間接沖壓工藝通常被采用。

　　間接熱沖壓工藝，如圖1-2所示，落料后的鋼板首先完成沖壓、切邊、打孔等預成形，再通過(guò)機械手等裝置將其轉移到高溫加熱爐中，加熱至再結晶溫度以上并在爐中保溫使其完全均勻奧氏體化，然后通過(guò)轉移裝置快速精確轉移到模具中進(jìn)行快速定形，并在模具內保壓淬火形成馬氏體組織，最后進(jìn)行噴丸等后處理。因為經(jīng)過(guò)預成形，板料熱成形時(shí)沖壓深度減小，其溫度散失減少;另外板料的加熱消除了預成形造成的殘余應力。間接熱沖壓工藝成形質(zhì)量好，后處理中無(wú)切邊等工序，適合制造形狀相對復雜的產(chǎn)品。

利用CATIA對U形件熱沖壓模具設計：

成形結束時(shí)凹模位移云圖

淬火結束時(shí)凹模位移云圖

凹模參考節點(diǎn)

熱成形結束時(shí)凹模與板料接觸應力云圖

凹模結構分析模型

凹模結構分析模型位移分布云圖

設計區與非設計區

熱成形結束時(shí)凹模變形云圖

目錄

　　第1章 緒論
　　　　1.1 課題研究的背景及意義
　　　　1.2 超高強鋼熱沖壓技術(shù)簡(jiǎn)介
　　　　　　1.2.1 熱沖壓工藝過(guò)程
　　　　　　1.2.2 熱沖壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
　　　　1.3 熱沖壓技術(shù)國內外研究現狀
　　　　　　1.3.1 國內熱沖壓技術(shù)研究現狀
　　　　　　1.3.2 國外熱沖壓技術(shù)研究現狀
　　　　1.4 目前研究中存在的問(wèn)題
　　　　1.5 本文研究的主要內容
　　第2章 熱沖壓數值模擬基本理論
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 板料成形機理
　　　　　　2.2.1 塑性力學(xué)的基本方程
　　　　　　2.2.2 屈服準則
　　　　　　2.2.3 塑性變形的應力應變關(guān)系
　　　　2.3 傳熱學(xué)基本原理
　　　　　　2.3.1 熱力學(xué)第一定律
　　　　　　2.3.2 傳熱方程
　　　　　　2.3.3 傳熱問(wèn)題的邊界條件
　　　　2.4 熱沖壓數值模擬
　　　　　　2.4.1 熱力禍合關(guān)系
　　　　　　2.4.2 接觸問(wèn)題
　　　　2.5 本章小結
　　第3章 熱沖壓模具設計及熱沖壓過(guò)程仿真
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 熱沖壓模具設計
　　　　　　3.2.1 U形件幾何模型
　　　　　　3.2.2 模具材料選擇
　　　　　　3.2.3 模具整體結構設計
　　　　　　3.2.4 模具冷卻系統設計
　　　　　　3.2.5 模具密封系統設計
　　　　3.3 熱沖壓熱力禍合仿真
　　　　　　3.3.1 材料參數
　　　　　　3.3.2 仿真模型
　　　　　　3.3.3 接觸分析
　　　　　　3.3.4 分析步驟
　　　　　　3.3.5 模擬結果分析
　　　　3.4 本章小結
　　第4章 熱沖壓模具冷卻系統關(guān)鍵參數優(yōu)化研究
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 均勻設計
　　　　　　4.2.1 均勻設計概述
　　　　　　4.2.2 均勻設計試驗
　　　　4.3 回歸分析
　　　　　　4.3.1 二次回歸模型
　　　　　　4.3.2 回歸分析結果
　　　　　　4.3.3 回歸模型驗證
　　　　4.4 基于遺傳算法的冷卻系統參數優(yōu)化
　　　　　　4.4.1 遺傳算法
　　　　　　4.4.2 冷卻系統參數優(yōu)化
　　　　4.5 本章小結
　　第5章 熱沖壓模具結構拓撲優(yōu)化設計
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 拓撲優(yōu)化技術(shù)
　　　　5.3 熱沖壓模具結構拓撲優(yōu)化方法
　　　　5.4 凹模結構拓撲優(yōu)化設計
　　　　　　5.4.1 位移約束下體積最小化模型
　　　　　　5.4.2 凹模結構拓撲優(yōu)化
　　　　　　5.4.3 拓撲優(yōu)化結果
　　　　5.5 小結
　　第6章 結論與展望
　　　　6.1 結論
　　　　6.2 展望
　　致謝
　　參考文獻
　　攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文

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