鋁合金保險杠防撞梁淬火數值模擬

米 林，王 飛，吳 旋

(重慶理工大學重慶汽車學院，重慶 400054)

熱處理是保證制造業產品的內在質量、提高其使用性能和可靠性的重要環節。傳統的熱處理是依靠經驗型技術實現的。但經驗型技術很難融入以信息化為主導的先進制造技術中，因此，迫切需要將熱處理改造為基于知識的熱處理技術，從而解決熱處理信息化在制造業中的瓶頸問題［1］。在這種背景下，熱處理計算機模擬應運而生。它通過對工件溫度場、應力場和變形場等的模擬，讓人們可以在動態情況下看到熱處理過程中工件的性能變化，從而對實際生產過程起指導作用。

在熱處理數值模擬過程中，淬火過程的計算機模擬是最受人們重視的一個過程。這主要是由于工件在淬火時受到溫度場、組織場和應力場3個方面的同時相互作用，要精確模擬這一過程需結合溫度場-組織場-應力場進行耦合計算。所謂淬火數值模擬技術，就是利用可視化技術、數值分析技術，基于傳熱學、力學及相變動力學理論等進行淬火溫度場-組織場-應力場的模擬仿真，并根據模擬結果預測和揭示零件淬火過程中所產生的畸變和殘余應力，從而為改進和優化工藝提供決策依據，以達到降低熱處理變形量、改善應力分布、保證產品質量的目的［2-4］。

本文以汽車6061鋁合金保險杠前防撞梁為對象，在大型商業有限元軟件ANSYS Workbench環境下對工件進行了淬火過程溫度場、應力場及變形場的分析，得出了較為理想的模擬結果。

1 材料物理性能參數的選取

制造鋁合金保險杠防撞梁的材料為6061鋁合金型材。工件在淬火過程中靜態水的對流膜系數選擇Workbench中的Stagnant Water-Simplified Case。6061鋁合金的部分物理性能(如導熱系數、線膨脹系數等)是隨溫度變化的，可通過查閱資料［5］得出，參數見表 1、2。其他參數(如密度、彈性模量、泊松比等)隨溫度變化不大，設置為常數值，參數見表3。

表1 導熱系數隨溫度的變化情況

表2 熱膨脹系數隨溫度的變化情況

表3 6061鋁合金的主要熱物理參數

2 淬火過程的數學模型

2.1 溫度場的計算模型

工件淬火過程的溫度場對熱處理過程起著重要作用，直接影響到產品的最終質量性能指標。由于淬火過程是瞬態的，再加上隨溫度變化的非線性參數，如導熱系數等的作用，導致溫度場的計算即為求解瞬態非線性熱傳導方程［6］:

式中:ρ材料密度;cp為定壓比熱容;λ為熱傳導系數;q*為材料的內熱源強度，它源于淬火過程中的相變潛熱;T為溫度;t為時間。

q*定義為

其中:V代表體積;ΔH代表單位體積的相變潛熱。

淬火過程的熱處理邊界條件:

淬火過程熱處理的初始條件為

2.2 應力場的計算模型

淬火過程中的瞬態應力場求解反映到力學上便是熱彈塑性問題的求解。對于服從Von.Mises屈服準則的等向強化材料熱彈塑性問題，在塑性區的應力應變關系為

其中:[Dep]為彈塑性矩陣;d{ εT}和d{ εtr}分別代表溫度應變和組織應變，是由溫度對彈性模量影響而導致的附加應變;d{ ε}0是由溫度對彈性模量影響而引起的附加應力。

在淬火過程中，因為工件不受其他外力作用，因此，引起工件變形的主要因素是溫度分布不均和組織轉變不同。根據變分原理，單元平衡方程的增量形式為

其中:[K]e為單元剛度矩陣;Δ{ Rh}e為熱載荷向量。

對于塑性區域:

式中溫度應變Δ{ εT}e和組織應變Δ{ εtr}e分別為:

其中:α為熱膨脹系數;β為組織轉變時所引起的線膨脹系數。

3 6061鋁合金ANSYS Workbench淬火熱處理仿真

3.1 前處理階段

1)前防撞梁的幾何建模及有限元模型。利用CATIA建立前防撞梁1∶1的三維實體模型，模型長為1 118 mm，寬為90 mm，高為50 mm，厚為3 mm。為了得到比較精確的仿真結果，網格質量需要有一定的保證，因此，將建立好的模型保存為iges文件，再導入HyperMesh中進行高質量的網格劃分。將劃分好的網格保存為cdb格式，導入ANSYS Workbench中進行分析。實體網格單元尺寸為3 mm，網格節點數為58 188，單元數為29 388，其幾何模型、有限元模型如圖1所示。

圖1 前防撞梁的幾何模型及有限元模型

2)淬火邊界條件約束及加載。生產實踐表明，淬火冷卻是熱處理工藝中返修率和廢品率最高的工序，是熱處理質量控制中最難掌握的環節。要評估淬火件的組織轉變情況及淬火應力，優化熱處理工藝，必須確定淬火冷卻過程中工件材料內部溫度隨時間的分布規律［7-8］。對于前防撞梁溫度場的數值模擬，采用的邊界條件是設置工件初始溫度為Uniform Temperature，值為530℃;環境溫度(水溫)為25℃，淬火介質為靜態水。雖然在淬火過程中熱傳遞的方式有熱輻射、熱對流和熱傳導3種，但對熱量傳遞起主要作用的是熱對流，另外2種方式影響甚微，可忽略不計。流膜系數選擇Workbench中Convection子界面下的Stagnant Wa-ter-Simplified Case選項，將對流載荷加載在工件表面。由于工件比較薄，因此，淬火結束時間Step End Time設置為60 s。計算時打開線性搜索及自動設定時間步長，并設定計算時間步長為0.1 s。

3.2 仿真結果分析與驗證

由設置的求解條件得到在淬火過程60 s內工件的溫度場分布、溫度變化曲線及變形、應力場分布云圖，如圖2～5所示。

圖2 淬火過程中的溫度場分布云圖

從溫度場分布云圖和溫度變化曲線中可以明顯觀察到:在淬火過程中工件溫度在淬火初期急劇下降，主要集中在前10 s之內;在淬火時間為0.1 s時，工件溫度已由最初的530℃下降到500℃左右;淬火0.5 s時，溫度下降到420℃左右;淬火1 s時，溫度下降到350℃附近;淬火10 s過后的溫度已達到43℃;在40 s時工件溫度幾乎接近于室溫;淬火過程結束時(60 s)溫度已與水溫一致。并且可以看到，在淬火過程中防撞梁兩端面溫度迅速降低，而表面溫度下降較端面稍慢，因而，端面淬透性很大，這主要是因為端面處與介質接觸面積大，對流換熱充分，這與實驗情況相符合。淬火過程中的最高溫度出現在表面的中間部位，最低溫度出現在工件的兩端。由于淬火過程中溫度下降劇烈，這勢必導致淬火時的溫差較大，從仿真結果可以看到溫差最大時達到了40℃以上，這會對工件的應力產生一定的影響。另外，溫度場的模擬也為精確計算淬火過程工件的應力及變形做好了準備。

圖3 淬火過程中溫度變化曲線

圖4 淬火過程中的變形云圖

圖5 淬火過程中的應力云圖

從圖4(a)、(b)中可以看到:工件在40 s時和60 s淬火結束時的變形都很小，最大變形僅為0.04 mm，出現在兩端面;最小變形出現在工件的中部。從圖5(a)中可以看出:淬火40 s時，工件的最大應力值為1.2 KPa，它出現在兩端面中心尖角處，這主要是由于該處淬火時，端面溫度下降最快，引起的溫差較大，造成了比較大的熱應力，再加上淬火過程中由于材料組織的變化，該處將產生體積膨脹而形成一定的組織應力，熱應力和組織應力共同作用形成了最后的內應力。從圖5(b)中可以看見，淬火60 s時最大應力值僅為1.1E-6Pa，且應力分布比較均勻。盡管工件在淬火40 s和60 s時溫度相差很小，但工件在這2個時刻的應力值相差甚大，這一現象充分說明了工件淬火40 s時雖然溫度已接近淬火介質的溫度，但從應力場分析工件淬火顯然不充分，故在淬火時應保證工件淬火時間不低于60 s。另外，由于整個淬火過程中的最大應力始終低于1 MPa，故工件在淬火過程中不會出現應力開裂現象，能夠保持較優良的性能。

4 結論

1)鋁合金防撞梁在以25℃的靜態水為介質中淬火能夠滿足實際生產需求。

2)要使防撞梁在淬火過程中充分淬透，淬火時間不能低于60 s。

3)整個淬火過程產生的應力比較小，均低于1 MPa，因此，可以保證在淬火時防撞梁不會出現應力開裂現象。

4)淬火結束后，工件的變形很小，最大值僅為0.04 mm，不會影響到工件的實際尺寸和形狀。

［1］韓斌慧，閻獻國.基于ANSYS的絲錐淬火冷卻過程計算機模擬［J］.制造技術與機床，2008(6):121-124.

［2］馬仙.淬火過程數值模擬研究進展［J］.兵器材料科學與工程，2009(3):59-63.

［3］潘健生.熱處理信息化與制造業跨越式發展［J］.江蘇科技信息，2004(8):1-4.

［4］李強，王葛.淬火冷卻過程計算機模擬研究的現狀及發展趨勢［J］.重型機械，2001(6):4-7.

［5］譚真，郭廣文.工程合金熱物性［M］.北京:冶金工業出版社，1994.

［6］劉莊，吳肇基，吳景之.熱處理過程的數值模擬技術［M］.北京:科學技術出版社，1996.

［7］Fletcher A J，Griffiths W D.Heat Transfer during Vapour Blanket Stage of Quench［J］.Materials Science and Technology，1993，9:958-964.

［8］Fletcher A J，Griffiths W D.Model of Heat Transfer during Quenching in Sodium Polycrylate Solutions［J］.Materials Science and Technology，1995，11:322-327.