基于ABAQUS軟件的熱沖壓成形接觸問題分析

岑升波

【摘? 要】ABAQUS是一款功能非常強大的有限元軟件，被廣泛地應用在解決各種工程項目問題當中。論文以防撞梁的熱沖壓成形為例，詳細介紹了ABAQUS在處理復雜接觸問題時的基本步驟和注意事項，展示了ABAQUS在處理高度非線性問題時的優越性，也為新手在處理相似問題時提供參考和幫助。

【Abstract】ABAQUS is a finite element software with very powerful functions， which is widely used to solve various problems in engineering projects. This paper takes the hot stamping of the anti-collision beam as an example， explicitly introduces the basic steps and precautions of ABAQUS in dealing with complex contact problems， shows the advantages of ABAQUS in dealing with highly nonlinear problems， and also provides reference and help for novices in dealing with similar problems.

【關鍵詞】ABAQUS軟件;熱沖壓成形;接觸

1 引言

ABAQUS是一套功能非常強大的工程模擬仿真軟件，擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬各種工程領域的許多問題，例如，熱傳導、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析以及壓電介質分析[1，2]。ABAQUS擁有十分強大的處理高度復雜非線性問題的能力，具有模擬復雜系統問題的高度可靠性，被廣泛應用于在各國工業和研究所中。但是在國內ABAQUS的普及率遠不如ANSYS，不僅中文的資料少，而且可供新手學習的例子少，尤其是對比較復雜的接觸問題的介紹更少。

在現實世界中，有許許多多的工程項目問題都涉及接觸問題，如運動中火車輪與鋼軌的接觸、切削中車刀與工件的接觸、沖壓時模具與毛坯間的接觸，等等。在接觸過程中，兩個物體在接觸界面上的相互作用是復雜的力學現象，接觸問題常常同時涉及三種非線性：大形變引起的材料非線性、幾何非線性和接觸界面的非線性，再加上接觸界面的事先未知性和接觸條件的不等式約束，決定了接觸分析過程屬于高度非線性的，不僅需要花費較多的計算機資源，而且收斂難度較大。本文從汽車防撞梁的熱沖壓成形出發，基于ABAQUS軟件對接觸問題進行分析研究。

2 ABAQUS接觸分析的關鍵問題

接觸分析中需要注意的常見問題包括：單元類型的選擇和網格質量的控制、接觸關系的建立、相對滑動、主從面的定義等[3]。ABAQUS軟件提供了非常豐富的單元種類，在給用戶提供更多選擇的同時，也增加了用戶選擇適合自己模型的單元類型的難度，人們要清楚自己計算的目的是什么，然后選擇合適的單元類型。例如，熱沖壓成形模型，涉及溫度變化和形變，就這需要選擇溫度—位移耦合類型。網格質量的控制，ABAQUS軟件是通過Verify Mesh檢查模型網格質量，可以檢查出分析過程中會導致錯誤和警告信息的單元，想要獲得精確的計算結果，完美的單元質量是必不可少的。接觸關系的建立，人們在建立接觸對時，首先要搞清楚主從面的定義，一般選擇剛度較大的一面作為主面，柔性材料作為從面，而解析面和剛體面必須作為主面。定義接觸屬性時，一定要清楚接觸里面包含了哪些內容，如熱沖壓成形模型中模具和毛坯之間的互相接觸，既有摩擦又會發生熱傳遞，在定義屬性時不能遺漏。相對滑動問題，ABAQUS包括有限滑動和小滑動兩種選擇，其中，有限滑動是最通用的選擇，其在接觸面間允許任意大的滑動和旋轉，而小滑動是在接觸面間允許小的相對滑動。在接觸分析中需要注意的問題還有很多，稍微不注意都可能導致計算不收斂，會在下文防撞梁的熱沖壓成形例子中提及。

3 熱沖壓成形案例

本案例基于某轎車前防撞梁熱沖壓成形的過程，詳細介紹了利用ABAQUS軟件解決接觸類問題的基礎步驟和注意事項。

3.1 案例的背景

汽車防撞梁是車輛受到碰撞時吸收碰撞能量的一種裝置，能夠減少駕乘人員受到的沖擊，是提高汽車安全可靠性的重要部件。為了實現車輛的輕量化且安全性能不降低，防撞梁一般都使用高強鋼22MnB5，采用熱沖壓成形的工藝沖壓成形。防撞梁的成形工藝為：將加熱至850℃左右完全奧氏體化的22MnB5毛坯置于25℃的凹模之上，然后壓邊圈以15000N的力向下運動直至最低點，毛坯發生變形且四周被壓邊圈壓緊，接著凸模以40m/s的速度向下運動，毛坯在凸模的作用下發生塑性變形，最后凸模、凹模完全閉合，進行保壓和淬火。淬火階段是在凸模和凹模的冷卻管道中通入冷卻水，工件上大量的熱量通過熱傳遞被循環冷卻水帶走實現淬火，本文不做討論。在本案例中，毛坯和模具之間的接觸界面既存在力的相互作用又存在熱傳遞作用，在計算過程中，既有材料大變形帶來的非線性問題又有溫度帶來的材料屬性的非線性問題，這是屬于比較復雜的熱力耦合問題。

3.2 模型的建立

防撞梁的三維模型如圖1所示，長度方向的尺寸為1068.5mm，寬度方向的尺寸為135mm，弧度為22°，毛坯厚度為1mm。本文采用SolidWorks軟件建立防撞梁熱沖壓成形的三維模型，分別為凸模、凹模、壓邊圈和毛坯，如圖2所示。由于毛坯的長寬都遠遠大于厚度，為了節約計算時間，將模型轉變為殼體導入ABAQUS中。在導入部件的過程中應注意，如果僅僅關注的是防撞梁成形的過程，不考慮溫度場的話，可以將凸模、凹模和壓邊圈都設置為離散剛體，可大大提高計算速度;但是如果還要關注防撞梁成形過程中毛坯和模具之間熱傳遞的溫度場的話，所有部件都要設為可變體，這對后面網格單元類型的選擇很重要。

3.3 材料屬性的定義

毛坯22MnB5鋼和模具的密度為7850kg/m3，線膨脹系數為1.3×10-5。由于防撞梁的熱沖壓過程是采用熱力耦合分析的方法，溫度的變化對材料的屬性影響非常大，根據查詢文獻資料[4]，22MnB5鋼在不同溫度下的真實塑性應力應變數據如表1所示。

22MnB5鋼的楊氏模量、泊松比以及熱傳導率、熱熔的數據[5，6]，如表2所示。模具的熱導率為52W·（m·K）-1，熱熔為450J·（kg·K）-1。在設定材料屬性時，最容易出問題的是各參數單位的統一，很容易出現數量級的錯誤。

3.4 分析步的設定

分析步設為兩步，分析步的類型選擇動力，溫度—位移，顯式：第一步為壓邊圈向下運動，時間為0.001s;第二步為凸模向下運動，時間為0.0175s。在編輯分析步時，把幾何非線性打開。如果想節約計算時間，可以將質量縮放打開，縮放比例的大小以計算結果的動能占總能量的5%以內合適。

3.5 相互作用的設定

進入相互作用模塊，對模具和毛坯之間設定相互作用關系。首先，相互作用屬性管理器定義接觸關系的屬性，其切向行為中的摩擦公式選擇罰公式，摩擦系數為0.05，其熱傳導系數當距離為0時系數為0.75;其次，定義毛坯和模具與周圍環境對流的熱交換系數，毛坯與空氣的自然對流系數為29W/m2/K，模具與冷卻水的熱交換系數為1200W/m2/K;再次，定義毛坯和模具之間的接觸面，在這里要強調的是模具面一定是主面，毛坯面為從面;最后，創建三個參考點，創建約束類型，選擇剛體，分別將凸模、凹模和壓邊圈綁定起來。

3.6 施加載荷

進入載荷模塊，對模具和毛坯施加邊界條件，在凹模的參考點上施加位移/轉角邊界條件，將所有方向固定。在壓邊圈的參考點上也施加位移/轉角邊界條件，分析步選擇第一步，設定壓邊圈向下運動24mm壓住毛坯表面，其他方向固定。同時，設定幅值，幅值的類型注意選擇平滑分析步，否則容易出現不收斂問題。在凸模的參考點上施加位移/轉角邊界條件，分析步選擇第二步，設定凸模向下運動70mm進行沖壓動作，其他方向固定，幅值的設定時間與分析步一致。進入預定義場管理器，毛坯的溫度設定為850℃，模具溫度為25℃。

3.7 網格劃分

進入網格劃分模塊，先定義網格控制屬性，網格形狀盡量選擇四面體，劃分技術選擇結構，有時需要拆分模型才能劃出想要的網格。進入種子部件，給模型設置尺寸，然后劃分網格。一定要為網格指派單元類型，本次計算為熱力耦合的問題，且接觸里面定義了熱傳導屬性，所有模型的網格單元類型一定要溫度—位移耦合，不然提交計算會報錯“without temperature degree of freedom are not allowed in a heat transfer analysis”。

3.8 作業提交與結果分析

在工作管理器中提交作業，在監控中可以實時觀察計算的進展情況。當計算結束以后進入可視化模塊對結果進行分析。當熱沖壓結束后，防撞梁成形后凹槽底部溫度最低點的溫度—時間曲線圖如圖3所示，由于整個沖壓過程時間只有0.0185s，時間非常短暫，該節點的溫度從850℃下降到845.4℃，瞬間的冷卻速度達到248.6℃/s，遠遠大于馬氏體的轉變的冷卻速度，有利于提高22MnB5的馬氏體轉變率，提高防撞梁熱沖壓成形后的力學性能。

防撞梁熱沖壓成形后的應力云圖如圖4所示，最大應力出現在防撞梁凹槽底部圓角過渡兩側以及側壁上，最大應力為169.9MPa，這是因為這些位置是毛坯與模具相互接觸、相互作用最為復雜的位置，也是材料形變最大的地方，所以其應力也相對較大。

4 結語

ABAQUS軟件在處理高度非線性的復雜問題上具有明顯的優勢，本文以汽車防撞梁熱沖壓成形為例，詳細介紹了ABAQUS在處理復雜接觸問題的過程和注意事項，為進一步利用ABAQUS軟件研究汽車防撞梁的熱沖壓成形過程做好鋪墊，同時，也為新手處理類似的問題提供了參考和幫助。

【參考文獻】

【1】石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

【2】莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

【3】劉展，朱精平，錢英莉，等.ABAQUS 6.6基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

【4】時立佳.B柱加強板熱沖壓成形工藝研究[D].秦皇島：燕山大學，2013.

【5】康永林，孫建林.高強度薄鋼研究的新進展及其在汽車上的應用[J].鋼鐵，2002，37（5）：65-70.

【6】谷諍巍，孟佳，李欣，等.超高強鋼熱成形奧氏體化加熱參數的優化[J].吉林大學學報，2011（41）：194-197.