考慮實際流場的熱沖壓模具模溫分析方法

劉迪輝 楊三思 高鶴萱 張銀海 郭照宇

通過Fluent流場分析計算出冷卻水道管壁各節點處的對流傳熱系數，計算過程中考慮了水道結構所導致的流場分布差異對傳熱能力的影響;利用LS-DYNA完成板料成形及保壓淬火過程的仿真模擬，獲取板料上的溫度數據;以A柱邊梁為研究對象將仿真分析結果同熱沖壓生產線上的實際冷卻效果進行對比. 結果表明，考慮流場影響的模溫分析結果中高溫區域的分布和實測一致，12個溫度監測點處最大溫度誤差為3.6 ℃，平均溫度誤差為0.96 ℃，而采用平均傳熱系數的仿真中溫度分布及最大溫差點發生改變，監測點最大溫度誤差為9.1 ℃，平均溫度誤差為4.96 ℃. 仿真與試驗對比表明：流速的改變對傳熱系數的影響顯著，基于流場分析的模溫分析方法考慮了熱沖壓模具冷卻水道中流速差異性分布的影響，能夠用于復雜零件及多腔模具的模溫分析.

關鍵詞：熱沖壓;流場;對流傳熱系數;冷卻系統;溫度場分布

Abstract：A mold temperature analysis method for the hot stamping dies of complex formed parts considering the influence of different flow field distribution is proposed. First， the convective heat transfer coefficients at each node of the cooling water pipe wall were calculated by Fluent flow field analysis， and the influence of the differences in the flow field distribution caused by the water channel structure on the heat transfer capacity was considered in this process. Then， the processes of sheet forming and holding and quenching were simulated by LS-DYNA to obtain the temperature data of the blank. Finally， the A-pillar side beam was used as the research object to compare the simulation analysis results with the actual cooling effect on the hot stamping production line. The results show that the distribution of high temperature areas in the analysis result of the mold temperature based on the flow field analysis is consistent with the actual measurement. The maximum error at the 12 temperature monitoring points is 3.6 ℃，and the average error is 0.96 ℃. However， the temperature distribution and the maximum temperature difference point change in the simulation using the average heat transfer coefficient. The maximum error of the monitoring point is 9.1 ℃，and the average error is 4.96 ℃.The comparison between the simulation and experiment shows that the change of the flow rate has a significant effect on the heat transfer coefficient， and the mold temperature analysis method based on flow field analysis takes into account the effect of the differential distribution of the flow rate in the cooling channel of the hot stamping mold，which can be used for the analysis of mold temperature of complex parts and multi-cavity molds.

大量使用熱成形件是實現車身輕量化設計的重要途徑之一. 超高強度鋼板具有較高的比強度，在增加車身強度的同時能有效減輕質量. 在熱成形過程中板料加熱到920～950 ℃時完全奧氏體化，具有良好的成形性，成形后在模具中保壓淬火完成向馬氏體組織的轉變，強度大大提高. 由于熱成形模具的水道結構復雜，零件局部可能由于水道設計不合理導致淬火冷卻速率不夠，不能形成馬氏體，這會導致零件各個部位的材質不同. 冷卻水道的設計是熱成形模具開發中的關鍵技術，模溫仿真分析方法可以用來評估冷卻水道的冷卻效果，優化水道設計.

近年來，研究者對熱沖壓成形件起皺、開裂及微觀組織等成形質量進行了廣泛的研究，研究表明，通過調整冷卻水流速、模具導熱參數，更改局部淬火速率等能夠完成對成形件微觀組織的控制，實現軟硬分區或差異性強化[1-3].? 文獻[4-6]通過仿真模擬的方法探究了水道結構對保壓結束溫度的影響，仿真結果表明，冷卻水道的結構設計會影響流場分布從而影響傳熱. 文獻[7-10]在研究沖壓成形參數對溫度分布、起皺、破裂及回彈等影響的過程中，對于冷卻水道和模具的換流傳熱均采用常數值定義，處理方式趨于理想化，而在實際生產中熱成形模具內部冷卻水道結構復雜，局部流速存在差異，仿真時采用平均傳熱系數不再合適.

仿真分析能否獲得和生產實際一致性較好的結果主要取決于仿真邊界條件的設置，模具同冷卻水之間的對流傳熱系數作為傳熱邊界條件之一，它的設置至關重要. 本文首先將傳熱系數仿真值和理論計算結果進行對比，證明采用基于Fluent流場分析求解的傳熱系數來定義冷卻水同模具的對流傳熱的可行性;其次將基于流場分析求解對流傳熱系數的模溫分析結果同基于傳熱系數平均值的分析結果及熱沖壓實際生產線上的冷卻效果進行對比驗證，對比結果表明，采用考慮流場影響的模溫分析方法能夠提高仿真精度，對于指導模具冷卻水道設計、縮短模具開發周期具有重大意義.

1? ?考慮實際流場的熱成形模溫分析方法

考慮實際流場影響的熱成形模溫分析方法關鍵在于通過流體仿真分析及數據處理獲取如圖1所示的A～D等節點處的對流傳熱系數，用于定義模溫分析過程中模具同冷卻水的對流傳熱.

分析流程如圖2所示. 首先，采用Fluent軟件對水道模型進行流場分析，在結果中輸出水管壁上各節點處的對流傳熱系數;然后，通過二次開發軟件進行數據處理，將計算的對流傳熱系數文件轉換為LS-DYNA可識別的關鍵字數據格式文件，用于定義模具和冷卻水在管壁處的對流傳熱;最后，在LS-DYNA中完成沖壓成形和保壓淬火的仿真計算，獲得熱沖壓模具及板料的溫度場數據.

上述分析方法發揮了Fluent軟件在流體分析方面的優勢，同時利用LS-DYNA軟件在成形仿真和模溫分析方面的長處.

2? ?對流傳熱系數理論與仿真對比

2.1? ?仿真分析

實際沖壓過程中板料在模具中的保壓時間短，冷卻系統出入口溫差較低，一般為6～7 ℃，水的黏度、熱導率等受溫度影響的參數在低溫差條件下隨溫度變化并不明顯，文中主要考慮復雜水道結構所導致的流速差異對水道表面對流傳熱系數的影響. 基于Fluent求解的對流傳熱系數可通過對比簡單水管模型表面傳熱系數的理論計算值進行準確性驗證，水管模型長300 mm，直徑8 mm，入口流速3 m/s，水溫10 ℃，出口壓力0 MPa（Fluent中壓力值均為表壓），10 ℃時水的相關參數見表1. 基于Fluent流速分析計算出的測試模型表面各處的對流傳熱系數分布云圖如圖3所示.

2.2? ?對流傳熱系數準確性驗證

參考表1中數值，根據公式（2）（3）（4）計算努賽爾數，代入公式（1）計算對流傳熱系數. 對流傳熱系數理論計算結果為10 556.4 W/（m2·K），基于Fluent流場分析求得的水道壁面對流傳熱系數同理論計算值相近，誤差為5.45%，說明將軟件求解的對流傳熱系數用于模溫分析可靠可信.

3? ?實際零件模溫分析試驗與仿真

3.1? ?熱成形試驗

熱沖壓流程如圖5所示，首先根據目標零件形狀對成形件進行板料線估計后經落料機完成落料. 由于未經處理的板料在加熱過程中產生的氧化皮會影響成形性及淬火效果，所以對板料進行防氧化處理后，將板料推進加熱爐加熱300 s至930 ℃，保溫4～6 min以保證板料能夠均勻奧氏體化;經機械手完成板料進模過程，本例實際入模溫度為687 ℃，在靠近板料過程中上模運動速度為600 mm/s，成形速度為120 mm/s;冷卻水入口平均溫度為8 ℃，出口平均溫度為15 ℃，出入口壓差為0.3 MPa;單腔理論沖壓力150 T，模具初溫20 ℃，板料厚度1.5 mm，保壓時間8 s.

3.2? ?熱成形仿真

3.2.1? ?有限元模型創建

目前冷卻管道的開設方式主要分為：鑄造式、鑲拼式及鉆孔式[12]. 鑄造式可以實現模具隨形冷卻，但制造難度大、成本高;鉆孔式加工難度低，但加工方式受限，只能直孔加工. 本文以某車A柱邊梁模具為例，采用鉆孔、鑲拼相結合的方式進行冷卻管道設計，可以在降低加工難度的同時，在一定程度上實現“隨形”冷卻. 仿真分析時水管和模面涉及流體計算及界面傳熱，故應采用較小的單元尺寸以提高求解精度，同時應適當增大側壁和底面的單元尺寸以減少單元總數.單元類型均為三角形，綜合考慮求解精度及計算效率，網格具體尺寸見表2.

流速及模溫分析中所使用的四面體網格均基于封閉的殼網格區域自動生成，網格模型分別如圖6和圖7所示.

3.2.2? ?冷卻系統流場分析

熱沖壓模具的散熱主要依賴于模具內部的冷卻系統：冷流體快速流經管道，高熱板料傳遞到模具中的熱量通過同冷流體的對流傳熱被帶走. 如果熱成形模具冷卻系統設計不合理，連續沖壓時模具體中將產生嚴重的熱聚集，使得板料對應區域奧氏體向馬氏體的轉化受到影響，導致力學性能變差. 同時也更容易出現因冷卻速率不一致而產生翹曲變形. 因此熱成形模具冷卻系統的設計至關重要，能否通過模溫分析發現其設計缺陷以及驗證冷卻系統的設計能否滿足冷卻效率的要求主要取決于模具體同冷流體在壁面處對流傳熱系數的設置. 由于整個冷卻系統內部的最高溫差為7 ℃，隨溫度變化的水的熱物性參數對傳熱系數的影響較小，為了進一步弱化水的參數變化的影響，本文在仿真分析過程中采用水在10 ℃時的參數進行流場分析，并計算對流傳熱系數.

基于Fluent流場分析求解的對流傳熱系數以表格文件導出用于模溫分析，局部節點對流傳熱系數見表3，在相鄰區域傳熱系數值比較接近，不同區域會因流速不同導致傳熱系數差值較大.

由表3可知，冷卻水道表面對流傳熱系數分布存在差異，聯立公式（1）～（4）得到對流傳熱系數h和相關物理參數之間的關系如表4所示.

由表4可知，當流體類型選定后，可改變的只有流速和管道直徑，其中傳熱系數h正比于流速的0.8次方，因此流速的改變對傳熱系數的影響十分顯著. 表3和表4綜合表明，對熱成形模具進行傳熱分析研究時，應考慮由管道結構導致的流速差異的影響.

3.2.3? ?模溫分析

采用2種方法對熱沖壓模具進行模溫分析：基于Fluent流速分析求解得到的對流傳熱系數直接用于模溫分析;對基于Fluent求解得到的對流傳熱系數求平均值，再進行仿真分析. 兩者區別在于，方法1中的流場分析過程考慮了水道結構的影響，對于復雜零件的熱沖壓模具或多腔模具而言模具內部管道之間的轉接、變徑及流量分配等都會對流場產生影響，導致流場分布存在差異性，突出表現在局部管道流速偏低，流速的變化將導致水管表面上對流傳熱系數表現出明顯的差異，最終影響保壓結束后板料上的溫度分布. 圖8為冷卻水道上一節點處溫度隨時間變化曲線.

由圖8可知，首次沖壓時冷卻水主要用于給冷模具降溫，結束后節點溫度維持在22 ℃左右，接近模具初溫，表明首次沖壓過程中，冷卻水并未發揮太大的作用;第4次沖壓后節點溫度趨于接近，繼續多次沖壓后傳熱過程將趨于平衡，本文中選擇10次沖壓結束后的仿真值和實測值進行對比. 圖9為保壓結束后采用FLIR熱像儀拍攝的A柱邊梁大頭背側的溫度分布，高溫區域特征明顯，呈W形分布. A柱邊梁大頭背側溫度分布圖中呈W形分布的深色區域面積大且位于側壁中間，便于熱像儀測量，故在此區域選取監測點，溫度監測點分布如圖10所示.

用于模溫分析的網格質量檢查結果見表5，其中模具四面體網格單元6 168 248個，模具傳熱分析主要研究模具及板料上的溫度分布，忽略模具自身在成形過程中的微形變，將上下模具定義為剛體. 設置求解時間步為5×10-5，容差為10-4，仿真中能量比率為1.004 5，誤差為0.45%.

4? ?結果與討論

采用2種模溫分析方法得到的仿真結果如圖11所示. 由圖11可知，基于Fluent流場分析的仿真結果呈W形分布和實際冷卻效果吻合較好. 在實際熱沖壓過程中導致板料溫度偏高的因素主要包括：模具鑲塊拼接處的管道間隙、水管到形面的距離以及冷卻水道結構所導致的局部流速偏低. 熱沖壓模具一般采用獨立鑲塊加工再拼裝的方式制造，在拼接處管距較大，冷卻效果不佳;出于對模具強度考慮，凸凹模圓角處水管到模面的距離會適當增大，熱阻增大，熱量集聚在模具圓角處導致局部溫度偏高;模具鑲塊獨立加工，局部結構的不合理設計以及較多的轉接接頭會使得整體水道結構復雜、沿程壓力損失大，導致的局部流速偏低而形成局部高溫區域.

水管壁面處鄰近區域對流傳熱系數相近，忽略單元尺寸可認為傳熱系數是連續變化的，故鄰近區域溫度值變化不大，10次沖壓結束后，在仿真模型中選取和實際成形板料位置相近區域內的多個節點，提取節點溫度并求其平均值，作為監測點對應的溫度仿真值，用于同實際板料上12個監測點的溫度實測值進行對比. 采用2種分析方法的仿真值和實際測量結果對比如圖12所示.

圖12中，仿真1表示基于Fluent流場分析的仿真結果，仿真2表示基于對流傳熱系數平均值的仿真結果，對應誤差分別為誤差1和誤差2. 由圖12可知，仿真1中的結果和實際測量結果一致性較好，最大誤差為3.6 ℃，平均誤差為0.96 ℃;仿真2中最大誤差為9.1 ℃，平均誤差為4.96 ℃. 相比于仿真1及實測結果，仿真2中整體溫度下降，表明熱沖壓模具在監測區域水道流速偏低，導致模具和冷卻水的傳熱減弱，這是溫度實測值比較高的原因. 而仿真2由于對傳熱系數求平均后增大了監測區域的傳熱系數值，傳熱能力增強，使溫度仿真值下降.

5? ?結? ?論

1）基于Fluent流速分析求解的對流傳熱系數和理論計算值相比誤差較小，為定義模具同冷卻水在壁面處的對流傳熱提供了新途徑，特別是針對復雜形狀零件及多腔模具的傳熱仿真分析.

2）采用基于Fluent流場分析求解對流傳熱系數的模溫分析方法能夠考慮由管道結構所導致的流場差異對冷卻效果的影響，仿真中高溫區域及12個溫度監測點的溫度值和實際結果吻合較好，12個監測點最大誤差為3.6 ℃，平均誤差為0.96 ℃，相比于采用平均傳熱系數的仿真方法，仿真精度得到提高.

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ds：hot stamping;flow fields;convective heat transfer coefficients;cooling systems;temperature distribution