基于ABAQUS雙U型前防撞梁熱沖壓成形過程的溫度場數值模擬

岑升波

摘要：采用ABAQUS軟件對汽車前防撞梁的熱沖壓成形工藝進行了熱力耦合數值模擬分析，建立了22MnB5高強鋼的熱彈塑性有限元模型，計算了不同模具溫度下防撞梁的溫度場。結果表明，防撞梁在淬火過程中，其溫度呈快速降低趨勢，淬火結束時防撞梁的溫度為42.6℃～243℃，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體。模具的溫度對防撞梁熱成形后的溫度場分布有較大的影響，模具溫度為25℃～60℃時可滿足企業高效率生產的要求。

關鍵詞：ABAQUS;前防撞梁;熱沖壓成形;溫度場

0? 引言

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，是構成汽車安全可靠性的重要部件。在實際生產中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，但是高強鋼在常溫下塑性變形能力較差，沖壓成形時容易回彈開裂，而熱沖壓成形工藝可以有效的解決這些問題[1][2]。在對熱成形工藝的研究中，采用數值模擬的方法可以快速確定成形工藝參數，預測形時可能出現的缺陷，還可以有效的預測和分析熱沖壓成形過程中工件的溫度場和應力場分布，優化熱成形工藝參數以及生產節拍，提高產品的生產效率和質量[3-5]。

本文采用ABAQUS軟件建立了熱彈塑性有限元模型，對雙U型汽車前防撞梁熱沖壓成形的過程進行了熱力耦合數值模擬，計算并分析了防撞梁熱成形過程和淬火過程中溫度場的變化規律，討論了模具溫度對防撞梁溫度場的影響。

1? 汽車前防撞梁有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

某車型的前防撞梁如圖1所示，防撞梁結構呈雙U型，長度方向的尺寸為1068.5mm，寬度方向的尺寸為135mm，弧度為22°，板厚為1mm，材料為高強鋼22MnB5。

1.2 材料屬性的定義

22MnB5鋼的密度為7850kgm-3，線膨脹系數為1.3×10-5。由于防撞梁的熱沖壓過程是熱力耦合分析，溫度對材料的流動應力及其變形抗力影響很大，根據查詢文獻資料[6]，22MnB5鋼在不同溫度下的真實塑性應力應變曲線如圖3所示。

熱沖壓過程中，材料的溫度從常溫加熱到奧氏體化溫度，材料組織隨著溫度的變化而變化，將會造成材料的彈性模量和泊松比發生變化。同時，板料溫度場變化時，材料的熱學性能也會隨著發生改變，進而影響著成形過程的組織轉變、變形程度以及機械性能等。根據文獻資料[7-8]，22MnB5鋼的楊氏模量、泊松比以及熱傳導率、熱熔隨溫度的變化曲線如圖4所示。

1.3 參數設置

在模擬中，防撞梁在熱沖壓時的壓邊力為15kN，時間步長0.5s，沖壓速度為40mm/s，時間步長1.75s，在淬火階段，保壓、冷卻時間為10s。毛坯的預熱溫度為850℃，模具的初始溫度為25℃，板料與模具之間的摩擦系數為0.1。毛坯與空氣之間的自然對流系數為29W/m2/K，毛坯和模具之間的熱傳導系數為750W/m2/K，模具與冷卻水的換熱系數為1200W/m2/K。考慮到模具溫度對防撞梁淬火后溫度場分布的影響，計算了在淬火過程中模具的初始溫度為25℃、40℃、60℃、80℃、100℃時防撞梁的溫度場變化。

1.4 網格劃分

網格的單元類型為溫度位移耦合，毛坯的網格的種子尺寸為2.5，網格數量為59631。模具的種子尺寸統一為5，凸模的網格數量為23296，凹模的網格數量為30015，壓邊圈的網格數量為9072。防撞梁熱沖壓模型的網格劃分如圖2所示。

2? 結果分析

2.1 防撞梁熱沖壓成形的溫度場分布規律

防撞梁在不同時刻下的溫度場分布如圖5所示。在熱沖壓過程中，可以分為兩個階段，第一個階段時間為2.25s，為沖壓成形階段;第二個階段時間為10s，為防撞梁淬火階段。圖5（a）為壓邊圈壓住毛坯時的溫度場，從圖中可以看出工件上溫度較低的區域出現在防撞梁的法蘭上且法蘭兩端溫度最低，這是因為凹模呈兩頭高中間凹的形狀，高溫的毛坯放在凹模上時，毛坯的兩端首先接觸凹模，巨大的溫差使得毛坯與凹模之間發生強烈的熱傳遞作用，這時毛坯其他地方發生的是散熱較慢的自然對流。隨著壓邊圈的作用，毛坯發生形變與凹模貼合，由于防撞梁為雙U型，毛坯有三塊區域處在壓邊圈和凹模中間發生雙面熱傳遞，而此時凹槽區域的毛坯仍然是自然對流散熱，熱量散失得比較少，所以凹槽處的溫度是最高的。圖5（b）為沖壓結束時刻的溫度場，防撞梁上凹槽處中心處溫度最高為729.8℃，而法蘭兩端邊緣處的溫度最低為621.3℃。圖5（c）為淬火結束時刻的溫度場，防撞梁溫度最高處仍然是凹槽中心為243℃，溫度最低處也是法蘭兩端邊緣處為42.6℃。從整體來看，防撞梁的溫度場的分布規律為從凹槽區域逐漸向法蘭區域降低，溫度梯度連續。這是因為在沖壓的過程中，毛坯各區域由于模具的作用而散熱量不同，造成了防撞梁上存在了溫度差，而高溫區域的熱量會自發的往低溫區域傳遞，使得整個溫度場變化具有連續性。另外，沖壓過程中毛坯的塑性變形能、毛坯與模具之間的摩擦熱也會使防撞梁的溫度場得到新的平衡。

圖6為防撞梁淬火后溫度最高點和最低點的冷卻曲線，溫度最高點位于防撞梁凹槽中心處，溫度最低點位于法蘭端處。在沖壓剛開始階段凹槽處沒有接觸到模具，該區域的散熱為自然對流散熱，溫度下降較為緩慢;沖壓1.3s后模具作用到凹槽區域后，在凹槽與模具的巨大溫度差下產生劇烈的熱傳遞作用，溫度迅速的下降。而法蘭兩端處從沖壓開始到結束都與模具接觸，該區域一直保持較快的速度下降。到了淬火階段中，模具內部通入冷水而保持在較低的溫度，使得模具和工件的溫度差一直存在，工件的溫度均保持迅速下降的趨勢，但是法蘭端處的溫度要比凹槽處溫度下降得更快。發生形變的硼鋼馬氏體轉變開始溫度Ms為400℃左右，馬氏體轉變終了溫度Mf為250℃，馬氏體轉變的臨界冷卻速度為30℃/s[9]。從圖中可以看出，在淬火過程中，凹槽處溫度從729.8℃急劇下降到243℃，平均冷卻速度為48.7℃/s，大于馬氏體轉變臨界冷卻速度，可以產生馬氏體相變。另外，沖壓結束后，防撞梁最低溫度為621.3℃，大于馬氏體轉變開始溫度，這避免了沖壓成形過程中發生馬氏體相變阻礙坯料的進一步成形;同時在淬火階段，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體，力學性能得到提高。

2.2 模具溫度對淬火過程防撞梁溫度場的影響

模具溫度的不同防撞梁熱成形后的溫度場分布也會有差異，對防撞梁的應力場分布也會有影響，進而影響制件的質量;另外模具的溫度越低，在生產實際中對模具的冷卻系統要求就越嚴格。圖7為不同模具溫度時防撞梁上最大溫度節點的冷卻曲線，從圖中可以看出，淬火到第10s的時候，模具溫度為25℃～60℃的防撞梁上最高溫度節點已經冷卻到了馬氏體終了溫度250℃以下，而模具溫度為80℃～100℃的防撞梁最高溫度節點的冷卻溫度大于265℃，馬氏體轉變還沒有結束，需要更長的淬火時間。但是模具的溫度越低，成形的防撞梁的溫度場分布越不均勻，溫度梯度越大，造成的熱應力就越大，容易在直壁和凹槽處出現變形和開裂。所以，在實際生產中對制件的精度及品質要求不高，只是為了追求高效益，就可以選擇較低的模具溫度。如果對制件的精度要求較高或是特殊材料的成形可以選擇較高模具溫度。

3? 結論

①在本文設定的計算條件下，模具為25℃時，淬火結束后防撞梁的溫度為42.6℃～243℃，防撞梁的溫度分布不均勻，存在一定的溫度梯度。防撞梁在熱成形模具冷卻條件下，工件的溫度和臨界冷卻速度都能滿足馬氏體轉變的要求，防撞梁淬火后組織為馬氏體，力學性能得到提高。

②模具的溫度對防撞梁熱成形后的溫度場分布有較大的影響，模具溫度為25℃～60℃時可滿足企業高效率生產的要求。

參考文獻：

[1]林建平，王立影，田浩彬，等.超高強度鋼板熱沖壓成形研究與進展[J].熱加工工藝，2008，37（21）：140-144.

[2]鄒偉，張立強，譚知理，劉燦軍.超高強度鋼熱沖壓實驗研究[J].鍛壓技術，2018（9）：174-177.

[3]胡軍，陳玨，栗明，等.基于ABAQUS高強度鋼熱沖壓過程數值分析[J].熱加工工，2013，42（17）：79-82.

[4]謝暉，劉源，張建.高強度鋼板沖壓模具強度分析與結構優化[J].熱加工工藝，2015（23）：115-117.

[5]李文靜.22Mn B5高強鋼板熱沖壓加工工藝數值優化及實驗研究[D].天津職業技術師范大學碩士論文，2014.

[6]時立佳.B柱加強板熱沖壓成形工藝研究[D].秦皇島：燕山大學碩士學位論文，2013：20-21.

[7]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.

[8]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.

[9]李輝平，賀連芳，楊肖丹，趙國群.形變和冷卻對B1500HS硼鋼馬氏體相變的影響[J].機械工程學報，2016（10）：67-74.