熱成形工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用研究（可編輯） .doc

學(xué)校代號(hào):學(xué) 號(hào):級(jí):公開密湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文車輕量化中的熱成形工藝在汽應(yīng)用研究詮文提童旦期; 生墮?且上上一生墮?旦魚詮窒筌整目期;.,湖南大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。日期:弘年;月日作者簽名:丫慨伺學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于.保密口,在 年解密后適用本授權(quán)書。.不保密留。請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”作者簽名:略月伊日厲髫翻 日期:枷口年日期:導(dǎo)師簽名: 汐日月枷/年橢黲糕豢摹鬻司驢警瓣矧名萏藩&蟊薔螽熱成形工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用研究摘要隨著能源危機(jī)、交通安全和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重,節(jié)能、安全、環(huán)保已成為世紀(jì)世界汽車工業(yè)發(fā)展的三大趨勢(shì)。汽車輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效途徑之一。優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采用輕量化材料是汽車輕量化的兩大有效途徑。其中,輕量化材料包括新型輕質(zhì)材料和超高強(qiáng)度鋼材料。一方面,新型輕質(zhì)材料,如鋁合金、鈦合金碳纖維等的不斷涌現(xiàn),為輕量化技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間;另一方面,熱成形工藝的出現(xiàn),使得抗拉強(qiáng)度在以上的超高強(qiáng)度鋼材料在車身上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文主要內(nèi)容包括以下幾方面:論述了熱成形模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求,并基于傳熱學(xué)原理計(jì)算了冷卻管段直徑與冷卻管道根數(shù)之間應(yīng)滿足的關(guān)系式;基于材料的彈塑性,建立了冷卻管道間距應(yīng)滿足的力學(xué)關(guān)系式;并將冷卻管道模具的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁,根據(jù)彎曲強(qiáng)度校核條件,建立了冷卻管道與承載型面間距應(yīng)滿足的公式。最后基于上述關(guān)系式,設(shè)計(jì)了“中氣”轎車車門防撞梁熱成形模具?；?軟件,創(chuàng)新性地將體積流法應(yīng)用到冷卻系統(tǒng)建模中,建立了熱成形板料、模具及冷卻水流之間的熱力耦合模型。在此基礎(chǔ)上取車門防撞梁中間一段“”型樣件,對(duì)其成形和淬火過(guò)程進(jìn)行熱力耦合數(shù)值模擬,得出了冷卻水流速、冷卻管道直徑、板料初始溫度、模具溫度及沖壓速度等工藝參數(shù)對(duì)熱成形工藝的影響規(guī)律;根據(jù)成形終了和保壓淬火終了時(shí)刻板料應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布,優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)布局及熱成形工藝參數(shù)。最后論述了板料初始溫度、模具溫度變化及不同沖壓速度對(duì)熱成形工藝的影響。參考車門防撞梁國(guó)內(nèi)外法規(guī),對(duì)普通高強(qiáng)鋼冷成形車門防撞梁和熱成形車門防撞梁進(jìn)行了靜態(tài)承載性能和動(dòng)態(tài)抗沖擊吸能性能的對(duì)比研究。研究表明,熱成形防撞梁具有優(yōu)異的靜態(tài)承載性能和動(dòng)態(tài)抗沖擊吸能性能,因此,采用熱成形工藝不僅可以提高汽車安全性能,還能有效減輕車身重量,實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。本文以“中氣”轎車前門防撞梁為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了熱成形專用模具,運(yùn)用上述體積流法實(shí)現(xiàn)了板料、模具和冷卻水流間的熱力耦合模擬,并開發(fā)熱成形模具驗(yàn)證了冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和體積流法的有效性。本文是工程應(yīng)用性課題,在熱成形模具的前期開發(fā)中,運(yùn)用本文論述的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬方法,可以有敝縮短模具開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。關(guān)鍵詞:汽車輕量化;熱成形;超高強(qiáng)度鋼;數(shù)值模擬;體積流法;熱力耦合, ,.,. ., ,; , , , . :. ,., ,;. ,., ” . ? ,. .,”,? ., , , ,.,. ,羹戳黼鬟 “祭鴛嗲魍戇豢.。., .,. . ”. . , ,:; ;碩士學(xué)位論文目錄學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書?摘要.?.?.?.第章緒論.引言?.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀?.汽車輕量化的發(fā)展歷史.熱成形工藝的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀.超高強(qiáng)度鋼板及其熱成形技術(shù).高強(qiáng)鋼板的分類?.熱成形工藝原理與分類.熱成形工藝的優(yōu)點(diǎn)?.超高強(qiáng)度鋼在車身上的應(yīng)用.課題背景與意義?.課題主要研究?jī)?nèi)容.第章金屬板料熱成形機(jī)理?.金屬熱塑性加工中的傳熱學(xué)理論.熱能傳遞的基本形式?.塑性變形過(guò)程中的傳熱學(xué)基本方程.熱傳導(dǎo)變分原理及有限元求解式?.熱成形過(guò)程的熱力耦合分析?.熱塑性金屬材料特性.硼鋼性能試驗(yàn)?一. 曲線的測(cè)定.金屬材料熱成形機(jī)理?.本章小結(jié)?第章熱成形數(shù)值模擬及工藝參數(shù)影響規(guī)律研究.熱成形模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì).冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求?一.冷卻管道最小直徑計(jì)算?一.冷卻管道位置參數(shù)計(jì)算?一黼濺冀糍螄搿簿糍蹩瞬黲瞪一鎰濯溪灞滋鬟囊掣甑阮驥霪敷醛鬻程鷲毪“揖罐 搿.勛爭(zhēng)饕釅赫赫熬墨蕞碡?cái)Q燕蜒薪翟鼎掩譬抽彥睡警姆軒掉當(dāng)季荽睪熬黜群漆 薯, 鞠囂一鬻科蟄囂滯糍敬國(guó)瞪辮蜘融艇 。,.日牲鞴驂罄器婦釋幅婚槽滯冀穗鼴鞲蒯鶘囂瓣懿戮鬣蓉越蓓醪“赫黼糕撼器舅輔.避娶露甚皇熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究.車門防撞梁熱成形模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì).有限元模型.材料模型?.單元類型.熱邊界條件一.接觸模型?一.熱成形數(shù)值模擬?.體積流法?.有限元建模.冷卻水流速的確定一.冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?.工藝參數(shù)對(duì)熱成形的過(guò)程影響?.板料初溫對(duì)熱成形工藝的影響.模具溫度對(duì)熱成形工藝的影響.沖壓速度對(duì)熱成形工藝的影響.本章小結(jié)?.第章熱成形超高強(qiáng)鋼車前門防撞梁力學(xué)性能分析.前門防撞梁力學(xué)性能研究:療法?.前門防撞梁的主要形式?一.前門防撞梁試驗(yàn)方法與法規(guī)?一.前門防撞梁靜態(tài)承載性能.準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲數(shù)值模擬一.數(shù)值模擬與結(jié)果分析?.前門防撞梁抗沖擊吸能性能?.抗沖擊數(shù)值模擬.數(shù)值模擬與結(jié)果分析?一.本章小結(jié)?結(jié)論與展望?參考文獻(xiàn)附錄攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄致 謝?一碩士學(xué)位論文第章緒論.引言隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,世界汽車保有量在迅速增長(zhǎng),使得世界范圍內(nèi)面臨著能源危機(jī),交通安全和環(huán)境污染三大問(wèn)題。節(jié)能、安全和環(huán)保已成為世紀(jì)普遍關(guān)注的問(wèn)題。研究表明,汽車重量每減輕%,可節(jié)省燃油%,汽車輕量化。技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一車身重量一般占整車重量的%,所以車身的輕量化對(duì)于整車的輕量化起著舉足輕重的作用【】。汽車輕量化的兩種有效途徑是【】:一、優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);二、使用新型輕質(zhì)或高強(qiáng)度鋼材料。世界汽車工業(yè)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展,車身結(jié)構(gòu)日趨成熟,布局已經(jīng)相當(dāng)緊湊,因此,車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)空間已經(jīng)非常狹小。然而,隨著多學(xué)科、學(xué)科交叉領(lǐng)域的發(fā)展,新型材料不斷涌現(xiàn),為汽車輕量化的發(fā)展提供了廣闊空間。另一方面,高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼的開發(fā)和應(yīng)用,使汽車輕。量化技術(shù)的發(fā)展邁向了一個(gè)新的臺(tái)階普通高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度一般在之間,在傳統(tǒng)的冷沖壓成形過(guò)程中極易發(fā)生拉裂等成性缺陷,且成形后回彈量較大,得到的零件形狀和幾何精度較低【,】。由于高溫下材料塑性、變形抗力小,且模內(nèi)淬火后制件回彈較小,因此,熱成形工藝具有成形性好、變形抗力小、成形精度較高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。熱成形技術(shù)則能很好地解決冷成形過(guò)程中的這些問(wèn)題。熱成形工藝通過(guò)將板料加熱到高溫狀態(tài),然后在專用熱成形模具上快速成形并保壓淬火,可以得到抗拉強(qiáng)度在以上的零件【】。超高強(qiáng)度鋼制件在車身上的應(yīng)用使得車身力學(xué)性能提高的同時(shí),重量得以減輕。目前,車身上越來(lái)越多的零部件開始采用熱成形工藝,如:柱、柱、柱、側(cè)門防撞梁、門檻加強(qiáng)梁、前保險(xiǎn)杠等?。.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.汽車輕量化的發(fā)展歷史近年來(lái),隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展,汽車保有量迅速增加,消耗了大量的石化燃料,加劇了環(huán)境的污染,也增加了汽車的使用成本。如今,低能耗,輕量化,低污染和高安全己成為汽車工業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)?。為了節(jié)約能源、減小排量和滿足各國(guó)的環(huán)境保護(hù)法規(guī),同時(shí)也為了增強(qiáng)在汽車市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力,以滿足人們對(duì)汽車性能越來(lái)越高的要求,世界各國(guó)的汽車工業(yè)都在探索各種有效的途徑,汽車輕量化已成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究.高強(qiáng)鋼輕量化車身年,為提高鋼鐵材料相比其它材料在車身上應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)地位,國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)組織世界個(gè)國(guó)家家鋼鐵公司并委托公司,持巨資開展了超輕質(zhì)鋼車身曲 項(xiàng)目。開發(fā)出的超輕質(zhì)鋼車身質(zhì)量為,比同級(jí)別轎車車身質(zhì)量平均減輕%,與此同時(shí)車身扭轉(zhuǎn)剛度提高了%,彎曲剛度提高%,車身第一階固有頻率上升到,并且完全滿足碰撞安全性法規(guī)要求。年開始,又開展了超輕鋼汽車附件項(xiàng)目。通過(guò)將車門結(jié)構(gòu)改用無(wú)框架形式,同時(shí)車門外板和車門管件均采用高強(qiáng)度鋼制造,在滿足所有結(jié)構(gòu)性能要求的前提下減輕車門質(zhì)量%,而制造成本僅為美元。年鋼鐵企業(yè)又實(shí)施超輕鋼車身.先進(jìn)汽車. 計(jì)劃,總投入萬(wàn)美元,進(jìn)一步從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料的汽車結(jié)構(gòu)。在.項(xiàng)目中,白車身%使用高強(qiáng)度鋼板,其中超過(guò)%為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板.雙向鋼成為車身主要制造材料。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在汽車用高強(qiáng)鋼的開發(fā)與應(yīng)用方面也取得較大進(jìn)展,例如寶鋼已經(jīng)形成、及等多種商業(yè)化供貨能力的高強(qiáng)度鋼板品種,涵蓋了國(guó)外當(dāng)前生產(chǎn)的主要品種,這表明國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼系列已經(jīng)初步形成。中國(guó)第一汽車集團(tuán)將寶鋼生產(chǎn)的級(jí)高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用于載貨車左、右車門內(nèi)板、下后圍和左右翼子板等零件。神龍汽車公司富康轎車的地板橫梁加強(qiáng)板、車門鉸鏈固定板、油箱固定板及發(fā)動(dòng)機(jī)支架等也應(yīng)用了高強(qiáng)度鋼板。.鋁合金輕量化車身奧迪公司最早于 年在 和 型轎車上使用了鋁制車門,并于年開發(fā)了具有里程碑意義的第一代全鋁空間框架,。 全鋁車身質(zhì)量減輕%,車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高%。年使用第二代空間框架的問(wèn)世【,并批量生產(chǎn),車身質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼制車身輕%以上。圖.【是和全鋁合金車身框架。年,該設(shè)計(jì)中心又誕生了第二代奧迪。改進(jìn)后的全鋁車身框架,剛度提高%,焊點(diǎn)減少%,重量比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手輕,以此帶來(lái)更大的靈活性、安全性和平穩(wěn)。碩士學(xué)位論文圖. 和全鋁合金車身框架?公司年面市的是一體式的鋁車身結(jié)構(gòu)單體構(gòu)造車身,車身在融入輕量化設(shè)計(jì)理念之后,重量?jī)H有公斤。采用此種結(jié)構(gòu)的還有美洲豹新款“型轎車 和福特公司的轎車圖.【,汽車總共使用鋁臺(tái)金,比傳統(tǒng)鋼制汽車減輕。圖. 鋁合金單體構(gòu)造車身們綜合與單體構(gòu)造車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),本田公司開發(fā)了復(fù)合結(jié)構(gòu)全鋁車身【 ,最大限度的發(fā)揮鋁合金的優(yōu)勢(shì)。與鋁合金單殼體車身車相比,%,焊點(diǎn)少%。此外,與三門鋼車身鋁復(fù)合車身所用的零件少%,車相比,白車身的質(zhì)量減小%,而扭轉(zhuǎn)剛度提高%,彎曲剛度提高同時(shí)具有很好的碰撞安全性。車身使用了通用汽車公司開發(fā)的五座轎車使用鋁合金制造車身【鋁擠壓型材、鋁合金板及鋁壓鑄件,與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身相比,。的車身質(zhì)量減輕%我國(guó)鋁礦產(chǎn)資源豐富,經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,己形成了一個(gè)較完整的鋁工業(yè)體系但是,我國(guó)汽車用鋁合金比例仍然很小。我國(guó)汽車用鋁與國(guó)際水平差距較大。近年來(lái),我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展,特別是轎車和輕型車的發(fā)展,將促進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)整體技術(shù)的進(jìn)步,使國(guó)產(chǎn)汽車在設(shè)計(jì)制造和新材料、新技術(shù)的研究開發(fā)和應(yīng)用方面躍上新的臺(tái)階,輕合金的開發(fā)應(yīng)用亦會(huì)得到長(zhǎng)足進(jìn)展。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究.其他輕質(zhì)材料在車身輕量化中的應(yīng)用除了高強(qiáng)度鋼和鋁合金外,鎂合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料在車身上也得到一定程度的應(yīng)用。目前汽車工業(yè)鎂合金用量最多的國(guó)家和地區(qū)主要包括北美、歐洲、日本和韓國(guó),這些鎂合金主要用來(lái)制造一些零部件,而在車身上的應(yīng)用逐漸由儀表板拓展到車門、車頂以及其他結(jié)構(gòu)部件。復(fù)合材料在整車車身上有一些應(yīng)用,如通用公司的等研制成功一款復(fù)合材料白車身,在滿足包括靜剛度、耐久性、碰撞安全性等結(jié)構(gòu)性能要求前提下,比傳統(tǒng)鋼車身質(zhì)量減輕了%。 年,克萊斯勒推出了復(fù)合材料概念車,在節(jié)省加工時(shí)間約%的同時(shí),質(zhì)量減輕%。新型的奔馳級(jí)車上總共使用了塑料及復(fù)合材料,其中有的車身外零部件。綜上所述,目前車身用材料仍以普通鋼材為主,然而隨著汽車輕量化的不斷發(fā)展,世界各大汽車制造商對(duì)汽車輕量化材料的研發(fā)投入越來(lái)越大。隨著人們汽車安全性的重視,車身上越來(lái)越多的零部件改用高強(qiáng)鋼材料。與此同時(shí),鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料在車身上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。.熱成形工藝的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀、,年,瑞典公司提出了一項(xiàng)熱沖壓成形專利 ,用于制造鋸片和割草機(jī)刀片。 年,汽車公司在上首次采用了淬火硼鋼材料經(jīng)熱成形生產(chǎn)的零件【】。近年來(lái),世界各國(guó)汽車業(yè)投入大量的精力來(lái)開展高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)的研究。在熱成形的材料特性與試驗(yàn)研究中,對(duì)超高強(qiáng)度鋼的研究表明在熱成:形中當(dāng)使用水冷模具時(shí)、和等硼合金鋼是能生成完:全的馬氏體微觀組織的最適合的鋼種【?,其中,鋼在熱沖壓成形工藝中應(yīng)用最為廣泛,初始狀態(tài)時(shí),材料是鐵素體和珠光體微觀組織,其拉伸強(qiáng)度約為,經(jīng)熱成形工藝之后,材料轉(zhuǎn)變形成馬氏體組織,拉伸強(qiáng)度升高到約。板料和模具內(nèi)的溫度分:布在熱成形工藝中起著重要作用,通過(guò)有限元仿真來(lái)預(yù)測(cè)熱成形零件的力學(xué)特性需要對(duì)成形和淬火過(guò)程中的熱現(xiàn)象及熱邊界條件進(jìn)行精確的建模。年,等】的研究表明板料整個(gè)成形過(guò)程中,板料在成形和冷卻階段的熱傳遞系數(shù):受接觸壓力和板料溫度,以及表面質(zhì)量鍍層厚度,粗糙度等的影響,此外,還需要考慮板料由于熱對(duì)流和熱輻射造成的熱損耗。由于基體材料的力學(xué)特性依賴于溫度,在考慮熱成形的有限元建模中,溫度;是一個(gè)很重要的參數(shù)。為決定熱傳遞系數(shù),年,.等【開發(fā)了一套冷卻壩士學(xué)位論文試驗(yàn)?zāi)＞?加熱后的板料在恒定接觸壓力的作用下,以水冷方式對(duì)板料進(jìn)行淬火,試驗(yàn)中,同時(shí)記錄板料和模具的溫度,測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)表明接觸條件相關(guān)的熱傳遞系數(shù)可以用符合牛頓冷卻定律的解析模型來(lái)描述。此外,在熱成形工藝中必須考慮奧氏體到馬氏體的相變。年,等【】研究表明在奧氏體向鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中,微觀組織的體積分?jǐn)?shù)變化能夠通過(guò)各向同性轉(zhuǎn)變應(yīng)變來(lái)描述,相變?cè)斐闪梭w積變化,其影響和熱應(yīng)變?cè)隽康淖饔妙愃啤Ｈ绻谖词┘討?yīng)力條件下發(fā)生相變,材料響應(yīng)是純體積的,在母相和子相之間的致密度差異造成了體積增加。當(dāng)在外應(yīng)力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變,就會(huì)造成了不可逆的塑性變形, 年,和】的研究表明轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)塑性主要取決于奧氏體和最終各組成相分?jǐn)?shù)。 年,等【提出了能考慮轉(zhuǎn)變塑性的模型,在奧氏體中引入了微應(yīng)力來(lái)產(chǎn)生塑性應(yīng)變。年,【 進(jìn)一步將該模型應(yīng)用到數(shù)值建模中。此外,由于材料的這些微觀組分的形態(tài)是顯著不同的,在研究材料的勻質(zhì)宏觀行為時(shí)如何考慮新相的連續(xù)演變和變形歷史成為一個(gè)難點(diǎn)。熱成形是在熱力耦合作用下使材料變形并發(fā)生相變以獲得特定組分的成形工藝過(guò)程。最終的產(chǎn)品性能和質(zhì)量取決于溫度歷史和力學(xué)變形和相組分演變。在固態(tài)相變中,潛熱釋放,影響了熱場(chǎng),同時(shí),微觀組分的演變,力學(xué)和熱特性又隨溫度和變形而變化。因此,在有限元仿真中必須考慮熱、力、微觀場(chǎng)的相互作用。年,和【 對(duì)高溫時(shí)金屬的流動(dòng)行為建模,采用有限元法對(duì)金屬熱力耦合變形進(jìn)行了分析,提出的模型考慮了金屬大變形成形過(guò)程中的初始各向異性和溫度相關(guān)性。年,和 】采用熱拉伸試驗(yàn)測(cè)定了的流動(dòng)行為,以確定工藝相關(guān)條件下材料的熱力特性,研究表明在高溫奧氏體狀態(tài)下除了應(yīng)變,應(yīng)變率、溫度、溫度變化率對(duì)材料的流動(dòng)特性有很大的影響。年,和】在熱拉伸試驗(yàn)中,觀察到除了溫度和應(yīng)變率對(duì)材料的熱力特性有顯著影響外,塑性各項(xiàng)異性也具有溫度相關(guān)性,在溫度范圍為.時(shí),板料:呈現(xiàn)出幾乎各項(xiàng)同性塑性行為,各項(xiàng)異性可以忽略。對(duì)熱力成形仿真中,提出了大量的半經(jīng)驗(yàn)或基于物理的模型描述材料的流動(dòng)應(yīng)力。年,等【的研究表明.模型和.模型不能很好的預(yù)測(cè)在大的等效塑性應(yīng)變區(qū)的流動(dòng)應(yīng)力增加飽和現(xiàn)象,而.模型能夠與試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到較好的擬合。在等【】的研究中指出,不能較好的預(yù)測(cè)在相對(duì)大的應(yīng)變時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力值是.模型的主要缺陷。.關(guān)系的預(yù)測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,該模型預(yù)測(cè)了在應(yīng)變?yōu)?時(shí)流動(dòng)應(yīng)力的早期飽和現(xiàn)象。.模型能夠通過(guò)內(nèi)參數(shù)的演變規(guī)律考慮歷史效應(yīng),如應(yīng)變率和溫度歷史的迅速變化,對(duì)研究的熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究材料,.模型預(yù)測(cè)了塑性應(yīng)變大于. 后的流動(dòng)應(yīng)力飽和。模型在塑性應(yīng)變小于.時(shí)與的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。等瞄提出了包含馬氏體演變過(guò)程中相變的流動(dòng)行為連續(xù)模型,并將其應(yīng)用于有限元仿真中,基于實(shí)際的相組分演變并考慮了相變過(guò)程中的潛熱,體積變化和轉(zhuǎn)變塑性,這一模型較好的描述了材料的熱力特性,材料模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明對(duì)在奧氏體狀態(tài)下的材料建立切合實(shí)際的流動(dòng)行為模型是可行的。在傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝中,材料成形性是通過(guò)成形極限曲線來(lái)描述的。成形極限曲線表征了從平衡雙軸到純剪切不同應(yīng)力狀態(tài)下板料變形發(fā)生拉裂和起皺的臨界狀態(tài)。然而,在高溫成形時(shí),材料成形性不僅受應(yīng)變影響,同時(shí)還受變形過(guò)程中溫度、應(yīng)變率和微觀組織變化的影響。在高溫成形中,為了確定溫度相關(guān)的成形極限曲線,需要改造傳統(tǒng)的試驗(yàn)裝置,必須在凸模、凹模和壓邊圈中加入熱電偶來(lái)控制板料和設(shè)備的溫度。和試驗(yàn)是最常用于高溫材料成形性評(píng)價(jià)的試驗(yàn),這兩種試驗(yàn)的主要區(qū)別在于:前者是采用半球形的沖模形狀,后者是采用平的沖模底部形狀【。試驗(yàn)時(shí),處于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體相的金屬板料經(jīng)歷了熱.力載荷,在不同溫度和不同的應(yīng)變和應(yīng)變率路徑條件下測(cè)試直到發(fā)生拉裂【】。年,等【】的研究表明與初始的鐵素體、珠光體微觀組織比較,加熱后的奧氏體組織具有更多的滑移系是熱成形中材料的性能變化及提高的原因。年,等 的研究指出初始板料溫度越高或板料越厚,在平面應(yīng)變條件下的臨界失效應(yīng)變?cè)礁摺?超高強(qiáng)度鋼板及其熱成形技術(shù).高強(qiáng)鋼板的分類汽車用鋼板根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類:根據(jù)抗拉強(qiáng)度可以分為如下三類:低強(qiáng)度車,;高強(qiáng)度鋼,:;超高強(qiáng)度鋼,。根據(jù)冶金設(shè)計(jì),可以分為如下幾類:低強(qiáng)度鋼:鋼,軟鋼;傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼:鋼、烘烤硬化鋼、無(wú)間隙高強(qiáng)度鋼.、高強(qiáng)度低合金鋼;高級(jí)高強(qiáng)度鋼:雙向鋼,鋼,復(fù)相鋼、馬氏體鋼。如圖.所示為各種汽車用鋼的強(qiáng)度與延僻率的關(guān)系。碩士學(xué)位論文圖.汽車用鋼的強(qiáng)度與延伸率【.熱成形工藝原理與分類.熱成形工藝原理熱成形工藝的基本原理是首先將常溫下抗拉強(qiáng)度為的可淬火用硼鋼板在加熱爐內(nèi)加熱到再結(jié)晶溫度。以上,并保溫一段時(shí)間,使板料內(nèi)部組織均勻奧氏體化,然后快速移至帶冷卻水道的熱成形專用模具上沖壓成形,并在模具型腔內(nèi)保壓淬火 秒,最后獲得在室溫下具有均勻馬氏體組織、抗拉強(qiáng)度可達(dá)的超高強(qiáng)度沖壓件。因此,熱成形工藝是一種有效解決高強(qiáng)度鋼板沖壓成形的新型方法。如圖.,熱成形工藝過(guò)程一般可分為:將板料在加熱爐內(nèi)加熱到再結(jié)晶溫度約以上,并保溫一段時(shí)間使其均勻奧氏體化。文獻(xiàn)研究表明,當(dāng)板料被加熱到。,并在此溫度下保溫分鐘可獲得晶粒細(xì)小、均勻的奧氏體組織。板料轉(zhuǎn)移。為了防止高溫板料在空氣中氧化和保證板料在較高溫度下成形,應(yīng)將板料從加熱爐內(nèi)快速取出;板料放置與定位。由于高溫板料在重力作用下的變形撓度很大,為最大限度避免毛坯在沖壓之前過(guò)早地與模具表面接觸以減小溫降、提高熱沖壓成形性,。需要設(shè)計(jì)專門的支撐機(jī)構(gòu)來(lái)支撐毛坯【快速成形。由于板料高溫下的變形抗力較小,高溫下成形可降低壓機(jī)噸位。保壓淬火。成形結(jié)束后,使板料在模具型腔內(nèi)保壓淬火 ,從而得到馬氏體組織均勻、力學(xué)性能優(yōu)良且?guī)缀纬叽缇容^高的制件。文獻(xiàn)研究表明,為保證制件組織由奧氏體向馬氏體組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中不出現(xiàn)鐵素體和珠光體組織的雜質(zhì),模具對(duì)制件的冷卻速率應(yīng)不低于/臨界冷卻速率,如圖.熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究所示。.板料加熱.轉(zhuǎn)移 .放置與定位 .成形 .淬火圖.熱成形工藝流程【】蛐:蕊心、:啪:、.琳珂率心船盔蝴五烈 囂主啪口。薹掣。一一、 ; 毫 茹函 。伽。圖. 鋼曲線圖.熱成形工藝分類在實(shí)際的生產(chǎn)中,根據(jù)制件的形狀復(fù)雜程度,一般又將制件的熱成形工藝分為直接成形工藝和間接成形:工藝兩大類,如圖【.【 。直接熱成形工藝是指,將下料后的板料加熱后直接一次成形,并保壓淬火的工藝。該工藝主要用于形狀簡(jiǎn)單、變形程度較小的零件。其在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛,如,車身上大部分起安全加強(qiáng)作用的部件均可以通過(guò)這種方法制得。與直接成形工藝不同的是,間接成形工藝是將板料在加熱之前在冷沖壓模具上預(yù)先成形至零件最終幾何尺寸的%石,然后再將板材進(jìn)行加熱奧氏體化、成形及保壓淬火。由于進(jìn)行了附加的預(yù)成形處理,間接成形工藝可以生產(chǎn)形狀相對(duì)復(fù)雜的零件。碩士學(xué)位論文颮直接成形工藝嚴(yán)萬(wàn)睫偶墨鵑一.蘭二間接成形工藝圖.熱成形工藝分類.熱成形工藝的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)冷成形技術(shù)相比,熱成形技術(shù)在車身上的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在以下幾方面】:通過(guò)快速冷卻淬火,熱成形后制件強(qiáng)度得到大幅提高。從而在不降低車身碰撞安全性能的前提下減小零件厚度,減少零部件數(shù)量,實(shí)現(xiàn)車身的有效減重,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排的目的。成形性優(yōu)良。材料在高溫下塑性好,變形抗力小,延伸率高,可成形冷沖壓無(wú)法成形的復(fù)雜零件,還可以將冷沖壓需要多道工序、多套模具成形的零件實(shí)現(xiàn)一次成形。降低壓機(jī)噸位。溫度對(duì)熱成形用材料流變應(yīng)力影響顯著,隨著溫度的升高,材料的流變應(yīng)力變小。當(dāng)溫度升至。時(shí),材料的流變應(yīng)力降至左右,因此,高溫下快速成形可以減小成形力,降低壓機(jī)噸位。從而減少設(shè)備投資成本。尺寸精度較高?；貜椧恢笔窃斐衫錄_壓成形缺陷的主要原因之一。尤其是高強(qiáng)鋼制件成形后的回彈量較大。而利用熱成形工藝幾乎可以完全消除制件成形后的回彈,從而得到幾何精度較高的制件。零件表面硬度、抗凹性和剛度好。.超高強(qiáng)度鋼在車身上的應(yīng)用近年來(lái),熱成形技術(shù)在汽車車身上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,主要應(yīng)用于柱,柱,柱,保險(xiǎn)杠加強(qiáng)梁,車門防撞桿,門框加強(qiáng)梁和中通道等承載結(jié)構(gòu)件。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究該技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)車身輕量化的主要方法之一,如圖.【。圖.是全球汽車車身熱成形零件的增長(zhǎng)趨勢(shì),可見,在現(xiàn)代汽車車身設(shè)計(jì)制造中熱成形零件的應(yīng)用顯著增加【。攀疆側(cè)蘩圖.熱成形工藝在車身構(gòu)件中的應(yīng)用圖.熱成形零件應(yīng)用增長(zhǎng)趨勢(shì)【】熱成形工藝將材料熱處理與板料成形的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,能顯著的改善高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼的成形性,提高零件的力學(xué)性能,組織特性和零件的形狀精度。近年來(lái),熱成形得到了科學(xué)界和工程界的廣泛關(guān)注,該技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。.課題背景與意義根據(jù)大量研究表明,當(dāng)整車質(zhì)量減輕%時(shí),汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性可提高.%,加速時(shí)間減少%,排放量減少.%,制動(dòng)距離減少%,輪胎壽命提高%,轉(zhuǎn)向力減小%。白車身是整個(gè)汽車零部件的載體,其重量約占整車的%。因此,車身的輕量化是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的重點(diǎn)和關(guān)鍵?？梢哉f(shuō),輕質(zhì)汽碩士學(xué)位論文車車身是汽車提高動(dòng)力性、安全性、降低油耗、節(jié)約材耗、降低成本的關(guān)鍵,車身輕量化已成為當(dāng)前汽車工程的重要研究課題和目標(biāo)之一。熱成形工藝作為一種材料加工的新技術(shù),通過(guò)將鋼板加熱實(shí)現(xiàn)相變?cè)贈(zèng)_壓成形并淬火處理,從而獲得抗拉強(qiáng)度高達(dá)以上的零部件,可組焊成高強(qiáng)度駕乘單元,承受噸以上的靜壓而不損壞。采用這種超高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)件,可明顯提高汽車的碰撞安全性,同時(shí)通過(guò)減小壁厚或截面、減少汽車裝配環(huán)節(jié)中的零部件的數(shù)量與尺寸,從而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。正因?yàn)闊岢尚蔚募夹g(shù)優(yōu)勢(shì),才使得高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)正受到全球汽車廠商和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的青睞和極大關(guān)注。.課題主要研究?jī)?nèi)容由傳統(tǒng)冷沖壓成形轉(zhuǎn)變?yōu)闊岢尚尾粏问呛?jiǎn)單的“冷轉(zhuǎn)熱”的過(guò)程,更涉及到十分復(fù)雜的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及微觀相變等多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題,以及熱邊界摩擦非線性力學(xué)問(wèn)題。高強(qiáng)鋼板熱成形的復(fù)雜性決定了不僅要克服成形過(guò)程中熱成形缺陷的產(chǎn)生,諸如:局部過(guò)分軟化、縮頸、破裂、起皺。馬氏體轉(zhuǎn)變不均勻等,還要實(shí)現(xiàn)最佳的奧氏體.馬氏體化溫度、最佳模內(nèi)冷卻速率、最佳成形壓力、最佳保壓時(shí)間等優(yōu)化問(wèn)題。 本文主要研究?jī)?nèi)容分為以下幾方面:闡述了熱塑性變形過(guò)程中的傳熱學(xué)基本理論,并介紹和推導(dǎo)了熱傳導(dǎo)中的變分原理及有限元求解過(guò)程,論述了金屬熱塑性成形模擬的熱.力耦合技術(shù);研究了熱塑性金屬材料硼鋼的流變應(yīng)力受溫度及應(yīng)變速率等的影響規(guī)律,并繪制了硼鋼的曲線,觀察了不同冷卻速率對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響;論述了金屬熱成形的變形機(jī)理及影響因素。論述了熱成形模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求,并基于傳熱學(xué)原理計(jì)算了冷卻管段直徑與冷卻管道根數(shù)之間應(yīng)滿足的關(guān)系式;基于材料的彈塑性,建立了冷卻管道間距應(yīng)滿足的力學(xué)關(guān)系式;并將冷卻管道模具的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁,根據(jù)彎曲強(qiáng)度校核條件,建立了冷卻管道與承載型面間距應(yīng)滿足的公式。最后基于上述關(guān)系式,設(shè)計(jì)“中氣”轎車車門防撞梁熱成形模具。應(yīng)用了一種熱成形模具冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬新方法一一體積流法。并將該方法應(yīng)用于“中氣”轎車前門防撞梁模具的前期開發(fā)中,并指導(dǎo)模具冷卻管道布置,取得了良好的應(yīng)用效果。在此基礎(chǔ)上,研究了冷卻水流速、冷卻管道直徑、板料初溫、模具溫度、沖壓速度等對(duì)熱成形工藝過(guò)程的影響規(guī)律。對(duì)該車門防撞梁熱成形件的力學(xué)性能進(jìn)行研究。對(duì)該車門防撞梁冷、熱成形件進(jìn)行靜態(tài)承載性能試驗(yàn)和抗沖擊吸能試驗(yàn),對(duì)比冷、熱成形防撞梁在抗凹陷、抗沖擊與吸能性能方面的差異,從而得出結(jié)論:采用熱成形的防撞梁可以在保證碰撞安全性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車身輕量化的目的。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究第章金屬板料熱成形機(jī)理板料塑性成形是利用金屬材料的塑性,使其在一定的外力作用下成形并獲得具有一定力學(xué)性能制件的一種加工方法,其具有效率高、材料利用率高的特點(diǎn)。板料熱成形是在冷沖壓的基礎(chǔ)上,將板料加熱奧氏體化,并快速成形與淬火,實(shí)現(xiàn)組織的再結(jié)晶的一項(xiàng)新型加工工藝。熱成形過(guò)程中伴隨著溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及微觀組織的不斷變化與相互作用,整個(gè)過(guò)程涉及幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性于一體的高度非線性問(wèn)題。.金屬熱塑性加工中的傳熱學(xué)理論熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射是熱能的傳遞的三種基本方式。分別論述如下】:.熱能傳遞的基本形式.熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) ,簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱,是指物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí),依靠自由電子、分子及原子等各種微觀粒子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱能傳遞。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的規(guī)律由傅里葉定律給定:一 .式中,為熱導(dǎo)率,或稱導(dǎo)熱系數(shù) ,負(fù)號(hào)表示熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反。.熱對(duì)流熱對(duì)流 是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移,冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流換熱可分為:自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流換熱一般采用如下公式計(jì)算:流體被加熱時(shí)庇。一 .流體被冷卻時(shí)乃 ?。 .式中,。及,分別為壁面溫度和流體溫度,;比例系數(shù)稱為對(duì)流換熱系數(shù) ,單位是/?。對(duì)流換熱系數(shù)的影響因素眾多,其不僅取決于流體的物理特性允、叼、等以及換熱表面的形狀、大小與布置,而且還與流速有密切的關(guān)系。因此,對(duì)流換熱的研究重點(diǎn)就在于的精確計(jì)算,常用方法有理論分析、數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)碩士學(xué)位論文定。.熱輻射物體內(nèi)部熱量以電磁波形式傳遞的方式稱為熱輻射。自然界中,每個(gè)物體都在不停地向空間發(fā)出熱輻射,同時(shí)又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流這兩種熱量傳遞的方式通過(guò)介質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)。而熱輻射則不需要借助于介質(zhì),其可以在真空中傳遞,而且真空中熱輻射最有效。實(shí)驗(yàn)表明,物體的輻射能力與溫度有關(guān),而相同溫度下不同物體的輻射與吸收能力又不一樣。物體熱輻射的計(jì)算一般由斯蒂潘.波爾茲曼定律的修正公式給定:.式中,為物體的發(fā)射率,即習(xí)慣上稱為黑度,其總值小于。以上分別討論了熱量傳遞的三種基本方式:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。在實(shí)際工程應(yīng)用中,這三種方式往往是同時(shí)發(fā)生的。.塑性變形過(guò)程中的傳熱學(xué)基本方程.熱平衡方程根據(jù)能量守恒原理,固體傳熱過(guò)程的熱平衡方程為: 。?西一誓等誓卜臚魯 蘇 卻 昆式中,、。、:分別為、方向的熱流密度;雪為單位體積的內(nèi)部熱源在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量。將模具體看作是剛性的,則其不產(chǎn)生任何變形,內(nèi)部無(wú)內(nèi)熱源,此時(shí)可以將工件內(nèi)部的塑性變形功率轉(zhuǎn)看作是內(nèi)熱源,即:石, 、 ;模具:/仃 口模具 式中,虧、萬(wàn)分別為等效應(yīng)變速率和等效應(yīng)力;叼為熱生成效率,一般可取為/.。在研究固體間熱傳導(dǎo)時(shí),熱流密度與溫度梯度的關(guān)系可假設(shè)成正比,即:. 丁而一兄而一式中,是某一方向的導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)已各向同性材料,則有,九,:允,于是公式.可轉(zhuǎn)化為:四臚署曇罷茜九茜毫老口公式.即固體熱傳導(dǎo)的熱平衡微分方程。? 熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究昌;釜二蘭二釜;.初始條件、邊值條件初始條件是指在初始時(shí)刻固體內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況,即:,少,瑚,.式中,表示在時(shí)刻時(shí)所規(guī)定的溫度分布。邊界條件指固體表面與周圍介質(zhì)環(huán)境之間的相互作用,一般有四種形式:第一類邊界條件固體溫度邊界條件是時(shí)間的已知函數(shù),即在邊界.上, 當(dāng)時(shí):丁,瓦,.第二類邊界條件固體邊界上的熱流密度為已知,即當(dāng)時(shí):允。,:。.咖 瑟。式中,為邊界外法線的方向余弦。第三類邊界條件.對(duì)流邊界固體邊界與流體接觸時(shí),通過(guò)固體邊界的熱流密度與固體的溫度邊界條件和流體溫度之差成正比,即在邊界上:、 。. ?。,娶瓦 咖,豢乞:一辦一弓 出式中,為對(duì)流換熱系數(shù);巧:為流體溫度,由公式. 可知,當(dāng)專。時(shí),一,:,即丁,此時(shí)轉(zhuǎn)化成第一類邊界條件。輻射邊界高溫成形時(shí)熱輻射耗散的熱量在總傳熱量中占較大比重,輻射時(shí)熱流密度為:,巧弦疋 .式中,仃為斯蒂芬波爾斯曼.常數(shù),為物體表面輻射率,為環(huán)境溫度。第四類邊界條件絕熱邊界條件,代表溫度梯度在邊界法線方向?yàn)?即:.一?殺在。上玎式中,表示邊界的外法線方向。.熱傳導(dǎo)變分原理及有限元求解式.變分原理固體間接觸熱傳導(dǎo)求解時(shí)需聯(lián)立邊界條件和初始條件求解平衡方程。一般方法是,將求解微分方程的問(wèn)題利用變分法轉(zhuǎn)化為求解泛函的極值問(wèn)題?？?允瓦碩士學(xué)位論文與公式.及其邊界條件對(duì)應(yīng)的泛函如下:州去晰驢九研允警撇.?,甄臚詈一雪卜舭妒冊(cè):步吉丁一無(wú)丁聲,伊一疋丁,當(dāng)泛函丌取極值時(shí),泛函:的方程可使,在固體內(nèi)部?jī)?nèi)滿足熱平衡求解微分方程及其初始邊值條件。由于泛函萬(wàn)同時(shí)為時(shí)間和坐標(biāo)的函,故不僅要對(duì)時(shí)間域進(jìn)行離散化處理,還需要對(duì)空間域同時(shí)離散化處理。對(duì)時(shí)間和空間欲離散化處理后,將求解域劃分為有限個(gè)單元,與此同時(shí)泛函?可由各單元泛函丌。之和表示。泛函取極值時(shí)則有:旦幽:億初始條件給定后,溫度場(chǎng)即可通過(guò)上式求解出。.有限元求解式在有限元數(shù)值模擬中,一般用節(jié)點(diǎn)處的溫度表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度,即:喳 。.式中,為形函數(shù),丁。為單元節(jié)點(diǎn)處的溫度向量矩陣。用單元節(jié)點(diǎn)處的溫度變化率插值表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度變化率,即:望:?.于是有:舐 敘。 舐“豢警警巧警疋 敘丁一.?一正蘇/ 缸絲:.得:將上式代入公式. ,并由公式.。:譬婦,一:。若令:,】,一:。】,則上式為:.熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究公式.和.即為溫度場(chǎng)控制方程的瞬態(tài)求解矩陣形式,其中各分量可以表示成:,脅礦.礦歸.婚.馬,.礦、沁.礦:肛:.&,。.是.焉,.,女舐反舐.鞏卻卻, , ,.熱成形過(guò)程的熱力耦合分析熱成形過(guò)程中,板料溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)在不斷變化的同時(shí)兩者相互影響。因此,在熱成形數(shù)值模擬中需同時(shí)求解給定溫度分布下板料塑性變形方程和熱量傳遞方程,其實(shí)質(zhì)是在某一特定有限元網(wǎng)格上,分別求解受速度變化影響的熱傳導(dǎo)和受溫度變化影響的塑性變形,直至最終獲得收斂解。具體熱力耦合計(jì)算步驟如下:計(jì)算初始時(shí)刻的溫度場(chǎng)瓦;計(jì)算初始時(shí)刻溫度場(chǎng)不對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)“;利用步驟、的結(jié)果來(lái)求解初始時(shí)刻的溫度率東;博批一憊一孑;刷新節(jié)點(diǎn)最新坐標(biāo)位置,以及該時(shí)間步內(nèi)單元的等效應(yīng)變信息;根據(jù)前一時(shí)間步的速度場(chǎng),計(jì)算溫度場(chǎng)的第一級(jí)近似值翹,公式如下:碩士學(xué)位論文五熹融:乳一“盧/“計(jì)算與溫度場(chǎng)礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的新速度場(chǎng);利用新速度場(chǎng)按下式計(jì)算溫度場(chǎng)和第二級(jí)近似值:卜蓋聲劃塒重復(fù)步驟和步驟,當(dāng)?shù)玫降慕馐諗繒r(shí)終止;計(jì)算下一時(shí)間步的溫度率場(chǎng)瓦;重復(fù)步驟,直至求解終了。利用上述耦合方法計(jì)算時(shí),由于迭代求解時(shí)僅對(duì)溫度載荷列矩陣產(chǎn)生影響,其余無(wú)須再計(jì)算,因此溫度場(chǎng)求解時(shí)間較短。此外,由于較小的時(shí)間步內(nèi)速度場(chǎng)的變化對(duì)溫度的波動(dòng)不敏感,導(dǎo)致溫度場(chǎng)耦合計(jì)算影響速度場(chǎng)的迭代次數(shù)和收斂性。.熱塑性金屬材料特性.硼鋼性能試驗(yàn)本研究基于一種牌號(hào)為的硼鋼材料。參考文獻(xiàn)【】,其材料成分如下表.:表. 材料成分的質(zhì)量百分含量%提供的硼鋼不同溫度下圖.為根據(jù)的應(yīng)力.應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制的曲線。由圖可知,溫度對(duì)流變應(yīng)力有顯著影響,當(dāng)板料溫度為時(shí),板料應(yīng)力為左右,而當(dāng)板料溫度升到時(shí),材料的流變應(yīng)力降至左右,因此,在熱成形中,升高板料的變形溫度可以降低材料的流動(dòng)應(yīng)力,成形力降低,從而可降低壓機(jī)的噸位。圖.為根據(jù) 提供的硼鋼不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力.應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制的曲線。由圖可知,在一定溫度下,隨著應(yīng)變速率的增大,材料的流動(dòng)應(yīng)力水平提高,材料的流動(dòng)應(yīng)力受應(yīng)變速率影響較顯著。熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究./.一 一一 一一彤氬至、奄錒芻蝎弱的巧加攄; . . . . .圖.溫度對(duì)熱成形鋼板流動(dòng):,亍為的影響.?。?;墨.一一?.?:專.一生.一:,.的?。王:一一一.一:一蚺蚺蚺彤一.?:. . . . .圖.應(yīng)變率對(duì)熱成形鋼板流動(dòng)行為的影響圖.為高溫奧氏體狀態(tài)下,溫度對(duì)板料各向異性系數(shù)的影響,可見,隨溫度升高,越趨近于,在高溫均勻奧氏體中,板料的各項(xiàng)異性特性不明顯,但在板料。軋制方向的值略大于。和。方向。碩士學(xué)位論文. /. 。圈曩個(gè), .厶.協(xié)一加們加。 。 ”?.高溫均勻奧氏體下溫度對(duì)各向異性系數(shù)的影響.曲線的測(cè)定鋼的曲線是分析、判斷和預(yù)測(cè)鋼在連續(xù)冷卻過(guò)程中,奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能的依據(jù),其重要性早已被材料科學(xué)工作者和工程技術(shù)?人員所共識(shí)。圖.為在上海大學(xué)熱模擬試驗(yàn)平臺(tái)上將板厚為.的鋼板以/的速度加熱到。后保溫,然后以不同的冷速冷卻,利用膨脹法測(cè)量的曲線。憾贈(zèng)時(shí)間/圖.熱成形鋼板的曲線由繪制出的曲線可知,當(dāng)冷速低于/時(shí),鋼板主要由鐵素體、珠光熱成形工藝在汽車車身輕量化中的應(yīng)用研究體、少量貝氏體和馬氏體組成;而當(dāng)冷速在 /時(shí),則鋼板主要由貝氏體和馬氏體組成;當(dāng)冷速大于/時(shí),則鋼板只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。臨界冷卻速度大約為。/。.金屬材料熱成形機(jī)理板材熱成形工藝就是利用高溫狀態(tài)下金屬的塑性較好、屈服強(qiáng)度減小特點(diǎn),在熱成形模具上使零件成形的工藝。它主要是用來(lái)加工常溫下冷成形困難或者無(wú)法成形的高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的零件。熱成形生產(chǎn)中,將硼鋼板料加熱到約以上,使其均勻奧氏體化,從而降低板料的成形力,提高板料的成形性。此外高溫成形之后保壓冷卻,使板料在凸、凹模型腔內(nèi)保壓淬火,從而得到力學(xué)性能優(yōu)異的超高強(qiáng)度鋼制件,圖.給出了熱成形的具體工作流程。圈.熱成形工藝流程鋼板熱成形過(guò)程中的工件和模具接觸淬火過(guò)程是一個(gè)典型的溫度、組織轉(zhuǎn)變、應(yīng)力相互作用的過(guò)程。其相互作用關(guān)系如圖.所示:表示溫度對(duì)應(yīng)力的影響,主要表現(xiàn)為熱應(yīng)力;表示應(yīng)力對(duì)溫度的影響,主要表現(xiàn)為變形功轉(zhuǎn)化成的熱能反過(guò)來(lái)對(duì)溫度分布的影響,但在模具淬火過(guò)