高强度钢板热冲压多物理场时空动态耦合数值模拟及实验研究

摘要

超高强度钢板在汽车制造领域的应用是有效地实现汽车轻量化和提高整车被动安全性途径。热冲压成形是一种专门用于制造汽车用高强度零部件新技术，且热冲压后的制件基本没有回弹。此技术的工艺过程是先将板料的温度升至再结晶温度以上某一温度值，然后将加热后的板料移至热冲压模具上，成形和淬火处理同步进行，最终得到拥有高强度的零部件的成形工艺。热冲压工艺目前在国内还是处于起步阶段，进行热冲压工艺的研究对其实际应用具有重要指导意义。
　　本文针对热冲压工艺缺乏合理的系统研究及工艺参数优化手段的问题，提出采用热-力-相三场交互耦合模拟的方法作为定量研究分析的有力手段。以超高强度钢板BR1500HS为研究对象，采用最前沿有限元模拟技术构建了U形件的热冲压数值模型，对成形机理，工艺数值分析与优化等方面展开了研究，以期为指导实际生产过程提供了理论和工艺依据。对现对全文工作总结如下：
　　①对热冲压工艺过程中数值求解中的传热理论、刚塑形有限元理论以及相变理论做了详细的分析，确定了热冲压热-力-相多场耦合求解方法。
　　②解决了有关模拟仿真中的多场耦合、材料建模、相变模型等关键技术的基础上，适当简化分析模型，建立了涵盖加热、变形与相变三场耦合的有限元分析模型，实现对主要工艺控制参数的定量分析。
　　③通过所建立的有限元模型，对超高强度钢板热冲压整个过程进行数值模拟，并且分析了成形过程中的温度场、相变场以及硬度分布的规律特点。
　　④以成形温度和最终马氏体积极分数作为评价热冲压成形质量及效果的指标，进一步研究了奥氏体化温度、冲压速度、保压时间和保压力这四个主要工艺参数对热冲压成形的影响规律，确定出最优的成形工艺参数。
　　⑤设计并制作了一套热冲压模具，进行了一系列的热冲压工艺实验。通过对热冲压件金相组织和硬度分析，验证了有限元模型的可靠性。

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目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 热冲压工艺概述

1.3 热冲压技术研究现状

1.4 课题研究的意义及主要内容

2 热冲压热-力-相耦合分析基本理论

2.1 热-力-相多场耦合概论

2.2 热-力-相耦合有限元分析基础

2.3 热-力-相耦合有限元分析方法

2.4 本章小结

3 热冲压过程的有限元模拟

3.1 有限元模型

3.2 工艺条件及工艺参数

3.3 模拟结果分析

3.4 本章小节

4 热冲压过程工艺参数对温度场与相变场的影响规律研究

4.1 奥氏体化温度的影响

4.2 冲压速度的影响

4.3 保压时间的影响

4.4 保压力的影响

4.5 本章小结

5 热冲压工艺实验

5.1 试样、装备及方案

5.2 模具冷却系统设计

5.3 实验过程

5.4 实验结果分析

5.5 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与项目