【摘要】：為了實現(xiàn)汽車輕量化、降低燃油消耗同時保證碰撞安全性能,高強度鋼板熱沖壓技術被廣泛應用于制造汽車車身結(jié)構(gòu)零部件。與傳統(tǒng)冷沖壓成形過程不同,熱沖壓過程包括板料的加熱、成形及淬火流程,是一個溫度場、應力場及相變場相互耦合的復雜過程。在該過程中,板料及所使用模具的溫度發(fā)生變化,板料的成形性會由于沖壓工藝參數(shù)及模具設計的不合理而發(fā)生惡化,板料內(nèi)部的微觀組織也會發(fā)生演變。因此,對熱沖壓過程進行準確建模和數(shù)值預測對于指導實際的熱沖壓工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的意義。本博士論文針對高強度鋼板熱沖壓過程中的溫度場、成形性及微觀組織演變進行數(shù)值預測和試驗驗證,主要工作有：(1)基于熱沖壓過程中溫度場、應力場及相變場之間的相互耦合作用,建立了熱、力及相變多物理場相耦合的本構(gòu)方程。通過熱力拉伸試驗測試了材料在高溫奧氏體狀態(tài)下的流動力學性能,研究了溫度及應變率對材料流動行為的影響。結(jié)合材料在高溫鐵素體、珠光體、貝氏體及馬氏體狀態(tài)下的流動力學性能,并考慮奧氏體變形時的等效應力對材料擴散型相變動力學的影響,采用動力顯式有限元算法開發(fā)了可用于高強度鋼板熱沖壓數(shù)值模擬的有限元軟件King Mesh Analysis System_Hot Stamping (KMAS_HS)。(2)開發(fā)了熱沖壓三維溫度場分析預測模塊。概述了熱沖壓的傳熱過程,通過考慮板料微觀組織相變潛熱釋放建立了熱沖壓熱傳導微分方程。結(jié)合熱沖壓瞬態(tài)溫度場問題的初始及邊界條件,采用Galerkin加權(quán)余量法對熱沖壓三維瞬態(tài)溫度場微分方程進行求解,導出了熱沖壓瞬態(tài)溫度場有限元的一般形式。分別采用溫度殼單元及三維四面體單元對熱沖壓板料和帶有冷卻系統(tǒng)的模具進行有限元離散。采用該分析模塊計算了U型試件熱沖壓過程中板料、三維實體模具及模具冷卻管道的溫度分布,并與實際試驗進行對比分析,可以看出數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果較一致。(3)開發(fā)了熱沖壓板料成形性分析預測模塊。分別將四種非耦合的韌性斷裂準則(Oh、Brozzo、Ayada和Rice-Tracey)和基于全耦合連續(xù)損傷力學的Lemaitre模型引入到熱沖壓有限元軟件KMAS_HS中,比較了它們對熱沖壓板料成形性的預測能力。進行了高強度鋼板在高溫下的成形極限試驗,獲得了不同溫度下的成形極限曲線,通過優(yōu)化對比采用四種非耦合的韌性斷裂準則預測的成形極限曲線與試驗所得曲線,確定了四種韌性斷裂準則中與溫度相關的材料臨界常數(shù)。對熱力拉伸過程進行數(shù)值模擬,通過優(yōu)化方法、數(shù)值模擬及試驗相結(jié)合的方式確定了與溫度和應變率相關的材料損傷參數(shù)。分別采用四種韌性斷裂準則及Lemaitre損傷力學模型預測了一款汽車B柱在熱沖壓過程中的成形性,并進行相應的試驗驗證,得出基于連續(xù)損傷力學的Lemaitre模型結(jié)合有限元的方法可以準確預測熱沖壓過程中的韌性損傷及斷裂。隨后基于該損傷力學模型又進一步研究了壓邊力及摩擦系數(shù)對熱沖壓板料成形性、損傷演化和凸模力的影響。(4)開發(fā)了熱沖壓微觀組織演變及成形后零件力學性能分析預測模塊。采用Newton-Raphson迭代法對擴散型相變動力學方程進行求解,運用Scheil疊加準則將等溫相變動力學模型應用于非等溫過程,并考慮奧氏體變形時的等效應力對擴散型相變孕育時間的影響。針對熱沖壓過程,分別采用Li和Akerstrom擴散型相變動力學模型結(jié)合Koistinen-Marburger (K-M)非擴散型相變動力學模型模擬汽車B柱熱沖壓過程中的微觀組織演變,采用Maynier硬度模型預測成形后零件的力學性能,并進行相應的驗證試驗,結(jié)果表明采用Li模型結(jié)合K-M模型的數(shù)值預測結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好。針對梯度硬度熱沖壓過程,采用適應能力更強的Lee擴散型相變動力學模型結(jié)合Yu非擴散型相變動力學模型預測S型梁梯度硬度熱沖壓過程。Lee模型中的材料參數(shù)基于材料在應力自由狀態(tài)下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線通過優(yōu)化的方法確定,此外,還建立和標定了與冷卻速率相關的硬度預測模型。并進行相應的驗證試驗,結(jié)果表明采用模具分區(qū)加熱冷卻的方法可實現(xiàn)零件的硬度梯度分布,數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性證明了所建立的多場耦合本構(gòu)方程、相變動力學模型及硬度預測模型的正確性。
[Abstract]:In ord to realize that light weight of the automobile, reduce the fuel consumption and ensure the impact safety performance, the high-strength steel plate hot stamping technology is widely applied to the manufacture of automobile body structural parts. In contrast to the traditional cold press forming process, the hot stamping process includes the heating, forming and quenching process of the sheet, which is a complex process of the mutual coupling between the temperature field, the stress field and the phase transition field. In the process, the temperature of the sheet and the used mold is changed, and the formability of the sheet can be deteriorated due to the improper punching process parameters and the die design, and the microstructure in the sheet metal can also change. Therefore, the accurate modeling and numerical prediction of the hot stamping process is of great significance for guiding the practical hot stamping industrial production. This dissertation is based on the mutual coupling between the temperature field, the stress field and the phase change field during the hot stamping process of the high-strength steel plate, and the heat is established. Constitutive equation of the coupling between the force and the phase-change multi-physical field. The effect of temperature and strain rate on the flow behavior of the material was studied by means of thermal tensile test. The dynamic performance of the bonding material in the high temperature ferrite, pearlite, bainite and martensite state is considered, and the effect of the equivalent effect force on the material diffusion type phase change dynamics is taken into consideration. The finite element software King Mesh Analysis System _ Hot Stamps (KMAS _ HS), which can be used for numerical simulation of hot stamping of high-strength steel plates, is developed by the dynamic explicit finite element method. (2) The hot stamping three-dimensional temperature field analysis and prediction module is developed. In this paper, the heat transfer process of hot stamping is introduced, and the heat-stamping heat transfer differential equation is established by considering the latent heat release of the phase change of the micro-structure of the sheet. Combined with the initial and boundary conditions of the transient temperature field of the hot stamping, the differential equation of the three-dimensional transient temperature field of the hot stamping is solved by the Galerkin weighted margin method, and the general form of the finite element of the thermal stamping transient temperature field is derived. Respectively adopting a temperature shell unit and a three-dimensional tetrahedral unit to carry out finite element dispersion on the hot stamping plate and the mould with the cooling system respectively. The temperature distribution of the plate, the three-dimensional solid mold and the mold cooling pipeline during the hot stamping process of the U-type test piece is calculated by the analysis module, and compared with the actual test, it can be seen that the numerical results are consistent with the test results. (3) The hot stamping sheet forming analysis and prediction module was developed. Four non-coupled ductile fracture criteria (Oh, Brozzo, Ayada, and Rice-Tracey) and the Lemaitre model based on the full-coupled continuous damage mechanics were introduced into the hot-stamping finite element software KMAS _ HS, and their prediction of the formability of the hot stamping sheet was compared. the forming limit test of the high-strength steel plate at high temperature is carried out, the forming limit curve at different temperatures is obtained, The critical constants of the material related to the temperature in the four ductile fracture criteria are determined. The thermal stretching process is numerically simulated, and the material damage parameters related to the temperature and strain rate are determined by means of the optimization method, the numerical simulation and the test. The formability of a B-column in a hot stamping process is predicted by four ductile fracture criteria and the Lembaitre damage mechanics model, and the corresponding test verification is carried out. It is concluded that the Lemeritre model based on the continuum damage mechanics can accurately predict the toughness damage and fracture in the hot stamping process. Then, based on the model of the damage mechanics, the effects of the blank holder force and the friction coefficient on the formability, damage evolution and the convex die force of the hot stamping sheet are further studied. (4) The microstructure evolution of the hot stamping and the prediction of the mechanical properties of the parts after forming are developed. By using the Newton-Raphson iteration method to solve the diffusion-type phase-change dynamic equation, the isothermal phase-change dynamic model is applied to the non-isothermal process by using the Scheil superpose criterion, and the effect of the isodynamic force on the time of the diffusion-type phase change inoculation is taken into consideration. In the process of hot stamping, the microstructure evolution of the B-pillar hot stamping process was simulated by using the Li and Akerstrom diffusion-type phase-change kinetics model in combination with the Kostinian-Marburger (K-M) non-diffusion type phase change dynamics model, and the mechanical properties of the molded parts were predicted by the Maynard hardness model. The results show that the result of the combination of the Li model with the K-M model is better than that of the test results. The thermal stamping process of the S-beam gradient was predicted with a stronger adaptive Lee diffusion-type phase-change dynamic model and a Yu non-diffusion-type phase-change dynamic model for the gradient-hardness thermal stamping process. The material parameters in the Lee model are determined based on the continuous cooling transition curve of the material in the stress free state, and the hardness prediction model associated with the cooling rate is also established and calibrated. The results show that the hardness gradient distribution of the part can be realized by the method of heating and cooling of the die zone, and the consistency of the numerical results with the test results shows that the established multi-field coupling constitutive equation, the phase change dynamics model and the hardness prediction model are correct.
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG306

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本文編號：2486379