热-力-相变耦合下brhs高强度钢热成形数值模拟

1、-范文最新推荐- 热-力-相变耦合下BR1500HS高强度钢热成形数值模拟 摘要高强度钢板的使用是实现汽车轻量化、提高汽车安全性能的重要途径之一。由于高强度钢板在常温下强度高、变形抗力大、延展性差，采用常规的冷冲压成形方式很难成形。因此，高强度钢板的热冲压成形技术应运而生。热冲压成形技术是先将高强度钢板加热到奥氏体化状态并保温然后成形及冷却的一种新的冲压成形工艺。由于高温可以使材料发生微观组织转变，成形之后再由模具对其进行冷却淬火，使之转变为马氏体，从而强度得到大大提高。本论文以BR1500HS高强度钢板为研究对象，利用实验研究与DEFORM-3D有限元模拟软件相结合的方法，建立高强度钢板的热成形工艺进行热-力-相变耦合分析，阐述板料在成形过程中的温度场和应力场的分布和变化特点，为热冲压模具的设计、汽车轻量化和安全化设计提供有价值的参考。6455关键词：高强度钢板； 轻量化； 热冲压成形； 有限元模拟； 热-力-相变耦合AbstractThe application of high strength steel (HSS) is very important in automotive

2、 light weighting industry and promoting passive security. However, because of the high stress,、deformation resistance and poor malleability of high strength steel, it is very hard to be formed by the method of cold punch, so the hot stamping technology emerged for demands. The hot stamping of HSS is a new forming process which heats the metal beyond the re-crystal temperature, then forming and quenching the part in mould to obtain high strength part. Because of high temperature, the material mic

3、rostructure transferred into Austenite, for quenching after forming, the microstructure switch to Martensite, thus the mechanical strength has been improved greatly. This paper takes the HSS BR1500HS as research object, using combining DEFORM-3D—method of numerical simulation and test to establish base on thermos-mechanical-metallurgical coupled analysis method. The distribution and persification in metal sheet during the process are presented and effect of the initial the temperature fiel

4、d and stress field. It was obtained for the purpose of proving some theoretical proofs for hot stamping tools designing、light weighting industry and passive security. 3.4 模拟结果及分析263.4.1 试样各时刻温度及等效应力分布变化263.4.2 冷却速率对热拉伸变形工艺的影响283.5 分析总结414 总结与展望434.1 全文总结434.2 研究展望43致谢45参考文献461 绪论随着时代的发展，汽车数量与日俱增，由此影响人们生活的环境，并大量消耗地球上的有限能源。伴随当今世界能源的短缺、环境污染日益增重等一系列问题，特别是国际原油和国内成品油价的上涨,汽车轻量化、节能、环保、安全舒适、低成本已成为各大汽车制造厂家追求的目标2。研究发现：减轻车重实现低耗减排效果明显。车重减每轻10%，可节约燃油3%8%1。目前汽车轻量化要求如下：1保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度的减轻各零部件的质量，降低燃耗，减少排

5、放污染。2努力改善汽车车身结构设计，最大限度地提高汽车的安全性和舒适性，降低行驶时噪音及振动，提高操纵性及可靠性41。3在汽车轻量化的同时，汽车的价格应当下降或保持在合理水平，具有商业竞争能力，即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。长期以来钢铁一直是汽车工业的基础3。但目前铝合金、镁合金、塑料及复合材料用量在汽车制造业中比例逐年增加，钢铁的主导地位因此受到了威胁。由此，制造商们对汽车车用钢板提出了更高的要求，特别是在车用钢的强度、硬度、抗冲击性等能力上。为了提高汽车的安全性并应对来自其他材料的挑战，采用高强度钢、超高强度钢板代替普通材料的方式已经成为实现汽车轻量化的最主要途径之一。 表1-1 常见有限元分析软件本构模型/时间积分软件名称开发者国家刚塑形材料模型SHEET-3Ohio州立大学美国CASHEKAIST韩国MFP2D/3DCatalunya大学西班牙弹塑性材料模型静力隐式算法DiekaTwente大学荷兰ABAQUSH.K.S公司美国DEFORMOhio Clumbus美国INDEEDINPRO德国弹塑性材料模型静力显示算法ROBUST大阪大学日本ITAS-2D

6、/3DRIKEN研究所日本DEFORM-3D有限元软件是美国Ohio Clumbus开发的一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性的模拟仿真分析软件，该软件包括强大的分析功能和前后处理器。适用于热、冷、温变形，提供富有价值的工艺分析数据。如：材料流动、模拟填充、锻造负荷、应力分析、晶粒流动、金属微观组织等发展情况。DEFORM-3D软件主要功能简介：1模拟范围：预成形粗加工、二次成形、热处理、焊接等加工工艺。2能模拟的热处理工艺类型：正火、退火、淬火、回火、渗碳、蠕变、高温处理、相变、金属晶粒重构等。3模拟内容：能够精确预测硬度、金相组织体积比值（如马氏体、残余奥氏体含量含量百分比等）、残余应力或者含碳量等热处理工艺评价参数。4材料模型：弹性、塑形、弹塑性、刚体和粉末材料。 1.4 研究的主要内容本论文以BR1500HS高强度钢板进行研究，利用物理实验和有限元模拟分析相结合的方法，对该材料的高温流变应力进行研究。然后根据实验条件将各工艺参数导入到有限元模拟软件中，分析热成形时成形条件对其温度、应力的分布规律和微观组织的影响。最后，为汽车轻量化和安全性提供有价值的参考。具体可分

7、为以下几部分：1基于BR1500HS高强度钢板的高温流变行为研究。利用Gleeble1500热模拟实验机，将该材料在热成形条件下进行等温和非等温单向拉伸实验，以确定其在不同变形温度下和不同变形速率下的应力-应变曲线。通过对结果数据进行方差分析，确定了材料拉伸变形时的应变量、应变速率以及变形温度对流变应力的影响，为后续的热成形成形研究提供依据。2用热拉伸试样代替热冲压成形进行有限元数值模拟，利用有限元模拟软件DEFORM-3D，将前面实验所得数据建立在材料模型中并导入有限元模拟软件中，通过模拟运算，得出热拉伸成形过程中各时刻坯料内的温度场和应力场的分布，研究热成形过程冷却速率和成形终了温度对热成形结果的影响，验证了热成形模拟的可行性。2 高强度钢板的性能研究2.1 前言热冲压成形是一次成形中需完成材料加热、保温、成形以及成形后保压和冷却等工序。加热后工件首先与模具接触，由于模具内置水冷管道，因此工件遇到模具温度会出现下降。随着温度下降出现相变，相变过程中释放的相变潜热将会对温度场产生影响，另外，工件在模具中成形，由于变形产生温升，这些温度变化导致板料微观组织中各相的热力学属性(弹性模量、

8、流动准则及热交换系数等等)都将依赖于温度场而发生变化。传统的动态CCT曲线只考虑恒温拉伸过程中的相变，没有考虑成形过程中的温度变化对力及组织的影响。 表2-2 Gleeble1500技术参数名称参数最大加热速度10000/s最大冷却速度10000/s最大载荷8165kg最大位移101mm最大加载速度20000kg/s最小加载速度0.001kg/s最大位移速度1200mm/s最小位移速度0.000017mm/s计算机采样通道数12最大采样速率5000Hz温度范围室温至1700 2.5 实验结果与分析1.等温拉伸实验I)不同冷却速度时膨胀曲线及转变点图2-5(a)为冷速0.5/s的膨胀曲线，这是试验中典型的膨胀曲线。从1150开始连续冷却至室温，曲线上有2个拐点，即700、579两处有明显的拐点, 说明在这两个温度范围出现相变，确定的相变点即为珠光体相变的开始与结束点，其中700为珠光体相变的开始温度。579为珠光体相变的结束温度。图2-5 (b)为冷速1/s的膨胀曲线，曲线在664和579温度出现相变。图2-5 (c)为冷速5/s的膨胀曲线，分别为540和429两个温度出现拐点，所确定的相变点应为贝氏体相变的开始与结束点。冷速为10/s的膨胀曲线与前面膨胀曲线形状不相同，在511、485和421分别出现拐点如图2-5 (d)所示，这说明随冷速加大，在421511温度范围内不再是一种相变，而是先出现一种相变，然后再出现第二种相变。即冷至511开始出现贝氏体相变，至485结束，开始了马氏体相变。冷速20/s的膨胀曲线在494和461出现拐点如图2-5 (e)所示，即为马氏体相变区。由膨胀曲线得到实验钢种的冷却转变温度，如表3-3所示。（a）0.5/s（b）1/s（c）5/s（d）10/s（e）20/s图2-5 实验材料奥氏体化后的冷却膨胀曲线表2-3 实验钢冷却转变温度冷速/sP相变温度/B相转变温度/M相转变温度/开始结束开始结束开始结束 II)不同冷却速度的显微组织如图2-6所示为在光学显微镜下观测到的恒温拉伸试样连续冷却转变组织形貌。如图2-6（a）所示冷速为0.5/s冷至640水淬组织的显微组织形貌，可以发现其显微组织由马氏体、珠光体和铁素体组织构成，1和5/s，因此可以判断冷

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