高强度钢板热成形温度场数值模拟分析

　　高强度可淬火钢板热成形后具有轻质、高强、成形性好等特点，可广泛应用于汽车保险杠、车身B柱、车门防撞梁等构件的生产。可满足汽车轻量化和安全性能的要求[1-4]。

　　热成形技术原理是把高强度硼合金钢加热至奥氏体，随之放在带有快速冷却系统的模具内冲压成形并淬火，钢板组织由奥氏体转变为马氏体，得到超高强度比的成形件。

　　热成形工艺与传统的冷成形相比，最大的特点就是板料与模具上存在一个不断变化、相互耦合的温度场。板料热成形要经历组织相变，影响板料成形能力以及力学性能。反之，热成形过程中涉及大变形问题，塑性功产生的热以及板料和模具的接触状态变化，又会反作用与这个温度场。热成形正是一个高温成形与淬火工艺相结合，温度场和变形场同时共存，强烈耦合的过程[5-9]。

　　在现代数值模拟技术的帮助下，数值模拟热成形过程中板料的关键力学性能以及温度场的变化情况，可为实际生产中优化模具型面结构、缩短产品开发周期、提高模具寿命发挥重要的作用。利用商业软件ABAQUS、DYNAFORM、PAM-STAMP等进行热成形模拟分析已积累大量研究成果[10-12]。但它们数值模拟工件间的温度场大多基于经验公式，影响温度场计算准确性以及高强度钢板热成形的模拟研究。

　　本文基于温度壳单元有限元分析理论，建立了板料、模具相互耦合的温度边界条件和热传导模型。编写了 FORTRAN 算法程序，在自主开发的金属成形CAE软件KMAS(King-Mesh AnalysisSystem)基础上加入热成形模块，对热成形过程板料和模具的热传导以及温度分布进行了模拟分析。并与实验做了对比。

　　1 热成形温度场分析基本理论

　　热成形过程中温度场的控制方程为：

　　式中：T为材料内部任一点的温度，它是时间变量t和坐标(x , y , z )的函数;ρ、c分别为材料的密度和比热;Kx 、Ky、Kz分别为x方向、y方向、z方向的热传导系数;Q为材料内部的热源密度。

　　假设材料为热传导各向同性材料Kx=Ky=Kz。板料成形过程中有95%塑性功转化为热Q 。模具为刚体，内部无热源Q=0。板料和模具均采用王勖成等[13]构造的四节点温度壳单元。

　　温度壳单元采用了ξ1、ξ2、ξ3曲线坐标系，ξ1、ξ2在中面内，ξ3垂直于中面，在单元的上表面、下表面上分别有ξ3=1/2和ξ3=1/2。

　　假设单元内温度场沿ξ3方向为二次变化：

　　T0(ξ1、ξ2, t)代表中面的温度，T1(ξ1、ξ2, t)ξ3和T2(ξ1、ξ2, t)可由温度边界条件得出。