鋁合金保險杠防撞梁淬火數(shù)值模擬

米 林，王 飛，吳 旋

(重慶理工大學重慶汽車學院，重慶 400054)

熱處理是保證制造業(yè)產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量、提高其使用性能和可靠性的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的熱處理是依靠經(jīng)驗型技術(shù)實現(xiàn)的。但經(jīng)驗型技術(shù)很難融入以信息化為主導的先進制造技術(shù)中，因此，迫切需要將熱處理改造為基于知識的熱處理技術(shù)，從而解決熱處理信息化在制造業(yè)中的瓶頸問題［1］。在這種背景下，熱處理計算機模擬應運而生。它通過對工件溫度場、應力場和變形場等的模擬，讓人們可以在動態(tài)情況下看到熱處理過程中工件的性能變化，從而對實際生產(chǎn)過程起指導作用。

在熱處理數(shù)值模擬過程中，淬火過程的計算機模擬是最受人們重視的一個過程。這主要是由于工件在淬火時受到溫度場、組織場和應力場3個方面的同時相互作用，要精確模擬這一過程需結(jié)合溫度場-組織場-應力場進行耦合計算。所謂淬火數(shù)值模擬技術(shù)，就是利用可視化技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)，基于傳熱學、力學及相變動力學理論等進行淬火溫度場-組織場-應力場的模擬仿真，并根據(jù)模擬結(jié)果預測和揭示零件淬火過程中所產(chǎn)生的畸變和殘余應力，從而為改進和優(yōu)化工藝提供決策依據(jù)，以達到降低熱處理變形量、改善應力分布、保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的［2-4］。

本文以汽車6061鋁合金保險杠前防撞梁為對象，在大型商業(yè)有限元軟件ANSYS Workbench環(huán)境下對工件進行了淬火過程溫度場、應力場及變形場的分析，得出了較為理想的模擬結(jié)果。

1 材料物理性能參數(shù)的選取

制造鋁合金保險杠防撞梁的材料為6061鋁合金型材。工件在淬火過程中靜態(tài)水的對流膜系數(shù)選擇Workbench中的Stagnant Water-Simplified Case。6061鋁合金的部分物理性能(如導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等)是隨溫度變化的，可通過查閱資料［5］得出，參數(shù)見表 1、2。其他參數(shù)(如密度、彈性模量、泊松比等)隨溫度變化不大，設置為常數(shù)值，參數(shù)見表3。

表1 導熱系數(shù)隨溫度的變化情況

表2 熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化情況

表3 6061鋁合金的主要熱物理參數(shù)

2 淬火過程的數(shù)學模型

2.1 溫度場的計算模型

工件淬火過程的溫度場對熱處理過程起著重要作用，直接影響到產(chǎn)品的最終質(zhì)量性能指標。由于淬火過程是瞬態(tài)的，再加上隨溫度變化的非線性參數(shù)，如導熱系數(shù)等的作用，導致溫度場的計算即為求解瞬態(tài)非線性熱傳導方程［6］:

式中:ρ材料密度;cp為定壓比熱容;λ為熱傳導系數(shù);q*為材料的內(nèi)熱源強度，它源于淬火過程中的相變潛熱;T為溫度;t為時間。

q*定義為

其中:V代表體積;ΔH代表單位體積的相變潛熱。

淬火過程的熱處理邊界條件:

淬火過程熱處理的初始條件為

2.2 應力場的計算模型

淬火過程中的瞬態(tài)應力場求解反映到力學上便是熱彈塑性問題的求解。對于服從Von.Mises屈服準則的等向強化材料熱彈塑性問題，在塑性區(qū)的應力應變關系為

其中:[Dep]為彈塑性矩陣;d{ εT}和d{ εtr}分別代表溫度應變和組織應變，是由溫度對彈性模量影響而導致的附加應變;d{ ε}0是由溫度對彈性模量影響而引起的附加應力。

在淬火過程中，因為工件不受其他外力作用，因此，引起工件變形的主要因素是溫度分布不均和組織轉(zhuǎn)變不同。根據(jù)變分原理，單元平衡方程的增量形式為

其中:[K]e為單元剛度矩陣;Δ{ Rh}e為熱載荷向量。

對于塑性區(qū)域:

式中溫度應變Δ{ εT}e和組織應變Δ{ εtr}e分別為:

其中:α為熱膨脹系數(shù);β為組織轉(zhuǎn)變時所引起的線膨脹系數(shù)。

3 6061鋁合金ANSYS Workbench淬火熱處理仿真

3.1 前處理階段

1)前防撞梁的幾何建模及有限元模型。利用CATIA建立前防撞梁1∶1的三維實體模型，模型長為1 118 mm，寬為90 mm，高為50 mm，厚為3 mm。為了得到比較精確的仿真結(jié)果，網(wǎng)格質(zhì)量需要有一定的保證，因此，將建立好的模型保存為iges文件，再導入HyperMesh中進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。將劃分好的網(wǎng)格保存為cdb格式，導入ANSYS Workbench中進行分析。實體網(wǎng)格單元尺寸為3 mm，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為58 188，單元數(shù)為29 388，其幾何模型、有限元模型如圖1所示。

圖1 前防撞梁的幾何模型及有限元模型

2)淬火邊界條件約束及加載。生產(chǎn)實踐表明，淬火冷卻是熱處理工藝中返修率和廢品率最高的工序，是熱處理質(zhì)量控制中最難掌握的環(huán)節(jié)。要評估淬火件的組織轉(zhuǎn)變情況及淬火應力，優(yōu)化熱處理工藝，必須確定淬火冷卻過程中工件材料內(nèi)部溫度隨時間的分布規(guī)律［7-8］。對于前防撞梁溫度場的數(shù)值模擬，采用的邊界條件是設置工件初始溫度為Uniform Temperature，值為530℃;環(huán)境溫度(水溫)為25℃，淬火介質(zhì)為靜態(tài)水。雖然在淬火過程中熱傳遞的方式有熱輻射、熱對流和熱傳導3種，但對熱量傳遞起主要作用的是熱對流，另外2種方式影響甚微，可忽略不計。流膜系數(shù)選擇Workbench中Convection子界面下的Stagnant Wa-ter-Simplified Case選項，將對流載荷加載在工件表面。由于工件比較薄，因此，淬火結(jié)束時間Step End Time設置為60 s。計算時打開線性搜索及自動設定時間步長，并設定計算時間步長為0.1 s。

3.2 仿真結(jié)果分析與驗證

由設置的求解條件得到在淬火過程60 s內(nèi)工件的溫度場分布、溫度變化曲線及變形、應力場分布云圖，如圖2～5所示。

圖2 淬火過程中的溫度場分布云圖

從溫度場分布云圖和溫度變化曲線中可以明顯觀察到:在淬火過程中工件溫度在淬火初期急劇下降，主要集中在前10 s之內(nèi);在淬火時間為0.1 s時，工件溫度已由最初的530℃下降到500℃左右;淬火0.5 s時，溫度下降到420℃左右;淬火1 s時，溫度下降到350℃附近;淬火10 s過后的溫度已達到43℃;在40 s時工件溫度幾乎接近于室溫;淬火過程結(jié)束時(60 s)溫度已與水溫一致。并且可以看到，在淬火過程中防撞梁兩端面溫度迅速降低，而表面溫度下降較端面稍慢，因而，端面淬透性很大，這主要是因為端面處與介質(zhì)接觸面積大，對流換熱充分，這與實驗情況相符合。淬火過程中的最高溫度出現(xiàn)在表面的中間部位，最低溫度出現(xiàn)在工件的兩端。由于淬火過程中溫度下降劇烈，這勢必導致淬火時的溫差較大，從仿真結(jié)果可以看到溫差最大時達到了40℃以上，這會對工件的應力產(chǎn)生一定的影響。另外，溫度場的模擬也為精確計算淬火過程工件的應力及變形做好了準備。

圖3 淬火過程中溫度變化曲線

圖4 淬火過程中的變形云圖

圖5 淬火過程中的應力云圖

從圖4(a)、(b)中可以看到:工件在40 s時和60 s淬火結(jié)束時的變形都很小，最大變形僅為0.04 mm，出現(xiàn)在兩端面;最小變形出現(xiàn)在工件的中部。從圖5(a)中可以看出:淬火40 s時，工件的最大應力值為1.2 KPa，它出現(xiàn)在兩端面中心尖角處，這主要是由于該處淬火時，端面溫度下降最快，引起的溫差較大，造成了比較大的熱應力，再加上淬火過程中由于材料組織的變化，該處將產(chǎn)生體積膨脹而形成一定的組織應力，熱應力和組織應力共同作用形成了最后的內(nèi)應力。從圖5(b)中可以看見，淬火60 s時最大應力值僅為1.1E-6Pa，且應力分布比較均勻。盡管工件在淬火40 s和60 s時溫度相差很小，但工件在這2個時刻的應力值相差甚大，這一現(xiàn)象充分說明了工件淬火40 s時雖然溫度已接近淬火介質(zhì)的溫度，但從應力場分析工件淬火顯然不充分，故在淬火時應保證工件淬火時間不低于60 s。另外，由于整個淬火過程中的最大應力始終低于1 MPa，故工件在淬火過程中不會出現(xiàn)應力開裂現(xiàn)象，能夠保持較優(yōu)良的性能。

4 結(jié)論

1)鋁合金防撞梁在以25℃的靜態(tài)水為介質(zhì)中淬火能夠滿足實際生產(chǎn)需求。

2)要使防撞梁在淬火過程中充分淬透，淬火時間不能低于60 s。

3)整個淬火過程產(chǎn)生的應力比較小，均低于1 MPa，因此，可以保證在淬火時防撞梁不會出現(xiàn)應力開裂現(xiàn)象。

4)淬火結(jié)束后，工件的變形很小，最大值僅為0.04 mm，不會影響到工件的實際尺寸和形狀。

［1］韓斌慧，閻獻國.基于ANSYS的絲錐淬火冷卻過程計算機模擬［J］.制造技術(shù)與機床，2008(6):121-124.

［2］馬仙.淬火過程數(shù)值模擬研究進展［J］.兵器材料科學與工程，2009(3):59-63.

［3］潘健生.熱處理信息化與制造業(yè)跨越式發(fā)展［J］.江蘇科技信息，2004(8):1-4.

［4］李強，王葛.淬火冷卻過程計算機模擬研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.重型機械，2001(6):4-7.

［5］譚真，郭廣文.工程合金熱物性［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1994.

［6］劉莊，吳肇基，吳景之.熱處理過程的數(shù)值模擬技術(shù)［M］.北京:科學技術(shù)出版社，1996.

［7］Fletcher A J，Griffiths W D.Heat Transfer during Vapour Blanket Stage of Quench［J］.Materials Science and Technology，1993，9:958-964.

［8］Fletcher A J，Griffiths W D.Model of Heat Transfer during Quenching in Sodium Polycrylate Solutions［J］.Materials Science and Technology，1995，11:322-327.