基于ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的熱沖壓成形模擬及參數(shù)優(yōu)化

蘇曦

摘要：利用有限元分析軟件LS-DYNA對汽車加強(qiáng)件的熱沖壓成形及合模冷卻過程進(jìn)行模擬.運(yùn)用ALE算法解決了成形以及冷卻過程中的熱-流-固耦合問題的計(jì)算求解問題，成功完成汽車加強(qiáng)件的熱沖壓加工過程的數(shù)值模擬.獲得了熱沖壓過程中板料的溫度場相關(guān)數(shù)據(jù)，利用正交試驗(yàn)手段，實(shí)現(xiàn)對熱沖壓冷卻參數(shù)的優(yōu)化.模擬結(jié)果可為熱沖壓工藝分析提供參考.

關(guān)鍵詞：熱流固;模擬;有限元

中圖分類號(hào)：U463? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）06-0097-03

為了降低能源損耗，汽車輕量化生產(chǎn)已經(jīng)成為當(dāng)今發(fā)展趨勢.對于汽車車身零件的使用，在保證汽車安全性和碰撞性能的前提下，研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家都在不斷探索降低車身重量和減少結(jié)構(gòu)件厚度的生產(chǎn)工藝方法.熱沖壓技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生.在沖壓前對材料進(jìn)行加熱，獲得良好的塑性性能后進(jìn)行沖壓加工，并在加工結(jié)束后利用冷卻水流實(shí)現(xiàn)淬火冷卻，使材料發(fā)生相變，從而獲得滿足使用需要的高強(qiáng)度汽車零部件產(chǎn)品.材料通過熱沖壓淬火工藝處理后可以得到高出冷沖壓產(chǎn)品3倍左右強(qiáng)度的產(chǎn)品零件.這種產(chǎn)品在保證車身輕量化的前提下，仍然保有較高的強(qiáng)度，既滿足了使用時(shí)對安全性能的要求，又降低了汽車能源的消耗量，間接降低了汽車尾氣所帶來的污染.

這一技術(shù)目前尚在研究探索階段，很多工藝仍不成熟.通過引入有限元仿真手段對這一加工過程進(jìn)行模擬可以為實(shí)際生產(chǎn)提供有效依據(jù).

1 模具模型建立

運(yùn)用三維建模軟件UG完成產(chǎn)品實(shí)體建模，汽車產(chǎn)品模具分別由上、下模兩大部分組成.區(qū)別于一般冷沖壓模具，模具模型中預(yù)留出若干孔道用于通入冷卻水流實(shí)現(xiàn)合模淬火.由于熱沖壓過程處于多物理場相互影響的環(huán)境中，溫度、水流狀況以及模具與材料的相互作用都會(huì)對模擬結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，傳統(tǒng)的模擬仿真手段無法考慮溫度場、水流場等物理場之間的相互影響，這里運(yùn)用熱-流-固耦合的模擬技術(shù)可以使模擬結(jié)果更加貼近實(shí)際生產(chǎn)情況.多物理場耦合仿真技術(shù)對于計(jì)算網(wǎng)格的要求較高，網(wǎng)格數(shù)量太少，模型描述就不精確;網(wǎng)格數(shù)量過多，計(jì)算量就會(huì)過于龐大，影響效率.為了兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率，防止由計(jì)算網(wǎng)格問題造成的分析錯(cuò)誤的情況出現(xiàn)，采用專業(yè)軟件Hypermesh對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分.[1]劃分結(jié)束后，將網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行后續(xù)的數(shù)值模擬.

傳統(tǒng)冷沖壓都是在室溫狀態(tài)下進(jìn)行的.模擬時(shí)，工藝參數(shù)基本保持恒定.但熱沖壓加工需要在高溫條件下進(jìn)行，考慮到淬火冷卻時(shí)溫度發(fā)生變化，從而引起材料相關(guān)屬性的變化.在模擬時(shí)，材料熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容以及熱膨脹系數(shù)不能使用恒定值，而應(yīng)該采用隨溫度變化的參數(shù)值[2].這樣會(huì)提高模擬結(jié)果的真實(shí)性.結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料得到在熱沖壓溫度范圍內(nèi)的各參數(shù)值，完成材料參數(shù)的設(shè)定.

2 ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用

成形過程模擬時(shí)，通常采用固體網(wǎng)格對材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分.熱沖壓過程較為復(fù)雜，成形時(shí)模具與板料之間會(huì)相互作用，板料、模具與冷卻液三者之間會(huì)出現(xiàn)熱量傳遞.單一的固體網(wǎng)格是無法實(shí)現(xiàn)對這種多物理場耦合情況的分析計(jì)算的.那么，通過引入ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)就可以解決溫度、流體和固體間的耦合問題[3].熱沖壓模擬時(shí)，板料受到模具施加的外力作用產(chǎn)生塑性變形，使用ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)可以在材料發(fā)生變形后的某一時(shí)刻拾取板料的邊界，對此時(shí)板料內(nèi)的單元進(jìn)行網(wǎng)格重劃，再將有關(guān)信息傳輸?shù)街貏澓蟮木W(wǎng)格中.即板料完成一個(gè)計(jì)算步的變形后，軟件對網(wǎng)格重新進(jìn)行一次劃分.每重劃一次網(wǎng)格，就對網(wǎng)格中的信息更新一次，從而確保模擬信息的時(shí)效性.同時(shí)，可以預(yù)防因變形程度過大導(dǎo)致的單元信息失真的情況出現(xiàn).一般的有限元分析軟件常會(huì)因?yàn)椴牧铣尚螘r(shí)變形程度過大而出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤.擁有ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的軟件LS-DYNA可以很好地解決這一工程問題.

ALE算法的最大優(yōu)勢就是在模型的邊界和內(nèi)部采用不同的計(jì)算方式，用與拉格朗日算法相似的方法處理板料與模具模型的邊界情況的分析計(jì)算，用與歐拉算法相似的方法處理板料與模具模型內(nèi)部情況的分析計(jì)算.選用固體單元作為模具與板料的物質(zhì)單元，將流道處的網(wǎng)格單元形式設(shè)置為固體ALE單元，利用ALE單元作為橋梁，讓模具流道與模具本體之間可以在模擬計(jì)算時(shí)實(shí)現(xiàn)信息傳遞.使用狀態(tài)方程來描述模具流道內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4].使用的流體材料是冷卻水，選用Gruneisen方程作為水流的狀態(tài)方程[5]：

p=+（γ0+aμ）E

其中，p為壓強(qiáng);E為初始單位體積的內(nèi)能增量;a為γ0的一階體積修正系數(shù);μ為壓縮度，μ=（v/v0-1）;v0為初始比容;C為Us—Up曲線斜率;Us為應(yīng)力波傳播速度;Up為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度;ρ0為初始密度;E為內(nèi)能;S1、S2、S3為待定常數(shù).

在流道的進(jìn)口與出口處設(shè)定網(wǎng)格單元形式為流體ALE網(wǎng)格單元，讓其符合流體網(wǎng)格的計(jì)算要求，從而實(shí)現(xiàn)冷卻流道內(nèi)水流狀態(tài)的模擬以及冷卻水流與冷卻流道間的熱量傳遞模擬.[6]

使用ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)就可以完成從板料到模具間、再從模具到冷卻水間的熱量傳遞過程的仿真模擬.為后續(xù)熱沖壓溫度場相關(guān)數(shù)據(jù)信息的獲得創(chuàng)造條件.

3 熱沖壓的成形過程

多余的壓邊裝置會(huì)對板料的傳熱造成影響，從而影響最終的冷卻效果，不利于板料淬火成形.所以，這里采用無壓邊圈的方式進(jìn)行沖壓.加熱后的板料放置在凹模上，凹模全程固定，凸模沿著垂直凹模方向向下進(jìn)行沖壓.此時(shí)板料組織完全奧氏體化，塑性條件良好，適合拉延成形.上下模閉合時(shí)，板料的熱量傳遞給模具，使得模具溫度升高.在模具的流道內(nèi)通入冷卻水，使之與模具發(fā)生熱量交換，實(shí)現(xiàn)對板料的冷卻.

4 冷卻參數(shù)的優(yōu)化

熱沖壓成形過程中，影響成形冷卻效果的因素有很多，包括淬火時(shí)流道內(nèi)的水流速度、水流管道間距尺寸、管道直徑、板坯合模時(shí)的壓力大小以及板坯淬火的初始溫度等.一般條件下，水流速度越快、流道間距越小、合模時(shí)壓力越大、板坯初始溫度越高，冷卻效果就會(huì)越好，越有利于淬火后生成強(qiáng)度較高的馬氏體組織.但這樣往往會(huì)影響生產(chǎn)效率，同時(shí)也會(huì)縮短模具的使用壽命.需要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量選擇提高生產(chǎn)效率、延長模具使用壽命的參數(shù)組合方式.不同于單一因素對模擬結(jié)果的影響，在多個(gè)影響因素的作用下，可以通過正交試驗(yàn)的方法來獲取最優(yōu)參數(shù)，找到既保證產(chǎn)品冷卻效果又滿足生產(chǎn)效率的合理參數(shù)組合.

選取5個(gè)冷卻影響因素，每個(gè)因素取4個(gè)合理的水平值，設(shè)置一個(gè)5因素4水平的參數(shù)表格.

針對不同的因素和水平，建立起16個(gè)樣本組的正交試驗(yàn)表.

依據(jù)正交表中的各個(gè)樣本參數(shù)，完成1到16組模擬試驗(yàn).通過模擬計(jì)算獲得淬火階段板料的溫度變化情況.經(jīng)過10s合模淬火后，各個(gè)樣本中板料的局部最高溫度、局部最低溫度以及最大溫差如表3所示.

淬火后，板料上的各部分的溫度值是不一樣的，整個(gè)板料呈現(xiàn)不均勻溫度分布情況.由于板料沖壓時(shí)發(fā)生了塑性變形，溫度差越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象也會(huì)越明顯，極易造成產(chǎn)品零件的缺陷甚至毀壞.為了產(chǎn)品質(zhì)量考慮，我們通常會(huì)選擇淬火后板料溫度分布較為均勻的一組參數(shù)值作為優(yōu)化后的參數(shù).樣本1的板料淬火后溫差最小為76.1℃，其溫度分布最為均勻，即最優(yōu)的參數(shù)組合為板料初始溫度為850℃、冷卻水流速為5m/s、冷卻管道間距為15mm、合模壓力為5Mpa、水道直徑為3mm.

5 結(jié)語

通過三維建模軟件建立模具與板料模型，利用軟件LS-DYNA中的ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)完成熱沖壓“成形+淬火”過程的連續(xù)模擬，獲得板料淬火后的溫度場分布情況.利用正交試驗(yàn)的手段，取得若干組模擬數(shù)據(jù)，對熱沖壓淬火過程中常見的工藝參數(shù)進(jìn)行篩選，獲得加工后產(chǎn)品溫度分布最均勻的模擬方案.為熱沖壓工藝的優(yōu)化提供參考.

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