热成形工艺在汽车轻量化中的应用研究

发布时间：2017-04-13 07:35

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【摘要】：随着能源危机、交通安全和环境污染的日趋严重，节能、安全、环保已成为21世纪世界汽车工业发展的三大趋势。汽车轻量化技术是实现该目标的有效途径之一。优化车身结构设计和采用轻量化材料是汽车轻量化的两大有效途径。其中，轻量化材料包括新型轻质材料和(超)高强度钢材料。一方面，新型轻质材料，如铝合金、钛合金碳纤维等的不断涌现，为轻量化技术的发展提供了广阔的发展空间；另一方面，热成形工艺的出现，使得抗拉强度在1500Mpa以上的超高强度钢材料在车身上的应用越来越广泛。 本文主要内容包括以下几方面： (1)论述了热成形模具冷却系统设计的基本要求，并基于传热学原理计算了冷却管段直径与冷却管道根数之间应满足的关系式；基于材料的弹塑性，建立了冷却管道间距应满足的力学关系式；并将冷却管道模具的力学模型简化为简支梁，根据弯曲强度校核条件，建立了冷却管道与承载型面间距应满足的公式。最后基于上述关系式，设计了“中气”轿车车门防撞梁热成形模具。 (2)基于LS_DYNA软件，创新性地将体积流法应用到冷却系统建模中，建立了热成形板料、模具及冷却水流之间的热力耦合模型。在此基础上取车门防撞梁中间一段“U”型样件，对其成形和淬火过程进行热力耦合数值模拟，得出了冷却水流速、冷却管道直径、板料初始温度、模具温度及冲压速度等工艺参数对热成形工艺的影响规律；根据成形终了和保压淬火终了时刻板料应力场和温度场的分布，，优化模具冷却系统布局及热成形工艺参数。最后论述了板料初始温度、模具温度变化及不同冲压速度对热成形工艺的影响。 (3)参考车门防撞梁国内外法规，对普通高强钢冷成形车门防撞梁和热成形车门防撞梁进行了静态承载性能和动态抗冲击吸能性能的对比研究。研究表明，热成形防撞梁具有优异的静态承载性能和动态抗冲击吸能性能，因此，采用热成形工艺不仅可以提高汽车安全性能，还能有效减轻车身重量，实现汽车的轻量化。 本文以“中气”轿车前门防撞梁为研究对象，设计了热成形专用模具，运用上述体积流法实现了板料、模具和冷却水流间的热力耦合模拟，并开发热成形模具验证了冷却系统设计方法和体积流法的有效性。本文是CAE工程应用性课题，在热成形模具的前期开发中，运用本文论述的冷却系统设计与模拟方法，可以有效缩短模具开发周期，降低开发成本。
【关键词】：汽车轻量化 热成形 超高强度钢 数值模拟 体积流法 热-力耦合
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U466
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 引言10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 汽车轻量化的发展历史10-13
• 1.2.2 热成形工艺的发展历史及研究现状13-15
• 1.3 超高强度钢板及其热成形技术15-19
• 1.3.1 高强钢板的分类15-16
• 1.3.2 热成形工艺原理与分类16-18
• 1.3.3 热成形工艺的优点18
• 1.3.4 超高强度钢在车身上的应用18-19
• 1.4 课题背景与意义19-20
• 1.5 课题主要研究内容20-21
• 第2章 金属板料热成形机理21-31
• 2.1 金属热塑性加工中的传热学理论21-26
• 2.1.1 热能传递的基本形式21-22
• 2.1.2 塑性变形过程中的传热学基本方程22-23
• 2.1.3 热传导变分原理及有限元求解式23-25
• 2.1.4 热成形过程的热力耦合分析25-26
• 2.2 热塑性金属材料特性26-29
• 2.2.1 22MnB5 硼钢性能试验26-28
• 2.2.2 CCT 曲线的测定28-29
• 2.3 金属材料热成形机理29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 热成形数值模拟及工艺参数影响规律研究31-56
• 3.1 热成形模具冷却系统设计31-35
• 3.1.1 冷却系统的设计要求31
• 3.1.2 冷却管道最小直径计算31-32
• 3.1.3 冷却管道位置参数计算32-33
• 3.1.4 车门防撞梁热成形模具冷却系统设计33-35
• 3.2 有限元模型35-38
• 3.2.1 材料模型35-36
• 3.2.2 单元类型36-37
• 3.2.3 热边界条件37
• 3.2.4 接触模型37-38
• 3.3 热成形数值模拟38-49
• 3.3.1 体积流法39-41
• 3.3.2 有限元建模41-43
• 3.3.3 冷却水流速的确定43-44
• 3.3.4 冷却系统优化设计44-46
• 3.3.5 实验验证46-49
• 3.4 工艺参数对热成形的过程影响49-55
• 3.4.1 板料初温对热成形工艺的影响49-51
• 3.4.2 模具温度对热成形工艺的影响51-53
• 3.4.3 冲压速度对热成形工艺的影响53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 热成形超高强钢车前门防撞梁力学性能分析56-66
• 4.1 前门防撞梁力学性能研究方法56-58
• 4.1.1 前门防撞梁的主要形式56-58
• 4.1.2 前门防撞梁试验方法与法规58
• 4.2 前门防撞梁静态承载性能58-62
• 4.2.1 准静态三点弯曲数值模拟59-60
• 4.2.2 数值模拟与结果分析60-62
• 4.3 前门防撞梁抗冲击吸能性能62-65
• 4.3.1 抗冲击数值模拟62-63
• 4.3.2 数值模拟与结果分析63-65
• 4.4 本章小结65-66
• 结论与展望66-68
• 参考文献68-72
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录72-73
• 致谢73

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 李烨;热成形模具冷却系统优化设计[D];大连理工大学;2013年

2 赵n

本文编号：303120