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1、 学校代号:学 号:级:公开密湖南大学硕士学位论文车轻量化中的热成形工艺在汽应用研究诠文提童旦期; 生堕?且上上一生堕?旦鱼诠窒筌整目期;.,湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。日期:弘年;月日作者签名:丫慨伺学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件
2、和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于.保密口,在 年解密后适用本授权书。.不保密留。请在以上相应方框内打“”作者签名:略月伊日厉髫翻 日期:枷口年日期:导师签名: 汐日月枷/年椭黪糕豢摹鬻司驴警瓣矧名萏藩&蟊蔷螽热成形工艺在汽车轻量化中的应用研究摘要随着能源危机、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
3、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: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。基于 软件,创新性地
4、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“”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。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
5、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,可以有敝缩短模具开发周期,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, ,.,. ., ,; , , , . :. ,., ,;. ,., ” . ? ,. .,”,? ., , , ,.,.
6、 ,羹戳黼鬟 “祭鸳嗲魍戆豢.。., .,. . ”. . , ,:; ;硕士学位论文目录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书?摘要.?.?.?.第章绪论.引言?.国内外研究现状?.汽车轻量化的发展历史.热成形工艺的发展历史及研究现状.超高强度钢板及其热成形技术.高强钢板的分类?.热成形工艺原理与分类.热成形工艺的优点?.超高强度钢在车身上的应用.课题背景与意义?.课题主要研究内容.第章金属板料热成形机理?.金属热塑性加工中的传热学理论.热能传递的基本形式?.塑性变形过程中的传热学基本方程.热传导变分原理及有限元求解式?.热成形过程的热力耦合分析?.热塑性金属材料特性.硼钢性能试验?一.
7、 曲线的测定.金属材料热成形机理?.本章小结?第章热成形数值模拟及工艺参数影响规律研究.热成形模具冷却系统设计.冷却系统的设计要求?一.冷却管道最小直径计算?一.冷却管道位置参数计算?一黼溅冀糍蛳搿簿糍蹩瞬黪瞪一镒濯溪灞滋鬟囊掣甑阮骥霪敷醛鬻程鹫毪“揖罐 搿.勋争饕酽赫赫熬墨蕞碡拧燕蜒薪翟鼎掩譬抽彦睡警姆轩掉当季荽睾熬黜群漆 薯, 鞠嚣一鬻科蛰嚣滞糍敬国瞪辫蜘融艇 。,.日牲鞴骖罄器妇释幅婚槽滞冀穗鼹鞲蒯鹕嚣瓣懿戮鬣蓉越蓓醪“赫黼糕撼器舅辅.避娶露甚皇热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究.车门防撞梁热成形模具冷却系统设计.有限元模型.材料模型?.单元类型.热边界条件一.接触模型?一.热成形数
8、值模拟?.体积流法?.有限元建模.冷却水流速的确定一.冷却系统优化设计一.实验验证?.工艺参数对热成形的过程影响?.板料初温对热成形工艺的影响.模具温度对热成形工艺的影响.冲压速度对热成形工艺的影响.本章小结?.第章热成形超高强钢车前门防撞梁力学性能分析.前门防撞梁力学性能研究:疗法?.前门防撞梁的主要形式?一.前门防撞梁试验方法与法规?一.前门防撞梁静态承载性能.准静态三点弯曲数值模拟一.数值模拟与结果分析?.前门防撞梁抗冲击吸能性能?.抗冲击数值模拟.数值模拟与结果分析?一.本章小结?结论与展望?参考文献附录攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录致 谢?一硕士学位论文第章绪论.引言随着汽车工
9、业的发展,世界汽车保有量在迅速增长,使得世界范围内面临着能源危机,交通安全和环境污染三大问题。节能、安全和环保已成为世纪普遍关注的问题。研究表明,汽车重量每减轻%,可节省燃油%,汽车轻量化。技术是实现这一目标的有效途径之一车身重量一般占整车重量的%,所以车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用【】。汽车轻量化的两种有效途径是【】:一、优化车身结构设计;二、使用新型轻质或高强度钢材料。世界汽车工业经过一百多年的发展,车身结构日趋成熟,布局已经相当紧凑,因此,车身结构的改进空间已经非常狭小。然而,随着多学科、学科交叉领域的发展,新型材料不断涌现,为汽车轻量化的发展提供了广阔空间。另一方面,高
10、强度和超高强度钢的开发和应用,使汽车轻。量化技术的发展迈向了一个新的台阶普通高强度钢的抗拉强度一般在之间,在传统的冷冲压成形过程中极易发生拉裂等成性缺陷,且成形后回弹量较大,得到的零件形状和几何精度较低【,】。由于高温下材料塑性、变形抗力小,且模内淬火后制件回弹较小,因此,热成形工艺具有成形性好、变形抗力小、成形精度较高等技术优势。热成形技术则能很好地解决冷成形过程中的这些问题。热成形工艺通过将板料加热到高温状态,然后在专用热成形模具上快速成形并保压淬火,可以得到抗拉强度在以上的零件【】。超高强度钢制件在车身上的应用使得车身力学性能提高的同时,重量得以减轻。目前,车身上越来越多的零部件开始采用
11、热成形工艺,如:柱、柱、柱、侧门防撞梁、门槛加强梁、前保险杠等?。.国内外研究现状.汽车轻量化的发展历史近年来,随着汽车工业的高速发展,汽车保有量迅速增加,消耗了大量的石化燃料,加剧了环境的污染,也增加了汽车的使用成本。如今,低能耗,轻量化,低污染和高安全己成为汽车工业发展的主流趋势?。为了节约能源、减小排量和满足各国的环境保护法规,同时也为了增强在汽车市场上的竞争力,以满足人们对汽车性能越来越高的要求,世界各国的汽车工业都在探索各种有效的途径,汽车轻量化已成为世界汽车工业发展的主要趋势之一。热成形工艺在汽车车身轻量化中的应用研究.高强钢轻量化车身年,为提高钢铁材料相比其它材料在车身上应用的竞
12、争地位,国际钢铁协会组织世界个国家家钢铁公司并委托公司,持巨资开展了超轻质钢车身曲 项目。开发出的超轻质钢车身质量为,比同级别轿车车身质量平均减轻%,与此同时车身扭转刚度提高了%,弯曲刚度提高%,车身第一阶固有频率上升到,并且完全满足碰撞安全性法规要求。年开始,又开展了超轻钢汽车附件项目。通过将车门结构改用无框架形式,同时车门外板和车门管件均采用高强度钢制造,在满足所有结构性能要求的前提下减轻车门质量%,而制造成本仅为美元。年钢铁企业又实施超轻钢车身.先进汽车. 计划,总投入万美元,进一步从整体上研究开发新一代钢铁材料的汽车结构。在.项目中,白车身%使用高强度钢板,其中超过%为先进高强度钢板.
13、双向钢成为车身主要制造材料。国内近年来在汽车用高强钢的开发与应用方面也取得较大进展,例如宝钢已经形成、及等多种商业化供货能力的高强度钢板品种,涵盖了国外当前生产的主要品种,这表明国产高强度钢系列已经初步形成。中国第一汽车集团将宝钢生产的级高强度钢板应用于载货车左、右车门内板、下后围和左右翼子板等零件。神龙汽车公司富康轿车的地板横梁加强板、车门铰链固定板、油箱固定板及发动机支架等也应用了高强度钢板。.铝合金轻量化车身奥迪公司最早于 年在 和 型轿车上使用了铝制车门,并于年开发了具有里程碑意义的第一代全铝空间框架,。 全铝车身质量减轻%,车身的静态扭转刚度提高%。年使用第二代空间框架的问世【,并批
14、量生产,车身质量比传统钢制车身轻%以上。图.【是和全铝合金车身框架。年,该设计中心又诞生了第二代奥迪。改进后的全铝车身框架,刚度提高%,焊点减少%,重量比竞争对手轻,以此带来更大的灵活性、安全性和平稳。硕士学位论文图. 和全铝合金车身框架?公司年面市的是一体式的铝车身结构单体构造车身,车身在融入轻量化设计理念之后,重量仅有公斤。采用此种结构的还有美洲豹新款“型轿车 和福特公司的轿车图.【,汽车总共使用铝台金,比传统钢制汽车减轻。图. 铝合金单体构造车身们综合与单体构造车身结构的优点,本田公司开发了复合结构全铝车身【 ,最大限度的发挥铝合金的优势。与铝合金单壳体车身车相比,%,焊点少%。此外,与三门钢车身铝复合车身所用的零件少%,车相比,白车身的质量减小%,而扭转刚度提高%,弯曲刚度提高同时具有很好的碰撞安全性。车身使用了通用汽车公司开发的五座轿车使用铝合金制造车身【铝挤压型材、铝合金板及铝压铸件,与传统钢结构车身相比,
