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1、西安航空职业学院毕业论文某汽车B柱热冲压成形模具冷却水道仿真分析姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：本文利用PAM-STAMP软件对某汽车B柱的热冲压模具进行了冷却水道分析，通过实体模具仿真模型建立，冷却水道节点抽取，热交换边界条件的赋予，对该B柱热冲压模具进行了循环淬火分析。仿真结果对寻找模具热点区域、优化热冲压生产节拍和热冲压模具设计提供指导性建议。关键字：热冲压，实体模具冷却水道，循环淬火，有限元1 前言 汽车制造业之间竞争的日益激烈，汽车新产品生产和更新的周期逐渐缩短，使用传统的零件产品及模具设计方法已无法满足产品研发和生产的需要。特别的，热冲压模具
2、成本远远高于冷冲压模具，这就使得计算机辅助工程(CAE)技术越来越多的应用于新产品的研发过程中。使用有限元仿真可以大大缩短调试模具的时间，同时还可以有效的解决成形零件质量不合格、工艺不合适以及模具报废等问题1。目前对热冲压实体模具的冷却水道进行分析时有两种主流方法。第一种方法需要同时使用流体软件和钣金分析软件，使用流体软件来模拟水道水温，水道直径及水道流速等因素对模具对流换热的影响，然后将其结果映射到钣金成形分析软件中进行分析。但是该种方法一方面比较耗费时间和金钱，另一方面不同软件之间数据交汇也会出现问题。另一种分析方法是仅采用PAM-STAMP钣金成形分析软件对热成形实体模具进行冷却水道循环
3、淬火分析。PAM-STAMP是法国ESI公司推出的专门用于钣金成形分析的数值模拟软件，其在热冲压成形模拟方面中有着较高的精度，目前该软件正广泛应用于热冲压成形先期成形性分析以及热成形模具水道分析，也是唯一一款可以不使用流体软件来对热冲压实体模具进行分析的有限元分析的软件2。本文主要以PAMS-STAMP 2015.1 钣金成形有限元软件作为热冲压成形的数值模拟平台，对某汽车B柱的热冲压模具进行了循环淬火分析。2 有限元仿真模型的建立2.1 3D模具网格划分需要用专业的网格划分工具对实体模具进行网格划分，避免小单元和小网格的存在而影响后续的计算时间。本文中的实体模具网格是在ESI公司专用的前处理
4、环境VE下面的Visual-Mesh中划分的，如图1所示。图1 实体模具网格划分2.2 材料及FEM模型材料为1.7mm厚的USIBOR 1500P（22MnB5），有Al-Si涂层，其化学成分如表1所示。模具材料为高韧性的热锻模具钢Dievar。将实体模具划分好网格后导入到PAM-STAMP中，建立如图2所示的FEM模型，包含上模、下模、压料芯等。图2 循环淬火分析FEM模型2.3水道节点的抽取及热交换参数的确定为了建立冷却水道与模具及板料之间的换热模型，需要抽取冷却水道上的网格节点，并赋予其热交换热系数。水道节点采用PAM-STAMP中的Select cooling channels 功能
5、选取，如图3所示为抽取的水道节点。图3 PAM-STAMP中抽取水道节点水道热交换参数的确定通过ESI公司的一个插件，输入水道直径、水道温度计水道流速等参数计算得到，如图4所示。图4 水道热交换参数的确定工具具体的循环淬火过程参数如图5所示。淬火时间9s，节拍5s，共计算10个循环。图5 循环淬火过程参数设置2.4 热接触模型热冲压成形过程仿真重点之一就是设置板料与模具之间热接触条件的设置。成形过程中板料与模具之间的温差比较大，绝大部分的热量交换发生在接触面上。一般认为在热冲压成形过程中，板料与模具之间主要存在基于压力（Pressure dependent）热交换和基于间隙（Gap depen
6、dent）热交换行为，如图6所示，具体的参数曲线如图7所示。图6 板料与模具表面之间的接触换热条件图7 热冲压过程板料与模具基于间隙和压力的换热系数曲线3 仿真结果分析3.1 零件成形性分析图8给出了该零件成形后的减薄率分布云图，由图可知其最大减薄率为21.5%，由于该部位处于双向拉伸状态，减薄率略大，但并未破裂。图8 零件减薄率分布云图（最大减薄率21.5%）3.2 开模时下模温度场板料加热温度为930，淬火保压时间9s，节拍5s。 由图9淬火结束开模时下模的温度场分布可知，开模时下模表面最高温度为163，温度较高的区域多集中在模具拐角处，存在少量热点区域。该热点区域可以通过增加部分镶块来提
7、高其冷却能力。图9 淬火结束开模时下模温度场3.3 开模时零件温度场分布图10给出了零件开模时候的温度场分布云图，由图可知有效区域均温约为180左右，最大241。图10 零件开模时候温度场（最大241）3.4 淬火结束5s转移后下模温度场分布由于开模后零件取出到下一个零件接触下模时候的时间为5s，因此此时模具的温度场对生产具有指导意思。由图11可知，此时模具模面均温约为60。图11 淬火结束5s下模温度场分布循环淬火阶段下模面模面节点温度变化如下图曲线所示，由图12可以看出，模面上的节点在第四个循环开始，模面温度已趋于稳定，浮动不超过10。图12 循环淬火阶段模面节点温度变化曲线3.5 仿真结
8、果与实测对比图13给出了淬火结束开模时下模温度场的分布，并使用热成像仪对图中标识出的部位温度进行了检测，结果如表2所示。结果显示模拟值与实测值吻合度很高，能准确预测出模具模面上的热点区域。图13下模面典型部位温度值表2 下模面典型部位温度值仿真与实测对比模拟值13813914213798119115实测值1461351481291041121164 结论文中对某汽车B柱的热冲压模具进行了冷却水道分析，通过循环淬火仿真分析结果可知，模具部分区域存在热点区域，可以通过优化水道设计及增加镶块等手段来提高其冷却能力，循环淬火阶段的生产节拍为5s。参 考 文 献1 马宁,胡平,闫康康, 等.高强度硼钢热成形技术研究及其应用J. 机械工程学报, 2011, 46(14): 68-72.2 PAM-STAMP 2G Users Guide. ESI Group, 2018.致 谢 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
