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超高強鋼板熱沖壓模具冷卻系統的優化設計研究

2013-8-13
 
陳樹來,蔡玉俊,王玉廣
(天津職業技術師范大學 機械工程學院,天津 300222)
 
摘要:本文開展超高強鋼板熱沖壓模具冷卻系統的優化設計研究。利用ANSYS/LS-DYNA模塊對保壓淬火過程零件及模具的溫度場分布情況進行了數值模擬,分析均布水道的不足。在此基礎上通過APDL(ANSYSParametric Design Language)參數化編程語言,選擇零階與一階搜索相結合的優化算法,編寫高強鋼板熱沖壓模具冷卻系統優化程序,得到優化的冷卻水道位置。最后通過實驗驗證了優化結果的正確性。
關鍵字:高強鋼板;熱沖壓;CAE分析;優化設計
 
       近年來,隨著人們環保意識的逐漸加強和對汽車安全性能要求的日益提高,各大汽車公司紛紛將重點放在汽車輕量化和安全性上。使用超高強鋼板熱沖壓零件是減小汽車自重、加強汽車防撞性和抗沖擊的最有效手段之一,具有巨大潛力。所以,超高強度熱沖壓技術已經成為世界各大汽車制造企業的熱門技術。而熱沖壓工藝是將高強度鋼板加熱到奧氏體溫度范圍,鋼板組織完成變化后,快速移動到模具,快速沖壓,在壓機保壓狀態下,通過模具中布置的冷卻回路并保證一定的冷卻速度,對零件進行淬火冷卻,最后獲得超高強度沖壓件(組織為馬氏體,抗拉強度在1500MPa甚至更高)的新型工藝[1-3]。正常情況下,在進行一系列的生產后,沒有冷卻系統的模具溫度會達到200℃以上[4],但是只有模具的溫度在200℃以下才能獲得高強度的鋼板。因此冷卻系統的設計對板料最終所獲得的機械性能和熱沖壓工藝的時間具有重大意義[5]
 
       本文在超高強度鋼板熱沖壓成形保壓淬火過程溫度場數值模擬的基礎上,利用APDL (ANSYSParametric Design Language) 參數化編程語言,選擇零階與一階搜索相結合的優化算法,編寫高強鋼板熱沖壓模具冷卻系統的優化程序,得到優化的冷卻水道位置,并對優化結果進行了實驗驗證。
 
1 熱沖壓冷卻系統的有限元模擬
1.1 建立有限元模型
       本文的有限元模型包括兩部分:板料和模具。板料的長、寬和厚度是200mm,100mm,2mm,圓角半徑為5mm,冷卻水道的初始位置是水道的中心距離模面是20mm,相鄰管道之間的距離也是20mm。這里選取模具和板料整體的一個截面,又由于所選取的截面也具有對稱性,則可以使用截面的1/4來建立模型(圖1所示),這樣既簡化了建模,又減少了運算時間,降低了對硬件的要求。
圖一 有限元模型
 
        所選材料為熱沖壓專用鋼板22MnB5,定義其物性參數,包括板料隨溫度變化的熱傳導系數、密度、比熱容和模具的三個參數(表1所示)。根據相關理論研究的數據來定義熱沖壓零件的初始溫度為810℃,熱沖壓模具的初始溫度可以定義為與冷卻水的初始溫度相同為15℃[6]。熱沖壓過程中冷卻速率至少是27℃/S[7]
 
1.2 網格劃分
       網格是有限元分析的基本單元,直接關系到計算結果的正確性與準確性,在劃分網格時,原則上網格越小,分析就越精確,但同時分析計算的時間也相應增加,對硬件的要求也要提高;如果網格過大,將會大大降低分析結果的準確性,甚至導致計算過程不收斂。本文所采用的單元類型為實體三角形六結點單元PLANE35,而根據模型的復雜程度(圖2),應用智能網格劃分在凸、凹模圓角處的網格設置的密一些,其他部位設置的稀疏一些(圖3),這樣既能滿足分析精度也能減小計算時間和降低對硬件的要求。檢查網格后,確認無網格缺陷。
 
1.3 邊界條件確定
       主要熱量交換發生在模具和板料之間,水道和模具之間的對流系數h可以通過公式(1)進行計算得出:
 
A0——溫度參數; ρ——水的密度,kg/m3; v——冷卻水的流速,m/s; D——冷卻管道的直徑,m。所得出的冷卻系數h 為30080W/(m2·K)
 
1.4 加載并求解
       首先,選定分析類型為瞬態分析。根據分析并計算了的初始條件和公式(1)所得的對流系數等參數。溫度施加在板料和模具有限元模型的結點上,而結點溫度在整個瞬態分析過程保持不變,所以要先作穩態分析確定初始溫度,并在第二步載荷步中刪去剛才所設定的溫度。
 
       然后,設置載荷步選項,第一步的穩態分析設置時間0.01秒,時間步長為0.01秒,第二部之后的瞬態分析,國外發表相關文獻設定的生產周期是30秒,零件在模具中20秒,剩下的10秒用于取出零件和放置下一個鋼板,其中零件的淬火時間約是17秒,本文同樣初步設定17秒,時間步長為0.1秒,為便于觀測結果所有步長均為恒值。最后設置分析輸出選項,存盤,進行求解。
 
1.5 模擬結果
       在17秒的數值模擬之后,通過ANSYS /LS-DYNA 模塊的專用后處理器LS-Prepost 得到模擬結果(如圖4所示)為超高強度鋼板在專用模具內保壓淬火過程中的瞬態溫度場分布圖,圖5為熱沖壓U型件在分析結束時的瞬態溫度分布圖。
 
       從熱沖壓零件在模具內的瞬態溫度分布圖及零件的瞬態溫度分布圖可知,沖壓件的最大溫度為81.724℃,最低溫度為43.191℃,熱沖壓零件在模具中保壓淬火后溫度分布不均勻,可以看出零件在彎角處的溫度與其他部位的溫度差較大,容易產生內應力,降低熱沖壓零件的性能。而產生這種結果的原因是由于冷卻水道的尺寸和位置的不合理導致零件的降溫效果不佳。所以我們以冷卻水道的形狀位置參數為設計變量,以零件冷卻的平均溫度為狀態變量,以零件冷卻的均勻程度為目標函數,對熱沖壓模具冷卻系統進行了優化設計。
 
2 冷卻系統優化設計
2.1 優化方法
       使某個目的函數(即目標函數)在滿足約束條件的同時達到最優值的傳統方法有很多,本文所采用的優化方法:零階法和一階法。零階方法最大的特點是只用到了因變量而沒有用到因變量的偏導數。而一階方法用到了設計變量的一階偏導數,精度很高,尤其是在設計變量的變化范圍較大,設計空間相對較大時。但是一階方法可能在不合理的設計序列上收斂,對于這種情況,可以采用零階方法。同時一階方法也更容易獲得局部最優值。但是如果起點附近有局部最優值,就會選擇該最小值而找不到所要找的全局最小值。這時可以采用零階方法或隨機搜索的方法對一階方法所得結果進行驗證。
 
2.1.1 參數化建模
       影響熱沖壓零件淬火過程溫度場分布的結構是冷卻水道的直徑(或半徑),冷卻水道與模具成形面的距離和冷卻水道之間的距離。而本文是基于參數化的優化設計,因此以水道與型腔之間的距離x、水道與水道之間的距離s、水道與臨界空氣的模具邊之間的距離a、水道直徑d作為優化設計變量(圖6所示),以溫度分布均勻作為優化目標。
 
2.1.2 狀態變量的選取
       狀態變量就是優化分析中的約束條件,對于本論文的超高強度鋼板熱沖壓模具冷卻系統優化設計來說,當冷卻水道的位置發生變化時,熱沖壓零件截面單元節點的溫度平均值也隨之發生變化,因而將熱沖壓零件截面單元節點的溫度平均值作為狀態變量。
 
2.1.3 優化目標函數的建立
       優化過程中,正確目標函數的選擇是最優化方法的核心,在保證單元網格劃分足夠細以保證計算精度的前提下,將熱沖壓模具中心截面處零件截面各單元節點的溫度值對熱沖壓零件截面單元節點溫度平均值的均方差來構成熱沖壓零件冷卻的均勻性。所以,建立目標函數:如公式(2)。
其中,F— 目標函數;n— 熱沖壓零件截面單元節點個數;Ti熱沖壓零件截面單元節點的溫度值;T 所有熱沖壓零件截面單元結點溫度值的平均值;a比例因數,衡量熱沖壓零件溫度平均值T 和熱沖壓零件平均溫度的均方差 的相互作用,數值在(0,1)內變化,本文取a =0.581
   
2.1.4 優化步驟
(1)進入通用后處理模塊(POST1),從瞬態分析結果中提取熱沖壓零件截面所有節點溫度的平均值,再根據各結點溫度值與溫度平均值計算出目標函數值來。并賦值給相應的變量參數。
(2)優化文件必須包括整個分析過程且應盡量的簡練,只有交互過程中需要看到顯示(如EPLOOT等)時或將其定位到一個顯示文件(/SHOW)中時可以包括在分析文件中。
(3)進入優化分析模塊,指定分析文件、設計變量及其變化范圍和公差、狀態變量及其變化范圍和公差,還有目標函數及其公差,指定優化分析策略,由于本文主要研究超高強度鋼板熱沖壓模具冷卻系統的設計,則首先采用隨機搜索方法得出一系列的初始設計序列,去除其中不合理的設計序列,然后在此基礎上采用零階方法進行優化分析,最后得出最優設計序列。
(4)優化迭代結束后,設計變量與目標函數間的變化關系可以通過圖形表示出來。在默認情況下,在名為Jobname.RFL 的文件中保存著最后的設計方案的模擬結果。要獲得初始設計結果,應該在初始分析完成后,進入后處理器查看并保存及輸出數據。
 
3 優化結果與分析
    表2為初始設計序列與優化序列分別代表的冷卻系統參數序列,在此說明一下,本論文得到的最優設計并不是理想的絕對最優解,是因為在設計初我們做了近似的假設;優化分析所得解的精確程度與最大迭代次數、目標函數工程等因素有關。
 
 
       接下來對優化后的分析結果進行模擬仿真,數值模擬的時間仍是在17秒,而通過優化設計后,從圖7、8所示可以看出,熱沖壓零件的最高溫度為45.359℃,最低溫度為36.939℃,熱沖壓零件的冷卻效果有了較明顯的改善,特別是零件彎曲部位淬火冷卻的均勻性有了很大的提高。圖8與圖5對比可知,零件的溫度最高值降低了36.325℃,又說明了冷卻系統的優化設計對熱沖壓零件的冷卻效果有了明顯的改善。
 
4 實驗驗證
4.1 實驗裝置及過程
       本文選用自行設計的熱沖壓模具(圖9、10所示)。選用功率為30kW的箱式電阻爐(爐膛尺寸350mmx300mmxl50mm)對鋼板進行加熱,用火鉗將加熱后的鋼板快速移動到冷卻系統進行優化后的模具中,選用Y32-100壓力機對零件進行保壓淬火,而由于超高強度鋼板熱沖壓是從850℃到900℃降至200℃以下,所以初選測量零件溫度變化過程的傳感器為K型熱電偶溫度傳感器,其測量溫度范圍為:0℃至1200℃。
 
4.2實驗結果與分析
       由于冷卻水道的存在給測量增加了難度,導致安置傳感器的位置受到限制,不能將U形件中的所有點溫度都測量出來,因此本次實驗對超高強度鋼板熱沖壓成形過程中的四個位置進行測量,測量到圖11中四個點隨時間變化的曲線(圖12所示),其中曲線01到04分別代表D1至D4 四個點的溫度變化曲線。
 
       通過對U形件進行超高強度鋼板熱沖壓成形試驗及對成形件的測量,可以看出,所設計并優化后的冷卻系統基本上達到了預期的效果,雖然四個點的溫度都比數值模擬的高些且有一定的差別。但是實際溫度比模擬的高是由于實際零件與模具間的傳熱是有熱阻的,四個點的溫度有差別也是因為零件側壁與凹模的接觸不完全,所以溫度比較高,而零件彎角處的溫度相對較低是因為與凸模的接觸較好傳熱較快所致的。總體說來,零件的溫度分布比較均勻,證明了優化結果的正確性。而雖然試驗選的是形狀簡單薄厚均勻的U形件,但是對于形狀復雜薄厚不均的零件其模具冷卻系統的設計及優化方法是一樣或相似的。
 
5 結論
      本文開展了高強鋼板熱沖壓保壓淬火的有限元分析及冷卻水道的優化設計研究。結論如下:
(1) 熱沖壓模具中均勻分布的冷卻水道會導致成形件溫度分布的不均勻,影響零件的機械性能,因此需要對熱沖壓模具的冷卻水道開展優化設計。
(2) 有限元模擬及實驗驗證表明:運用APDL(ANSYS Parametric Design Language)的參數化編程語言,結合零階與一階搜索優化算法可以實現高強鋼板熱沖壓模具冷卻系統的優化設計,為高強鋼板熱沖壓模具的設計提供理論基礎。
 
參考文獻
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[3] 林建平,孫國華,朱巧紅,等.超高強度鋼板熱成形板料溫度的解析模型研究[J].鍛壓技術.2009,34(1):20-23.
[4] Sikora,S.,Lenze,F.-J.,Hot-Forming Important Parameters for the Production of High-Strength BIW Parts[C]. IDDRG,
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[5] H.Hoffmann, H. So, H. Steinbeiss, Design of Hot Stamping Tools with Cooling System[C].Germany: Elsevier,Annals ofthe
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[6] A.Shapiro, Using LS-DYNA to Model Hot Stamping[C]. USA:Livermore Software Technology Corporation,2009:37-
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[7] Merklein, M., Lechler, J., Geiger, M., Characterisation of the Flow Properties of the Quenchenable Ultra High
 
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