1、 西安航空职业学院 毕业论文 基于 PAM-STAMP 的激光拼焊补丁板热成形仿真分析 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 激光拼焊 补丁板 热成形过程进行了 热力耦合 仿真分析 ，通过 CAE 仿真 模型的建 立， 相关 热成形边界条件的设置，对 该 补丁板 B 柱 的 成形性、 温度场 及 组织 厂进行 了分析 ， 为实际 生产 工艺 提供 了 指导 意见。 关键字 ： 热冲压 ， 补丁板 ， 热力耦合1 前言 随着汽车工业的快速发展，安全、环保、舒适及节能已经成为当前汽车制造业追求的目标，
2、采用超高强度钢板制造车身零件是实现车体轻量化和提高碰撞安全性的 有效 途径 1。但是 ， 高强度钢板 的 强度越高， 其 越难 以 成形， 尤其对于超高强度钢板， 采用 常规的冷冲压成形工艺几乎无法成形 2 补丁板 热成形技术可以在提升车身性能的同时降低总成质量和制造成本， 是 实现车身轻量化的一项先 进技术。 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 3。 本文 主要以 PAMS-STAMP 2018.0 钣金 成形 有限元 软件作为
3、热冲压 成形的数值模拟平台 ， 以 补丁板 B 柱作为 研究对象，建立了准确的有限元模型，采用热力耦合分析 方法对热成形过程进行 仿真 分析 ， 重点关注了零件成形性及 淬火后 的组织转变。 2 有限元仿真 模型的建立 2.1 板料 线 获得 图 1 是 利用 PAM-STAMP 的 Inverse 模块反求得到的 板料外形线，根据 热成形的工程经验，其较 冷成形的板料线 有 一定程度 的放大， 才能 保证符合最终零件的要求。 。 图 1 优化后 的 产品 料片 线 及 补丁板轮廓线 2.2 材料及 FEM 模型 整体料片为 两部分 激光拼焊 而成，其中一部分为 材料为 1.8mm 厚 的 U
4、sibor 1500（ 22MnB5） ， 有 Al-Si 涂层 ； 另一部分为 1.8mm 厚的 Ductibor 500。 图 1 中 同样显示了补丁区域的轮廓线。 通过 PAM-STAMP 的 前处理 Die Maker for CATIA 制作 该 零件 的 模面 ，并导入到PAM-STAMP 中进行 网格的自动划分 ， 建立如图 2 所示 的 FEM 模型 ，包含 上模、 下模、压 板 、定位销 、翻边 刀块等 。 图 2 热冲压 仿真 FEM 模型 此外 ，对于补丁板，需要额外定义焊点 部位 及相关焊点信息，如图 3 所示 。 图 3 焊点 部位及相关信息 为了 确保 热冲压 数值
5、模拟分析的真实可靠性 ， 需要获得不同温度 和 应变速率的 应力 -应变曲线 ， 即 不同温度下的 硬化 曲线 。 对此 PAM-STAMP 提供 了最常用的热成形材料库 ， 本文采用 的 材料牌号为 22MnB5,有 Al-Si 涂层 ， 其 硬化 曲线如 图 4 所示， 其 CCT 曲线 如图 5 所示 。 图 4 材料 在不同温度和应变 速率 下的硬化曲线 图 5 22MnB5 的 CCT 曲线 热冲压 的主要工艺参数为 冲压成形 温度 810 ， 保压 淬火时间 10s。 2.3 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
6、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 dependent）热交换行为，如图 6 所示， 具体的 参数曲线如图 7 所示。 图 7 板料 与模具表面之间的接触换热条件 图 8 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 9 给出 了 零件 成形 过程中的形变情况 ， 零件 法兰边处 有 些许的 起皱。 图 9 零件 在成形 过程 中的 形变情况 图 10 给出 了零件的减薄率云图，其中 有效 区域的 最大
7、减薄率 为 19.2%， 并未出现过度的减薄区域 ， 对于补丁板部位 ， 其成形性较好，焊点周围 未出现 明显的应变增大现象。 图 10 零件 整体 减薄率云图 （ 最大 减薄率 19.2%） 图 11 补丁板 部位应变分布 通过 图 12 的 FLC 曲 线能够 更加直观的看出该零件 在 热成形过程中的成形性 ， 零件 法兰边处有强烈 的起皱倾向。 图 12 零件 成形 FLC 曲线 3.2 零件成形 过程温度场 结果分析 图 13 显示 了零件在翻边工序后温度场情况，由图可以看出零件表面 均温为 600 左右，与实际工艺中温度较为吻合 ，模具 的 冷却 能力较好，侧壁处温度稍高，无明显的热
8、点区域。 图 13 翻边 工序 后 零件的温度场变化 3.3 零件成形 后 组织 结果分析 对于 该零件 模拟 设置的淬火时间为 10s。如图 14 所示 ，分别为 2s， 6s， 8s 和 10s 时 零件的温度场 ， 淬火结束时零件 均温 约为 120 。 由图 可知零件头部的冷却能力还是未满足性能的要求，后续 在 模具水道设计的时候 对 该处设计进行修改优化 ，优化 水道后淬火时间可以缩短到 8s。 2s 6s 8s 10s 图 14 保压淬火 过程中零件马氏体含量云图 4 结论 文中 对某 汽车 B 柱 的 激光拼焊补丁板热成形过程 进行 了 热力耦合 有限元模拟 仿真 ， 通过上述
9、的仿真结果可以看出，使用 PAM-STAMP 软件 能够对 激光拼焊 补丁板的 热冲压过程进行精确 的 仿真 。 采用 1.8mm 厚 的 Usibor 1500（ 22MnB5）和 Ductibor 500 激光 拼焊后 进行热冲压成形 时， 其保压 淬火时间最少为 8s，局部区域 （零件 头部 ） 需要 优化 水道的设计来提升冷却能力 。 参 考 文 献 1 KERSTRM P. Numerical simulation of a thermo-mechanical sheet metal forming experiment D. Sweden: Lule University of T
10、echnology, 2006. 2 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. 3 PAM-STAMP 2G Users Guide. ESI Group, 2018. 致 谢 论文的写作过程确实是个艰苦的历程，但是自己还是尽力地投入到这项工作中去，不断地搜集资料，修改与整理论文，其中的艰辛可想而知。 幸运的是，在论文的撰写过程中，我得到了导师的帮助，在此向他表示深深的感谢。导师总是及时、耐心地引导我该怎么样去写好论文并对论文提出了许多宝贵的意见，从导师那里学会的一种“严谨、认真、耐心”的学术态度让我终生受益。 还有我的一些同学和朋友，帮忙提供了一些宝贵的资料，可以说，正是这些良师益友的帮助，才使我克服了论文写作过程中的种种困难，使我有信心完成。 最后，我要衷心地对曾经给予我帮助的老师和所有朋友以及我的家人致以崇高的敬意和深深的感谢。
