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
2、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
3、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
4、， 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 Diev
5、ar。 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 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
6、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 dependent）热交换行为，如图 6 所示， 具体的 参数曲线如图
7、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
8、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
9、 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 138 139 142 137 98 119 115 实测值 146 135 148 129 104 11
10、2 116 4 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 !
