高强度钢板热成形关键力学问题研究

全球环境与能源问题的日趋恶化，使汽车的轻量化研究成为当今国际汽车行业和学术界的最热点的研究方向和永恒的研究主题之一。轿车车身重量占整车重量的相当大比重，减小白车身自重是降油耗及减排放的最有效措施之一。高强度钢板的热成形技术，是当今制造更节能、更安全轿车车身的最佳途径。本项目将针对轿车车身关键结构零部件轻量化设计制造所亟待解决的关键力学问题，诸如：涉及热－力－相变耦合多物理场和多尺度本构方程的建立，具有尺度效应的微观与宏观材料与力学参数的实验测定，相变膨胀、应变率和热边界摩擦相关的多物理场弹塑性大变形有限元方法，以及轻量化车身典型结构件的碰撞安全性力学分析与性能优化等，凝练科学问题，开展多学科的联合研究，为热成形工艺生产线和热成形件的模具制造提供强有力的力学基础支撑。

全球环境与能源问题的日趋恶化，使汽车轻量化研究成为当今国际汽车行业和学术界的最新研究方向和永恒的研究主题之一。高强度钢板的热成形技术，是当今制造更节能、更安全轿车车身的最佳途径。该技术涉及到了十分复杂的金属材料热-力-相变等多物理场耦合和多尺度问题，以及热边界摩擦非线性力学问题，使得这项新技术的理论研究比常温下的常规金属板材冷冲压成形研究具有更大的难度。针对这一现状，本项目对典型高强度硼钢材料22MnB5进行了大量的高温力学性能宏、微观实验，研究了高强度钢板连续快速冷却与相变条件下热、力及相变耦合的多物理场塑性流动准则及成形能力，构建了宏、微观结合的多尺度热塑性大变形本构理论模型；在此基础上，建立了基于动力显式和静力显式两大类算法的热塑性成形大变形有限元算法；通过实验检测和理论分析推导了考虑板料上下表面接触的热传导温度分布模型和三维实体的四面体温度场模型，使之能够更加真实地模拟热冲压合模的热边界条件和热传导条件对模具冷却效果和板料淬火过程的仿真和优化，成功将上述理论模型引入自主研发的热成形数值仿真模拟软件KMAS/HF（King Mesh Anaysis System/Hot Forming）中，实现了热成形关键力学问题研究的成果转化。同时，本项目还对典型热成形车身关键零部件碰撞安全性结构拓扑优化进行了研究，采用量纲分析法建立了热成形高强度钢冷却速率-强度硬度规律指数模型，通过实验和典型算例比较各种仿真分析列式在问题优化求解效率，可行域性态特性等的优劣，确定了对所研究问题最为合适的虚拟“样机”流程列式，本项目对高强钢热成形关键力学问题进行了全面深入的研究，进而为解决车身轻量化采用的高强度钢板热成形工艺所面临的力学难题提供了有共性意义的理论、方法和关键技术。