考虑加载历史的热冲压成形破裂预测及消除方法研究

High-strength steel (HSS) hot forming technology is an important method for structure lightweight of Auto-body. Compared with the traditional cold forming technology, products processed by hot forming technology are prior to those that are high strength and almost no springback. However, due to the effect of high temperature, the elastic modulus and tensile strength of HSS decreases and the friction coefficient between the molds increases, then the rapture aggravates. As the hot forming process involves transformation kinetic and thermodynamics in multi-physical field and multi-scale effects, the Temperature Forming Limit Diagram (TFLD), which is obtained from the test data based on the linear loading, cannot predict rupture accurately. An accurate prediction and elimination of rupture are necessary for the hot forming process considering loading history. The present project focuses on the issues of rupture in the hot forming process and utilizes numerical simulation combining with experiment to (1) analyze the influence of stain path in nonlinear loading on TFLD; (2) calculate the rupture tendency; (3) build a congruent relationship between the metal flow adjustments and forming process parameters. The scientific significances of this project are to complete supplement for TFLD which is based on linear loading path, confirm the reference variables and values to eliminate the rupture defect and establish the theoretical foundation and provide technique support for eliminating rupture of HSS in the hot forming process.

高强度钢板的热冲压成形技术是当前实现汽车车身轻量化的重要途径之一。与传统冷冲压成形技术相比，热冲压产品具有强度高、几乎无回弹等优点，但高温作用下高强度钢板的弹性模量和抗拉强度下降，且与模具间的摩擦系数增大，导致破裂加剧。热冲压成形过程涉及到复杂的热-力-相变等多物理场耦合和多尺度问题，基于简单线性加载得到的热成形极限图并不能准确地预测热成形破裂，因此，考虑加载历史的热冲压成形破裂的准确预测及解决方案是亟需解决的问题。本课题拟针对热冲压成形中的破裂问题，采用试验与仿真相结合的手段，重点研究：（1）非线性加载的应变路径对热成形极限的影响规律；（2）破裂趋势的量化方法；（3）建立金属流动调节量与成形工艺参数的对应关系。本研究的科学意义为实现对基于线性加载的热成形极限补充，明确消除热冲压成形破裂缺陷的调节参考量，为消除高强度钢板的热冲压破裂缺陷提供理论和技术支撑。

高强度钢板的热冲压成形技术是当前实现汽车车身轻量化的重要途径之一。中锰钢是一种高强度(1000–1500 MPa)、高延伸率(10–30%)、且具有很好强塑积(≥29,000MPa%)的第三代车用高强度钢板，有望取代过去十来年应用最广泛的22MnB5热成形钢板。由于中锰钢与22MnB5钢的组成、微观组织等均不一样，因此，建立中锰钢热成形基础材料参数数据库，建立其数值模拟仿真流程对于中锰钢的实际工业应用是非常必要的。.本课题基于中锰钢，针对其热冲压成形中的成形性（破裂）问题，在以下几方面做了重点研究并取得了相关的研究成果：.（1）通过高温下中锰钢的基础力学试验，获得了高温下中锰钢的弹性模量、泊松比、高温应力应变曲线、热扩散系数及比热容等参数，建立了高温下中锰钢的材料参数数据库，并通过建立相应的有限元模型，校核了中锰钢热冲压成形数值模拟计算所必需的参数；.（2）通过热成形极限设备进行了高温下中锰钢的热成形极限试验，基于LSDYNA进行二次开发建立基于应变历史的破裂预测模型，对中锰钢高温下的断裂准则进行参数校核，并以实际汽车用零件进行了对标验证；.（3）建立了中锰钢热成形工艺参数与金属流动调节量之间的关系，形成了一套有效消除中锰钢热成形破裂的工艺方法；.（4）通过方盒冲压试验和仿真模拟分析，从压边力、初始成形温度及模具几何参数等成形工艺条件方面对中锰钢和22MnB5进行了较为完善的对比研究，并从成形后零件的宏观力学性能和微观组织方面证明了中锰钢在热成形中相较于22MnB5的一些优势。.本课题研究成果为实现第三代高强度钢板中锰钢替换传统的22MnB5钢板提供了有效的理论基础和技术支撑，对促进中锰钢在汽车轻量化中的工业应用具有重要意义。本项目的部分研究成果为：发表SCI论文4篇，其中第一作者第一标注2篇，第二标注1篇，第三标注1篇；发明专利授权1项，申请发明专利1项（第一作者）。