1、為了實現(xiàn)汽車輕量化、降低燃油消耗同時保證碰撞安全性能，高強(qiáng)度鋼板熱沖壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造汽車車身結(jié)構(gòu)零部件。與傳統(tǒng)冷沖壓成形過程不同，熱沖壓過程包括板料的加熱、成形及淬火流程，是一個溫度場、應(yīng)力場及相變場相互耦合的復(fù)雜過程。在該過程中，板料及所使用模具的溫度發(fā)生變化，板料的成形性會由于沖壓工藝參數(shù)及模具設(shè)計的不合理而發(fā)生惡化，板料內(nèi)部的微觀組織也會發(fā)生演變。因此，對熱沖壓過程進(jìn)行準(zhǔn)確建模和數(shù)值預(yù)測對于指導(dǎo)實際的熱沖壓工業(yè)化生產(chǎn)具有重要

2、的意義。本博士論文針對高強(qiáng)度鋼板熱沖壓過程中的溫度場、成形性及微觀組織演變進(jìn)行數(shù)值預(yù)測和試驗驗證，主要工作有:
　　(1)基于熱沖壓過程中溫度場、應(yīng)力場及相變場之間的相互耦合作用，建立了熱、力及相變多物理場相耦合的本構(gòu)方程。通過熱力拉伸試驗測試了材料在高溫奧氏體狀態(tài)下的流動力學(xué)性能，研究了溫度及應(yīng)變率對材料流動行為的影響。結(jié)合材料在高溫鐵素體、珠光體、貝氏體及馬氏體狀態(tài)下的流動力學(xué)性能，并考慮奧氏體變形時的等效應(yīng)力對材料擴(kuò)散型相變

3、動力學(xué)的影響，采用動力顯式有限元算法開發(fā)了可用于高強(qiáng)度鋼板熱沖壓數(shù)值模擬的有限元軟件King Mesh Analysis System_Hot Stamping(KMAS_HS)。
　　(2)開發(fā)了熱沖壓三維溫度場分析預(yù)測模塊。概述了熱沖壓的傳熱過程，通過考慮板料微觀組織相變潛熱釋放建立了熱沖壓熱傳導(dǎo)微分方程。結(jié)合熱沖壓瞬態(tài)溫度場問題的初始及邊界條件，采用Galerkin加權(quán)余量法對熱沖壓三維瞬態(tài)溫度場微分方程進(jìn)行求解，導(dǎo)出了熱沖

4、壓瞬態(tài)溫度場有限元的一般形式。分別采用溫度殼單元及三維四面體單元對熱沖壓板料和帶有冷卻系統(tǒng)的模具進(jìn)行有限元離散。采用該分析模塊計算了U型試件熱沖壓過程中板料、三維實體模具及模具冷卻管道的溫度分布，并與實際試驗進(jìn)行對比分析，可以看出數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果較一致。
　　(3)開發(fā)了熱沖壓板料成形性分析預(yù)測模塊。分別將四種非耦合的韌性斷裂準(zhǔn)則(Oh、Brozzo、Ayada和Rice-Tracey)和基于全耦合連續(xù)損傷力學(xué)的Lemaitre

5、模型引入到熱沖壓有限元軟件KMAS_HS中，比較了它們對熱沖壓板料成形性的預(yù)測能力。進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板在高溫下的成形極限試驗，獲得了不同溫度下的成形極限曲線，通過優(yōu)化對比采用四種非耦合的韌性斷裂準(zhǔn)則預(yù)測的成形極限曲線與試驗所得曲線，確定了四種韌性斷裂準(zhǔn)則中與溫度相關(guān)的材料臨界常數(shù)。對熱力拉伸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過優(yōu)化方法、數(shù)值模擬及試驗相結(jié)合的方式確定了與溫度和應(yīng)變率相關(guān)的材料損傷參數(shù)。分別采用四種韌性斷裂準(zhǔn)則及Lemaitre損傷力學(xué)模

6、型預(yù)測了一款汽車B柱在熱沖壓過程中的成形性，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗驗證，得出基于連續(xù)損傷力學(xué)的Lemaitre模型結(jié)合有限元的方法可以準(zhǔn)確預(yù)測熱沖壓過程中的韌性損傷及斷裂。隨后基于該損傷力學(xué)模型又進(jìn)一步研究了壓邊力及摩擦系數(shù)對熱沖壓板料成形性、損傷演化和凸模力的影響。
　　(4)開發(fā)了熱沖壓微觀組織演變及成形后零件力學(xué)性能分析預(yù)測模塊。采用Newton-Raphson迭代法對擴(kuò)散型相變動力學(xué)方程進(jìn)行求解，運用Scheil疊加準(zhǔn)則將等溫相

7、變動力學(xué)模型應(yīng)用于非等溫過程，并考慮奧氏體變形時的等效應(yīng)力對擴(kuò)散型相變孕育時間的影響。針對熱沖壓過程，分別采用Li和(A)kerstr(o)m擴(kuò)散型相變動力學(xué)模型結(jié)合Koistinen-Marburger(K-M)非擴(kuò)散型相變動力學(xué)模型模擬汽車B柱熱沖壓過程中的微觀組織演變，采用Maynier硬度模型預(yù)測成形后零件的力學(xué)性能，并進(jìn)行相應(yīng)的驗證試驗，結(jié)果表明采用Li模型結(jié)合K-M模型的數(shù)值預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好。針對梯度硬度熱沖壓過