论文部分内容阅读
汽车工业的高速发展使环境污染、能源危机与交通安全等问题日益严峻,实现汽车轻量化设计是解决上述问题的有效方式之一。为了在汽车轻量化设计过程中满足碰撞相关标准,新材料和新工艺被越来越多的应用于车身设计中。在车身结构的设计过程中,先进高强钢的使用可以在降低零件质量的情况下,满足车身的碰撞性能。作为典型的轻质材料,高强度钢板已大量于车身关键零部件中,例如结构件和安全件等。随着高强度钢的抗拉强度的提高,高强度钢的塑性大幅降低,在冷冲压过程中存在开裂、起皱和回弹等成形缺陷,限制了其在车身中的使用。热成形技术将冲压成形工艺与热处理工艺有效地结合起来,充分利用高温下板材的成形性能好的特点,解决了高强度钢常温下成形性能差的问题。与此同时,热成形工艺中淬火后的材质具备较高的强度和塑性,大幅提升了车身的结构强度并有效降低了车身的质量,具备较好的轻量化前景。然而,当前热成形零件设计和性能分析、热成形模具冷却系统设计以及热成形模具服役性能研究等方面依然存在部分盲区,影响了热成形零件的开发效率及服役性能。因此,开展热成形零件结构、工艺参数、装备开发及服役性能研究有重要理论意义和实际应用价值。为了探索热成形零件及其装备的关键性能,以高效指导热成形件开发过程,本文首先研究了考虑热冲压效应的热成形件结构和工艺设计方法,并对耦合“结构-工艺-性能”的热成形件可靠性设计和优化方法进行了系统的研究;其次,为了提高热成形模具冷却水道的设计效率,提出了兼顾模具结构强度、冷却能力和冷却均匀性的热成形模具的冷却水道设计方法;最后,提出了考虑成形模具磨损量、结构强度和冷却性能的热成形模具的服役性能评价方法,分析热成形工艺过程中各个参数对服役性能的影响。本文的具体研究内容如下:(1)热成形件“结构-工艺-性能”耦合仿真分析方法研究,首先提出了热成形结果信息向碰撞模型的映射方法,基于Voce模型实现热成形钢淬火后性能的精确定义,开发了考虑热成形效应的碰撞耦合仿真方法。在此基础上,本文基于元模型技术、蒙特卡洛方法以及遗传算法等开发了一套通用的多目标可靠性设计方法。其次,选取了典型热成形件门槛梁以及前门防撞梁为研究对象,进行了零件的结构、工艺以及性能的设计和优化,优化结果表明,确定性优化设计方案虽然提升了典型热成形件的抗撞性能,但零件成形性能相对较低,导致可靠性降低;而可靠性优化设计方案所获得的零件虽然牺牲了部分抗撞性能,但该方案具备更好的可靠性和稳健性,能够更好地指导实际开发过程。(2)考虑成形特性的变厚度热成形件设计方法研究,为进一步探索热成形技术在车身轻量化中的应用前景,提高热成形件的设计效率并降低失效风险,提出了变厚度热成形件“工艺-结构-性能”优化设计方法,探索了热成形件关键工艺参数以及厚度区间分布对零件抗撞性和成形性的影响。在此基础上,基于多目标确定性和可靠性设计优化方法,研究了变厚度热成形零件各重要参数对其成形性能和抗撞性能的影响。选取了典型热成形变厚度零件B柱加强板,并通过三点弯试验和局部碰撞试验,获取了零件的抗撞性指标,完成了变厚度零件的工艺参数及厚度分布的设计和优化,优化结果表明,可靠性的设计方案在满足抗撞性的前提下,具备更好的成形性;同时,可靠性设计方案具备更好的稳健性和适用性。(3)热成形模具设计方法研究,为提升热成形模具冷却水道设计效率,并降低设计失效的风险,提出了一种热成形模具冷却水道设计方法,充分考虑了模具的结构强度、冷却能力和冷却均匀性等关键性能。首先,提取了热成形模具的冷却水道关键设计参数,并通过能量平衡原理确认了参数的设计空间;其次,提出了热成形模具关键性能的评价指标,以实现对热成形模具性能的准确评估;在此基础上,运用集成粒子群算法和蒙特卡洛模拟方法的多目标可靠性优化方法,以获取最优的模具冷却水道设计方案。研究结果表明:可靠性设计方案大大提高了模具的冷却性能、冷却均匀性,同时兼顾了模具的结构强度,通过模具生产的零件,具备较好的综合力学性能,本文提出的方案较好地指导了项目开发过程。(4)考虑工艺参数的热成形模具服役性能研究,为了探索热成形模具的服役性能,研究各关键工艺参数对模具综合性能的影响,提出了基于可靠性优化方法的热成形模具关键工艺参数设计方法,解决了热成形模具磨损、冷却能力及结构强度之间的矛盾。首先,提出了融合Archard方法、模具寿命预测方法和热冲压工艺全工序有限元模型的数值模拟方法;在此基础上,通过多目标确定性和可靠性优化设计方法,获取优化设计方案;最后,通过优化设计方案指导实际项目开发过程,并跟踪模具的磨损情况,验证本文提出的方法。研究结果表明,本章提出的方案有效减少了模具的磨损,并提高了模具的结构强度和冷却能力,具备较好的工程适用性。