【摘 要】
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高强度钢辊压型材在汽车车身结构中的应用,是实现轻量化设计和碰撞安全性能提升的最佳途径。然而,由于高强度钢延展性低,在辊压成型过程中容易出现质量缺陷。高强度钢辊压型材的圆角区域具有屈服强度高、强塑积低、外圆角半径大以及角部厚度减薄等特征,导致在工程应用过程中,圆角区域装配和焊接难度更大,在外力作用下的开裂风险更高。本文以改善高强度钢方管圆角区域力学性能与几何形貌为研究目的,采用数值模拟与试验研究相结
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高强度钢辊压型材在汽车车身结构中的应用,是实现轻量化设计和碰撞安全性能提升的最佳途径。然而,由于高强度钢延展性低,在辊压成型过程中容易出现质量缺陷。高强度钢辊压型材的圆角区域具有屈服强度高、强塑积低、外圆角半径大以及角部厚度减薄等特征,导致在工程应用过程中,圆角区域装配和焊接难度更大,在外力作用下的开裂风险更高。本文以改善高强度钢方管圆角区域力学性能与几何形貌为研究目的,采用数值模拟与试验研究相结合的研究方法,对热辊压成型技术进行系统性研究。基于APDL命令流,在ANSYS有限元模拟软件中,开展高强度钢方管局部感应加热过程的电磁-温度场间接耦合数值模拟研究。数值模拟结果表明,物理环境法的求解效率远高于多场求解器法;导磁体可以大幅增强方管外圆角区域的电磁场强度,从而提升感应加热效率;高强度钢方管的磁感应强度和加热温度均存在集肤效应;根据高强度钢方管的目标加热温度和加热范围,得到加热频率、加热功率和加热时长的最佳值。利用热模拟试验机,进行高强度钢高温压缩试验,建立高强度钢铁素体区和两相区,以及奥氏体区的John-Cook唯象本构模型。借助Fortran语言,将J-C本构模型以VUMAT用户子程序形式,成功嵌入到ABAQUS有限元软件的显式分析模块中。在ABAQUS有限元模拟软件中,开展高强度钢方管热辊压成型过程的温度-结构场直接耦合数值模拟研究。数值模拟结果表明,外圆角半径的降低是由于外圆角边缘区域向平面区域的转化,而角部厚度的增加则是由于内圆角中心区域的金属堆积;由于方管圆角区域加热温度高于平面区域,所以较难出现应力集中现象,塑性变形主要集中在圆角区域,而内圆角中心由于金属流动空间限制,容易出现应变集中现象。根据方管圆角区域几何形貌的分析结果,得到线速度、加热功率和总变形量的最佳取值范围。基于数值模拟结果和现场调试经验,对现有试验设备进行改造升级。通过引入自动化送料和落料机构,实现单根方管从送料、加热、成型到落料的自动化生产流程。对感应加热线圈进行结构优化,提升加热均匀性和加热温度峰值。对孔型结构进行柔性设计,大幅增强轧辊模具的通用性。利用热辊压成型自动化生产线,开展高强度钢方管热辊压成型试验研究。将高强度钢加热温度区间从低到高细分为未奥氏体化区、部分奥氏体化区和奥氏体均匀化区。试验结果表明,随着加热温度的增高,方管纵向扩口性能与径向压扁性能均有所提升;方管圆角区域基体组织逐渐以粒状贝氏体为主,铁素体晶粒由准多边形转变为板条形;方管外圆角区域位错密度逐渐降低,析出物出现聚集长大现象。基于响应面法,建立高强度钢方管圆角区域屈服强度、外圆角半径和微裂纹长度的响应面模型。方差分析结果表明,线速度和加热功率对屈服强度、外圆角半径和微裂纹长度均有显著影响,而总变形量只对后两项试验结果影响显著。依据试验结果优化目标,得到满足条件的工艺参数最优组合。与原材料方管相比,采用优化工艺参数组合的冷热复合辊压成型方管,圆角区域力学性能和几何形貌均有显著改善。
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