吕浩、陈枫、王波、潘凤军、董庆文 杨昊
北方华安工业集团有限公司 黑龙江 碾子山 161046
摘要：随着国民物质生活水平的提高，人们对汽车的安全性要求越来越强，因此，高强度钢板在汽车车身上的应用也越来越广泛。
关键词：高强钢板；热冲压；冷却水道；优化设计
采用超高强钢板热冲压零件是降低汽车自重、增强汽车防撞性及抗冲击的有效手段之一。因此，超高强度热冲压技术已成为世界各大汽车制造商的热门技术。热冲压工艺是将高强度钢板加热到奥氏体温度范围，钢板组织完成变化后，迅速移至模具进行冲压，在压机保压状态下，经模具内的冷却回路保证一定的冷却速度，对零件进行淬火冷却，最终获得超高强度冲压件的新工艺。
一、热冲压成形模具设计基本要求
1、选取的材料要具备较好的成形能力，能结合相应的操作过程有效完成批量生产，并确保生产处的样件外形尺寸精度及表面的质量都能满足实际需求，整体质量合格。
2、选取的材料要具备较好的冷却能力，也就是说，在实际操作中，材料的冷却效率要满足要求，尽量维持元件各个位置冷却的均匀性，从而提升应用过程后续操作的合理性。需注意的是，冷却效果要保证每个冲程过程总模具的初始温度都能维持在同样的范围内。
3、选取的材料要具备较好的密封性，只有提升密封效果，才能维持模具内部设置的冷却介质不会在进出管路时出现异常的堵塞问题，从而提升整体热冲压成形模具设计的效果。
4、选取的材料要具备准确的板坯定位支撑效果，为了有效避免板坯结构在冲压操作前出现异常情况，就要确保板坯处理效果较好，且能实现减少温降的目的。
5、选取的材料要具备较好的安全性能，并要确保相应的材料每个基础性部件都能贴合实际应用管理项目中的强度参数要求，符合正常服役的标准，从而尽量预见可能出现的问题，落实对应的处理机制，避免材料应用中出现问题。
6、选取的材料和模具结构要尽量简单明了，相应的结构体系也要紧凑，从而有效安排对应的设计模具处理工作，只有如此才能最大化减少模具处理的成本，确保能在生产中提高模具保养维护项目的基本水平。
二、热冲压冷却系统有限元模拟
1、建立有限元模型。有限元模型包括板料和模具两部分。冷却水道的初始位置是:水道的中心距离模面20mm，相邻管道间的距离也是20mm。选取模具和板料整体截面，这样既简化了建模，又减少了运算时间，降低了对硬件的要求。此外，所选材料为热冲压专用钢板22MnB5，定义其物性参数，包括板料随温度变化的热传导系数、密度、比热容。
2、网格划分。采用的单元类型为实体三角形六节点单元PLANE35，而根据模型的复杂程度，应用智能网格划分将凸、凹模圆角处的网格设置密一些，其他部位设置稀疏一些，这样能满足分析精度也能减小计算时间，并降低对硬件的要求。
3、加载并求解。首先，选定分析类型为瞬态分析。根据分析计算初始条件等。温度施加在板料和模具有限元模型的节点上，而节点温度在整个瞬态分析过程保持不变，所以要先做稳态分析确定初始温度，并在第二载荷步中删去所设定的温度。然后，设置载荷步选项。最后设置分析输出选项，存盘，进行求解。
4、模拟结果。通过ANSYS/LS-DYNA模块的专用后处理器LS-Prepost，得到超高强度钢板在专用模具内保压淬火中的瞬态温度场分布及热冲压U形件在分析结束时的瞬态温度分布。由此得知，冲压件的最高温度为81.724℃，最低温度为43.191℃，热冲压零件在模具中保压淬火后温度分布不均匀，可知零件在弯角处的温度与其他部位的温度差较大，易产生内应力，降低热冲压零件的性能。其原因是冷却水道的尺寸和位置的不合理导致零件的降温效果不佳。
由此以冷却水道的形状位置参数为设计变量，以零件冷却的平均温度为状态变量，以零件冷却的均匀程度为目标函数，对热冲压模具冷却系统进行优化设计。
三、冷却系统优化设计
本文采用的优化方法为零阶法和一阶法。零阶法最大的特点是只用到了因变量而未用到因变量的偏导数。而一阶法用到了设计变量的一阶偏导数，精度高，尤其在设计变量的变化范围大，设计空间相对较大。但一阶法可能在不合理的设计序列上收敛，对这种情况可采用零阶法。一阶法更易获得局部最优值，但若起点附近有局部最优值，就会选择该最小值而找不到所要找的全局最小值。这时可采用零阶法或随机搜索法对一阶法所得结果进行验证。
1、参数化建模。影响热冲压零件淬火过程温度场分布的结构是冷却水道的直径(或半径)、冷却水道与模具成形面的距离和冷却水道间的距离。本文是基于参数化的优化设计，因此以水道与型腔间的距离、水道与水道间的距离、水道与临界空气模具边间的距离、水道直径作为优化设计变量，以温度分布均匀作为优化目标。
2、状态变量的选取。状态变量是优化分析中的约束条件，对超高强度钢板热冲压模具冷却系统优化设计来说，当冷却水道的位置发生变化时，热冲压零件截面单元节点的温度平均值也随之发生变化，因而将热冲压零件截面单元节点的温度平均值作为状态变量。
3、优化目标函数。优化中，正确目标函数的选择是最优化方法的核心，在保证单元网格划分足够细以保证计算精度的前提下，将热冲压模具中心截面处零件截面各单元节点的温度对热冲压零件截面单元节点温度平均值的均方差来构成热冲压零件冷却的均匀性。
4、优化步骤
1)进入通用后处理模块(POST1)，从瞬态分析结果中提取热冲压零件截面所有节点温度的平均值，再根据各节点温度值与温度平均值计算出目标函数。并赋值给相应的变量参数。
2)进入优化分析模块，指定分析文件、设计变量及其变化范围与公差、状态变量及其变化范围与公差，还有目标函数及其公差，指定优化分析策略，由于本文研究超高强度钢板热冲压模具冷却系统的设计，首先采用随机搜索法得出一系列初始设计序列，去除其中不合理的设计序列，然后在此基础上采用零阶法进行优化分析，最后得出最优设计序列。
3)优化迭代结束后，设计变量与目标函数间的变化关系可通过图形表示出来。在默认情况下，在Jobname.rfl文件中保存着最后设计方案的模拟结果。要获得初始设计结果，在初始分析完成后，进入后处理器查看、保存及输出数据。
四、优化结果
通过调整冷却水道半径、位置、形状来改善热冲压零件冷却中温度场的分布，从而实现成形件冷却均匀的目的。本文得到的最优设计并不是理想的绝对最优解，是因在设计初期做了近似假设，而优化分析所得解的精确程度与最大迭代次数、目标函数工程等因素有关。此外，对优化后的分析结果进行模拟仿真，数值模拟的时间是17s。优化设计后，热冲压零件的冷却效果有了明显的改善，特别是零件弯曲部位淬火冷却的均匀性有了很大的提高。
五、实验
1、实验过程。选用功率为30 kW的箱式电阻炉(炉膛尺寸350mm×300mm×150mm)对钢板进行加热，用火钳将加热后的钢板快速移动到冷却水道优化后的模具中，选用Y32-100型压力机对零件进行保压淬火。由于超高强度钢板热冲压是从850～900℃降至200℃以下，所以选测量零件温度变化过程的传感器为K型热电偶温度传感器，其测量温度范围为0～1200℃。
2、实验结果。由于冷却水道的存在给测量增加了难度，导致安置传感器的位置受到限制，不能将U形件中的所有点温度都测量出来，因此本次实验对超高强度钢板热冲压成形过程中的位置进行测量，由此得出，所设计优化后的冷却系统基本上达到了预期的效果。虽然这些点的温度都比数值模拟高且有一定的差别，但实际温度比模拟的高是由于实际零件与模具间的传热有热阻，这些点的温度有差别也是因零件侧壁与凹模的接触不完全，所以温度较高，而零件弯角处的温度相对较低是因与凸模接触较好、传热较快。因此，零件的温度分布较均匀，证明了优化结果的正确性。
参考文献：
[1]孙国华.超高强度钢板热成形板料温度的解析模型研究[J].锻压技术，2015(08)．
[2]张志强.高强度钢板热冲压技术及数值模拟[J].热加工工艺，2015(11)．
[3]蔡玉俊.高强钢板热冲压模具冷却水道优化设计[J].农业机械学报2016(01)．