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《大连理工大学》 2011年
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高强度钢板热成形技术若干研究

马宁  
【摘要】:热成形技术是将传统热处理技术及冷冲压技术相结合的最新制造技术,刚兴起已受到国家产业政策、工业界及学术界的高度重视,具有广阔的发展前景和长远的发展生命力。本文从热成形技术工艺、热成形理论及实验方法、热成形过程的多场耦合本构关系、热成形过程的数值模拟、热成形复合材料技术及热成形技术的工程应用等方面对热成形技术进行了系统全面的研究。本文的主要研究成果如下: 一、在热成形工艺方面 基于独立自主开发的拥有自主知识产权的国内第一条热成形生产线介绍了直接热成形工艺和间接热成形工艺,分析了两种热成形工艺的特点,给出了选择不同成形工艺的方法。分析了高强度钢板热成形技术的关键技术和装备,总结了连续加热炉的核心技术要求、给出了热成形模具关键制造技术及设计方法,以及对热成形专用压机需具备快速动作、保压等关键技术进行了论述。 研究了热成形工艺参数及其优化控制方法,分析了热成形工艺的关键工艺参数,即加热温度及保温时间、高温板料传递时间、冲压成形速率及模具冷却速率控制等,并对这些工艺参数的技术要求、优化控制方法进行了说明;结合热成形实例,提出了利用传统冲压数值模拟技术与高温材料参数相结合的手段对热成形参数进行快速辅助优化控制方法。 二、在热成形理论和实验研究方面 对热成形材料常温下的微观组织及其基本力学性能进行相关实验研究及理论分析;对热成形材料常温下的热成形性能进行了成形极限实验研究。 对热成形过程中影响材料成形性能的硬化能力参数进行了实验研究;通过对材料硬化性能的分析,给出了热成形材料具有较好成形性能的温度区间。分析了热成形过程中板料各向初始轧制各向异性的实验方法,提出了一种新的方便高精度的实验方案用于测试材料的高温轧制各向异性。 在热成形钢板进行高温拉伸及淬火实验的基础上,建立了马氏体相变点Ms、马氏体转变速率θ及相变塑性系数k与应力之间关系,进而建立了硼钢热成形过程中的热、力、相变耦合模型。引入了混合定律,对多相混合组织的热容、导热系数、热膨胀系数等热物性参数、弹性模量E及屈服极限等力学性能参数进行了等效分析。对热成形应变组成及其形成机理进行了分析,引入了相变体积应力及相变塑性应力等新概念。 三、在热成形过程的数值模拟技术方面 在建立的高强度钢板热成形热、力、相变耦合本构方程的基础上,发展了热成形非线性大变形动力显式有限元方程;通过定义接触控制参数的概念,将材料的高温性能引入接触与摩擦模型;将热成形过程中的相变潜热引入温度场,并进行了有限元分析;在自主开发的商业化金属成形CAE软件KMAS (King-Mesh Analysis System)基础上,开发了考虑多场耦合的非线性、大变形热成形动力显式数值模拟模块。基于虚功率方程及持续平衡方程建立了热成形静力显式多场耦合有限元列式,在KMAS软件基础上,开发了热成形静力显式数值模拟模块。 四、在热成形金属复合材料技术方面 发现了热成形分层金属复合材料及其制造工艺;分析了这种热成形新型金属复合材料各层的硬度、强度及塑性性能的连续梯度分布规律;通过对比车门防撞梁新型金属复合材料与内部各相材料在冲击载荷作用下的冲击力、吸能等性能对比,说明了金属复合材料综合了各单相材料的优秀性能,适合用于承受冲击吸能构件的选材。 给出了热成形连续梯度分布金属复合材料成形工艺,通过控制热成形过程中的加热温度及模具冷却管路布局,得到了材料性质呈连续梯度分布的特殊金属复合材料。通过实验及数值模拟分析,说明了这种金属复合材料特别适合于耐碰撞冲击材料的选材。 五、在热成形技术工程应用方面 提出了判断耐冲击零部件性能的数值模拟方法,即根据零部件在整车碰撞中的约束情况对零部件进行相应约束,然后进行准静态或者动态冲击数值模拟。基于上述方法对某车型前保险杠横梁进行了热成形材料厚度的优化设计,在性能提升的同时重量减轻40%。 对热成形金属复合材料零部件的优化设计进行了研究。首先通过对B柱进行冲击数值模拟证明了所提出的判断耐冲击零部件性能的数值模拟方法的可行性。进而通过对车身典型零部件B柱及S型梁应用热成形复合材料工艺进行优化设计,得到了比传统结构耐冲击能力更好的热成形金属复合材料零部件,同时给出了热成形金属复合材料零部件的优化设计方法。 对热成形零部件在车身设计中的应用方法进行了研究,提出了热成形零部件用于车身设计的“功能设计”方法,通过4种工况下整车侧面碰撞结果的对比分析,说明了热成形零部件在车身设计中的作用机理,并详细阐述了“功能设计”方法的内容。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG162.83;TG386

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【引证文献】
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