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热成形工艺在汽车轻量化中的应用研究
| 论文题名： | 热成形工艺在汽车轻量化中的应用研究 |
| 关键词： | 汽车工业;热成形工艺;轻量化设计;超高强度钢;技术应用;数值模拟 |
| 摘要： | 随着能源危机、交通安全和环境污染的日趋严重，节能、安全、环保已成为21世纪世界汽车工业发展的三大趋势。汽车轻量化技术是实现该目标的有效途径之一。优化车身结构设计和采用轻量化材料是汽车轻量化的两大有效途径。其中，轻量化材料包括新型轻质材料和(超)高强度钢材料。一方面，新型轻质材料，如铝合金、钛合金碳纤维等的不断涌现，为轻量化技术的发展提供了广阔的发展空间；另一方面，热成形工艺的出现，使得抗拉强度在1500Mpa以上的超高强度钢材料在车身上的应用越来越广泛。 本文主要内容包括以下几方面： (1)论述了热成形模具冷却系统设计的基本要求，并基于传热学原理计算了冷却管段直径与冷却管道根数之间应满足的关系式；基于材料的弹塑性，建立了冷却管道间距应满足的力学关系式；并将冷却管道模具的力学模型简化为简支梁，根据弯曲强度校核条件，建立了冷却管道与承载型面间距应满足的公式。最后基于上述关系式，设计了“中气”轿车车门防撞梁热成形模具。 (2)基于LS DYNA软件，创新性地将体积流法应用到冷却系统建模中，建立了热成形板料、模具及冷却水流之间的热力耦合模型。在此基础上取车门防撞梁中间一段“U”型样件，对其成形和淬火过程进行热力耦合数值模拟，得出了冷却水流速、冷却管道直径、板料初始温度、模具温度及冲压速度等工艺参数对热成形工艺的影响规律；根据成形终了和保压淬火终了时刻板料应力场和温度场的分布，优化模具冷却系统布局及热成形工艺参数。最后论述了板料初始温度、模具温度变化及不同冲压速度对热成形工艺的影响。 (3)参考车门防撞梁国内外法规，对普通高强钢冷成形车门防撞梁和热成形车门防撞梁进行了静态承载性能和动态抗冲击吸能性能的对比研究。研究表明，热成形防撞梁具有优异的静态承载性能和动态抗冲击吸能性能，因此，采用热成形工艺不仅可以提高汽车安全性能，还能有效减轻车身重量，实现汽车的轻量化。 本文以“中气”轿车前门防撞梁为研究对象，设计了热成形专用模具，运用上述体积流法实现了板料、模具和冷却水流间的热力耦合模拟，并开发热成形模具验证了冷却系统设计方法和体积流法的有效性。本文是CAE工程应用性课题，在热成形模具的前期开发中，运用本文论述的冷却系统设计与模拟方法，可以有效缩短模具开发周期，降低开发成本。 |
| 作者： | 陈亚柯 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 谢晖 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2012 |
| 正文语种： | 中文 |
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