汽车前地板热冲压成形模具设计及冷却效果仿真分析.pdf

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1、硕硕硕士士士学学学位位位论论论文文文汽车前地板热冲压成形模具设计及冷却效果仿真分析DESIGN OF THE HOT STAMPING MOLDOF AUTOMOTIVE FRONT FLOOR ANDANALYSIS IN THE SIMULATEDQUENCHING EFFECT刘刘刘祥祥祥意意意哈哈哈尔尔尔滨滨滨工工工业业业大大大学学学2012 年年年 07 月月月国内图书分类号：TG702国际图书分类号：621学校代码：10213密级：公开工工工程程程硕硕硕士士士学学学位位位论论论文文文汽车前地板热冲压成形模具设计及冷却效果仿真分析硕 士 研 究 生：刘祥意导师：邢忠文教授申 请 学

2、位：工程硕士学科：机械制造及其自动化所 在 单 位：机电工程学院答 辩 日 期：2012 年 07 月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index:TG702U.D.C:621Dissertation for the Master Degree in EngineeringDESIGN OF THE HOT STAMPING MOLDOF AUTOMOTIVE FRONT FLOOR ANDANALYSIS IN THE SIMULATEDQUENCHING EFFECTCandidate:Liu XiangyiSupervisor:Prof.Xing ZhongwenAcad

3、emic Degree Applied for:Master of EngineeringSpecialty:Mechanical Manufacturing and AutomationAffiliation:School of Mechatronics EngineeringDate of Defence:July,2012Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要热冲压成形工艺是将加热至奥氏体后的钢板进行成形并保压、淬火的新型复杂板材成形工艺，可以实现高强度复杂零件的成形，有效

4、地解决高强钢板件室温成形存在容易开裂、起皱、回弹大等缺陷。高强钢板由于比强度高、综合力学性能好，在同等安全系数下，可以有效的减轻汽车重量，在汽车行业中得到广泛应用。汽车前地板为车室前部的汽车驾驶席的地板结构件，对汽车的稳定性、安全性以及舒适性起着重要作用，是汽车的关键部件之一。研究汽车前地板热冲压成形模具及冷却系统设计关键技术和工艺参数对冷却效果的影响规律，在扩展热冲压成形技术在工程中的应用和推动热成形工艺的发展方面，具有重要的意义。借鉴冷冲压成形模具设计经验，用 CATIA 建立了汽车前地板的热冲压成形模具三维模型，结合前地板的型面特点，采用型腔式和钻孔式相结合的方式。设计了汽车前地板热冲压

5、成形模具及其冷却系统，使其强度满足要求。依据流体动力学原理，结合共轭传热理论，建立了有限元仿真模型。采用流体仿真分析软件 CFX 进行多工艺循环下的汽车前地板保压淬火阶段的数值模拟。通过模拟分析，验证了模具及冷却系统设计方案的合理性。分析了冷却水流速、保压力、保压时间、工艺循环次数等工艺参数对热冲压模具、热成形件冷却效果的影响规律。确定了汽车前地板热冲压成形的合理工艺参数。研究表明：汽车前地板热冲压成形时，合理的冷却水流速应不小于 5 m/s，保压力应不小于 30 MPa，保压时间不小于 10 s；经历五次工艺循环后，模具的温度趋于稳定。关键词：汽车前地板；热冲压成形；冷却系统；共轭传热；仿真

6、分析-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractAs an innovative forming process for High strength steel(HSS),hot stamping withintegrated heating,forming and quenching in one process,can effectively soften the blankand prevent it from cracking and wrinkling.Because of the phase transformation ofaustenite to martensite

7、within the stamping operation,the blank can acquire substantialhigh tensile and yield strength.Under the same safety conditions,HSS can effectively re-duce vehicles weight due to its high specific strength and good comprehensive mechanicalproperties.HSS is widely used in the automotive industry.Auto

8、motive front floor(AFF)is one of the key components of the car which located in the front compartment of thecar,plays an important role in the stability,security and comfort.Design the hot stampingmold of AFF and the cooling system,research on the influence law of the crucial pro-cess parameters to

9、the quenching effect.It is of great significance to promotion in thedevelopment of the hot forming process and applications in engineering.Learning from the cold stamping mold design experience,design the hot stampingmoldof AFFwith CATIA.According to surface characteristics of AFF,design the cooling

10、system with the method of a combination of cavity-type and drilling-type.And make itsstrength meet the requirements.In accordance with the principle of fluid dynamics,combined with the theory of con-jugate heat transfer,build the finite element simulation model.Under the multi-processcycle condition

11、s,do the numerical simulation of the AFF in the holding pressure quench-ing stage.Through simulation analysis,verify the rationality of the mold and coolingsystem design.Analyze the influence of the cooling water velocity,holding pressure,holding time,process cycle times to the temperature of the mo

12、ld and cooling effect.De-termine the reasonable parameters of AFF hot stamping.The studies show that the water velocity,holding pressure,holding time should benot be less than 5 m/s,30 MPa,10 s during AFF hot stamping process.And after fiveprocess cycle,the mold temperature tends to stabilization.Ke

13、ywords:Automotivefront floor,hot stamping,cooling system,conjugate heat transfer,Simulation Analysis-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要.IABSTRACT.II第 1 章 绪论.11.1 引言.11.2 热冲压成形工艺.21.3 热冲压成形的国内外研究现状.41.3.1 国外研究现状.41.3.2 国内研究现状.61.4 课题意义及主要研究内容.71.4.1 研究对象.71.4.2 课题意义.71.4.3 主要研究内容.8第 2 章热冲压成形理论研究.92.1 引言.92.2 热冲压

14、成形中相变过程.92.3 热冲压成形过程中的共轭传热理论.102.3.1 热冲压过程的传热途径.102.3.2 换热系数的计算.112.3.3 共轭传热数值计算.122.4 接触热阻.142.5 本章小结.17第 3 章汽车前地板的热冲压成形模具设计.183.1 引言.183.2 汽车前地板热冲压成形模具的结构设计.183.2.1 热冲压成形模具材料的选择.183.2.2 冲压方向的确定.193.2.3 前地板的热冲压成形模具总体结构设计.19-III-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.3 前地板热冲压成形模具冷却系统的设计.193.3.1 模具内冷却系统结构方案的选择.203.3.2 模具冷

15、却水流量计算及水管的设计.203.3.3 模具钻孔式冷却系统设计.243.3.4 模具型腔式冷却系统的设计.263.4 热冲压成形模具的强度校核.273.5 热冲压成形模具冷却系统的合理性分析.293.6 本章小结.30第 4 章模具冷却系统的共轭传热数值模拟分析.314.1 引言.314.2 模拟工具的选择.314.3 有限元模型的建立及网格划分.324.3.1 有限元模型的建立.324.3.2 有限元网格划分.324.4 流动模型的选择.334.5 接触热阻的处理.344.6 多工艺循环共轭传热数值模拟.344.7 CFX前处理.364.7.1 材料属性的设置.364.7.2 初始条件的设

16、置.374.7.3 边界条件的设置.394.8 共轭传热数值模拟分析.404.8.1 水流速度对模具、板料温度分布的影响.404.8.2 保压力对模具、板材成形温度分布的影响.434.8.3 保压时间对板料温度分布的影响.444.8.4 工艺循环对模具、板料温度分布的影响.464.8.5 多种工艺参数对板料温度影响的对比分析.514.9 板料的冷却速率分析.524.10本章小结.53结论.54参考文献.55哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.59-IV-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文致谢.60-V-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 1 章 绪论1.1 引言在全球化变暖、能源危机的今

17、天，如何在提高汽车安全性能的同时降低油耗、减少温室气体的排放、节约钢材已经成为汽车行业亟待解决的焦点问题。汽车节能减排的方法有很多种，例如新能源的使用、发动机效率的提高以及车身轻量化等。有关研究数据表明，汽车的质量每减重 1%，可节油 1%；运动部件每减重 1%，可节油 2%1。由此可见，减轻车身重量是实现汽车节能减排的有效手段。除优化汽车结构、调整零部件的尺寸和数量、最大限度地降低零部件的重量来实现汽车的轻量化之外，采用轻量化材料代替低强度钢材是实现汽车轻量化的另一有效途径。汽车发展至今已经有 180 多年的历史，汽车结构及零部件的尺寸和数量已经基本成型，对汽车结构和零部件的改进比较困难，相

18、比而言，采用轻量化材料更容易实现汽车的轻量化，更容易满足不同的需求2，图 1-1 所示为某车结构件、覆盖件所采用的材料。图 1-1 车身各部分所用的材料3高强度钢板由于比强度高、抗凹性好，可以在同等安全系数下最大程度地降低车身零件重量，而倍受世界各大汽车厂商的青赖。然而，高强钢板在传统冷冲压工艺中表现出的回弹大、易开裂、延展性差等缺陷极大地阻碍了其在汽车行业中的发展。同时，过大的变形抗力对模具寿命也提出了新的挑战。因此，在很长一段时间内通过冷冲压成形对强度超过 1000 MPa 的高强钢板进行加工一直被视为是不切实际的。-1-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文热冲压成形的出现很好地解决了上述问题。

19、钢板在高温下变形抗力急剧降低，若对高温下的高强钢板进行成形并淬火处理，即可以应用较小的载荷获得抗拉强度高于 1500 MPa的高强度冲压件。热冲压成形技术虽然只有三十多年的发展4，但目前该技术已经被汽车行业大范围采用，用于生产具有高比强度的汽车金属零件。图 1-2 为某车型的冲压件示意图，其中大部分的零件均需要热冲压成形。汽车通过使用热冲压成形的高强度钢减轻自重，不仅在保证汽车的使用性能和碰撞性能的前提下，使车体的弯曲刚度和扭转刚度都得到显著提高，甚至使这些性能在轻量化的同时还有所提高，而且可以降低油耗，改善汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能，同时还可以降低部件振动和噪声，提高舒适性和

20、元器件的耐久性5。所以，高强度钢越来越受到汽车制造商的关注。因此，设计合理的热冲压成形模具，尤其是其冷却系统，分析传热过程，优化冷却回路，对高强度钢的进一步发展起到至关重要的作用。图 1-2 某车型冲压件示意图1.2 热冲压成形工艺热冲压成形工艺是将钢板加热至奥氏体化温度范围，待钢板组织完全变成奥氏体后，快速移动到模具中进行成形的新型成形工艺6。在压机保压状态下，通过模具中布置的冷却水路使成形件冷却速度达到一定范围（以 22MnB5 硼合金钢为例，钢板在冲压、保压过程中温度要以 27C/s 以上的速度冷却7），从-2-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文而生成马氏体组织，最终获得超高强度冲压件（抗拉

21、强度可达到 1.5 GPa，甚至更高），见图 1-3。图 1-3 热冲压成形工艺流程8与冷冲压相比，热冲压成形具有明显的技术优势，主要表现在以下四个方面911：1.经过热成形的零件抗拉强度可以超过 1.5 GPa12。在保证汽车安全性能的前提下，不仅能够减小零件的厚度，而且还可以减少车身上加强板的数量，有效地减轻了汽车的重量。图 1-4 是热成形梁与冷成形梁在外载荷作用下的侵入量曲线，通过对比分析可知，在梁的合理承力范围内，相同载荷下，热成形梁的变形量明显小于冷成形梁。例如在载荷为 60 KN 时，热成形梁的侵入量仅为 35 mm，而冷成形梁对应的侵入量则为 105 mm。说明热成形可以在保证

22、强度的前提下，厚度可以做的更薄。图 1-4 热成形梁与冷成形梁在外载荷作用下的侵入量曲线102.板材在高温下变形抗力小、延展性和塑性好。一些几何形状复杂的零件在进行冷冲压成形时极易发生起皱、开裂等缺陷，热冲压成形可以较好地避免该缺陷的产生。3.高温下材料的变形抗力下降，与冷成形相比热冲压成形只需要较小的压力机吨位就能满足要求，一般 800 t 的高速液压机就能满足大部分车身零件热冲压所需。-3-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.热冲压成形件几何尺寸精度高，回弹小。图 1-5 为热成形钢 BR1500HS在相同工艺条件下得到冷冲压件与热冲压件的外形对比。从图中可以明显地看到冷冲压件有明显的回弹，

23、而热冲压件则几乎没有回弹。a)热冲压零件b)冷冲压零件图 1-5 热冲压件和冷冲压件成形精度比较131.3 热冲压成形的国内外研究现状1.3.1 国外研究现状上世纪八十年代，瑞典的 Plannja 公司发明了热冲压成形技术并申请了专利，由于该项技术所生产的高强度钢恰好满足了人们对于减少汽车重量、提高其安全性及碰撞能力的要求，因此在汽车行业界及相关各大科研机构受到广泛的关注14。在二三十年发展过程中，对该项技术的研究内容主要可以归纳为四个研究方向。分别为：热成形钢材料的性能研究，成形过程及工艺的研究，模具与冷却系统的研究和试验及仿真分析的研究。1.3.1.1 热成形钢材料的性能研究在热成形钢的使

24、用和发展方面，钢材厂一直致力于发展具有更佳淬火性能的钢材，使其在保压淬火过程中马氏体相变更容易发生，成形件抗拉强度、硬度等力学性能指标更高。Suehiro 等15研究了经热成形后钢板的硬度特性及表面层的可涂性和可焊性。Merklein 和 Lechler16使用 22MnB5 作为试验材料，在拉伸试验中获得其在高温下拉伸应力应变曲线。Bardelcik 等17研究了冷却速度对热成形后硼钢的硬度和拉伸性能的影响。德国埃朗根纽伦堡大学的 M.Merklein18等对 USIBOR1500 在改进的 Glee-ble 1500 伺服液压系统中进行了热模拟试验（如图 1-6），系统地研究了轧制方向、温

25、度、应变速度、冷却速度在钢板奥氏体化阶段对钢板流变性能的影响。研究表明：轧制方向对钢板的奥氏体化基本没有影响，真实应力随着温度的升高会降低，而随着应变速率的升高而升高。-4-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图 1-6 改进的gleeble1500伺服液压系统示意图181.3.1.2 成形过程及工艺的研究Geiger 等19、Yanagida 和 Azushima20测量了在高温下板材与模具的摩擦系数。Abdulhay 等测量了模具（H13）与板材（22MnB5）间的热接触阻力21。Senuma 等22研究了成形温度对成形件的形状固定能力、延伸成形能力、孔膨胀率的影响。Kolleck 等23提出了

26、使用感应加热的方法加热硼合金钢，该方法与电阻加热的方法相比，可以提高板材的奥氏体化程度，而且缩短加热时间。日本学者 K.Mori 与 D.Ito 等24研制了多种抗氧化油，并通过试验研究了抗氧化油对高温钢板在空气中的抗氧化能力的影响，试验证明抗氧化油能有效解决钢板在高温状态下被空气氧化的问题，从而大大提高了板料的成形精度及强度。1.3.1.3 模具与冷却系统的研究热冲压模具研究对热冲压工艺的发展起到至关重要的作用。Steinbeiss等25提出了设计和优化的模具内冷却通道的方法。这种方法用在测试模具上，模具内冷却通道的复杂几何结构通过其方法可以得到很好的优化。Lee 等26提出一种新的用来热冲

27、压的模具，这种模具可以提高零件的硬度和尺寸的精度，同时进行了热冲压有限元素法（FEM）分析，指出了相变对零件的硬度和尺寸精度的影响。Myoung-Gyu Lee 等27设计出了型腔式冷却方式的模具，并进行了高强度钢板的热冲压成形试验，同时证明了型腔式模具具有很好的冷却效果。-5-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.3.1.4 试验及仿真分析的研究自从 Ghosh 和 Kikuchi28对试验及仿真分析进行开创性研究之后，有限元模拟广泛的应用于热冲压成形过程的分析。Kerausch 和 Schonbach29使用商业软件重点分析有效的工艺布局。研究了工艺参数对板材热成形性能的影响，如毛坯的清洁度和

28、毛坯在冲床上的放置时间等。Akerstrom 和 Schonbach30进行了高强度钢热冲压的数值模拟研究，并与试验结果进行了对比分析。此外，德国 Benteler、Schuler、美国 ThyssenKrupp、瑞典 AP&T、加拿大MAGNA COSMA 等欧美各大知名企业纷纷在该项技术上投入大量的人力与物力，用于研发相关技术设备，从而提高企业产品的市场竞争力。目前已经由多家企业研究出热冲压成形的相关技术设备。其中，作为世界第三大汽车零配件生产商的 MAGNA COSMA 已经拥有热冲压成形的生产线，为世界各大汽车生产商提供车身覆盖件。1.3.2 国内研究现状相对于国外对热冲压技术的研究，

29、国内对于该技术的研发起步较晚，目前主要由各大高校、科研院所、板材供应及制造厂商对该项技术进行研究，并阶段性地取得了一定成果。2005 年宝钢研究院率先在国内开展热冲压技术预研究，致力于研究热成形材料特性参数及本构关系、热力耦合数值分析，并通过大量的试验进行了热成形零件可制造性分析、并取得了突破性的进展31,32。同济大学以 ArcelorMittal 生产的 USIBOR1500 研究对象，试验分析探究了板料成形的时间，保压时间，模具温度，板料的奥氏体化程度等等工艺参数对板料成形质量的影响，并首次提出了临界水流速的理论5,33。吉林大学材料科学与工程学院和华中科技大学材料科学与工程学院以Num

30、isheet 提供的汽车B柱热冲压件为基础，建立汽车 B 柱热冲压模型，进行了热冲压工艺中保压淬火过程热力耦合数值模拟分析，并得到了板料面及厚向的温度布规律34。哈尔滨工业大学积极与宝山钢铁股份有限公司展开合作，以典型的冲压盒形件为研究对象，设计制造热冲压成形试验模具，探究热冲压成形的关键工艺参数，为研制生产满足强度要求汽车覆盖件的热冲压成形模具打下坚实的基础35,36。虽然国内的热成形技术已经阶段性的进展，但国内的技术水平与欧美国家相比还相差较多，且依然面对国外对该新型成形工艺的技术封锁和垄断，因此-6-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文实现该技术的国产化成为当务之急。1.4 课题意义及主要研究

31、内容1.4.1 研究对象汽车的前地板是车室前部的汽车驾驶席的地板结构件，图 1-7 为汽车前地板的实物图。汽车前地板的作用：1）支撑作用，方便驾驶员进行驾驶操作；2）当汽车发生撞击时，能够起到一定的缓冲作用，保护驾驶员，因此前地板的强度影响着汽车的安全性能。汽车的前地板在中间部分的变形深度较大，且形面复杂，冷成形加工困难。高强度钢采用热成形的方式加工，不仅容易成形，而且能提高前地板的强度，增加汽车的安全性能，还可以有效地降低前地板的重量，达到节能减排的目的。图 1-7 汽车前地板1.4.2 课题意义热冲压成形工艺作为一种新兴的板材成形工艺，是解决高强钢板、超高强钢板室温起皱、破裂等缺陷的有效途

32、径，具有广阔的应用前景。热冲压成形模具冷却系统的设计是该技术的核心之一，合理地设计冷却系统，使其在热冲压生产线达到预期的冷却效果，对热冲压工艺的发展，尤其对该技术在汽车覆盖件成形中的应用显得更为重要。由于国外的技术封锁，国内的研究起步较晚，虽然国内各大科研院所和高校进行了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，但在连续加热炉技术、热冲压模具设计、模具制造方式和能耗等方面存在很多的问题亟待解决。为扩展热冲压成形技术在工程中的应用，以汽车覆盖件 汽车前地板为研究对象，设计型腔式冷却方式的热冲压成形模具，并对生-7-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文产节拍下模具的冷却效果进行仿真，分析研究型腔式冷却方式热

33、冲压成形模具的工作特点，研究各工艺参数对热冲压成形的影响规律。1.4.3 主要研究内容（1）汽车前地板热成形模具及冷却系统设计1）汽车前地板热成形模具设计2）模具冷却系统设计3）模具强度校核及合理性分析（2）汽车前地板热冲压成形冷却效果仿真分析1）各工艺参数对模具温度的影响2）各工艺参数对板料温度的影响3）工艺循环对模具、板料的温度影响（3）汽车前地板热冲压成形工艺参数的确定1）模具的冷却效果分析2）确定合理的热冲压成形的工艺参数-8-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 2 章 热冲压成形理论研究2.1 引言相对其他板料成形技术,热冲压技术起步较晚，其理论研究还有待于进一步充实和完善。热冲压技术

34、基本理论包括板料在成形过程中的相变理论、板料与模具共轭传热理论、高温钢板在空气中的对流交换理论、辐射换热理论，接触热阻理论。同时为了更好的研究分析保压淬火阶段，还需要流体动力学及相关基础理论。2.2 热冲压成形中相变过程高强度钢的热冲压成形的原理主要是将特殊的钢板加热到奥氏体化温度，使其完全奥氏体化，然后以一定的冷却速率对钢板进行保压淬火，使其转变为马氏体。马氏体（Martensite）是碳溶于 Fe 的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。马氏体的晶相组织结构如图 2-1 所示。钢中马氏体机械性能最显著的特点就是具有高强度和高硬度37。图 2-1 马氏体的晶相组织热冲压技

35、术中钢的相变属于固态相变范畴。钢板的相变共发生在三个阶段（图 2-2）。第一阶段，钢板在电阻炉中被加热，组织形态由原始的珠光体和铁素体转变为奥氏体，该相变为扩散型相变；第二阶段，钢板与模具接触淬火，奥氏体组织转变为马氏体或贝氏体组织，相变类型分别为扩散型相变（贝氏体转变）和非扩散型相变（马氏体转变）；第三阶段，钢板从模具中取出在空气中冷却，未转变的奥氏体生成马氏体或贝氏体、珠光体等组织，相变类型为非扩散型相变（马氏体转变）和扩散型相变（贝氏体、珠光体转变）29,38。-9-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图 2-2 板料组织随温度变化示意图2.3 热冲压成形过程中的共轭传热理论2.3.1 热冲压

36、过程的传热途径热辐射、热传导、热对流是热量传递的三种基本方式39。板料在热冲压成形模具中成形的过程中，这三种热量的传递形式都存在（如图 2-3）。但这三种传递并不是简单单独的存在，而是相互影响且瞬态变化的。图 2-3 热冲压成形工艺中三种热量传递形式一般而言，真正的稳态传热过程是不存在的，只能近似地认为传热过程是稳态的40。事实上，除了纯粹的层流，流体总是受到各种周期的、准周期的以及各种随机的速度、压力、温度、动量和能量通量，蒸汽含量和相间边界平均值的波动的影响。这些波动可能是渐变和周期性的，如层流流体膜；也可能是-10-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文不连续和非周期性的，如在垂直管段两项介质间

37、的塞流换热和核沸腾（在固体-液体界面上的一种传热形式）。参数的波动具有一定空间特性，也具有时间特性，这种波动具有时间空间特性。对于这种传热过程中热对流与热传导相互耦合影响的传热问题称为共轭传热问题。在热冲压成形的保压阶段，高温板料与模具充分地接触传热，模具的温度会随着时间和工艺循环次数的增加而增高，最终达到热平衡，模具的温度趋于平衡。其保压阶段的热量地传递包括板料与凸凹模之间的热传递、冷却水与模具之间的对流换热，模具与空气之间的对流换热、其过程是一个固体固体、流体固体的共轭传热问题。2.3.2 换热系数的计算板料从加热炉到模具的过程中，空气与高温板料会发生激烈地对流换热。若钢板表面未加涂层，会

38、生成大量氧化皮，严重影响钢板与空气的换热。因此，为得到准确的对流换热系数，需要对换热系数进行修正，修正的过程即可归纳为反求问题。以厚度为 L 的一维平板为例说明换热系数反求含义及算法。平板右端（x=L）温度为恒定 TL，左端（x=0）有一瞬态热源，热流密度为 f(t)，平板内部初始温度场为 F(x)，此时数学方程为x(kTx)=cpTt,0 x 0(2-1)kTx=f(t),x=0,t 0(2-2)T=TL,x=L,t 0(2-3)T=F(x),0 x L,t=0(2-4)上述问题中，边界条件 f(t)和 TL、初始温度场 F(x)以及热物性参数都为已知，需要求解的问题为固体区域温度分布 T(

39、x,t)，其为时间和位置的函数。此类问题为直接问题，应用热力学公式即可求出结果。x=0 处的边界条件 f(t)为未知，而其他参数均为已知情况，需要求出 f(t)的具体表达时，便是反求问题。求解反求问题需要的条件，除了已知的参数外，最重要的是固体内部不同位置在不同时刻 ti(i=1,2,.,I)的温度值 T(xmeans,ti)=Yi，此时的数学方程为：-11-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文x(kTx)=cpTt,0 x 0(2-5)T=TL,x=L,t 0(2-6)T=F(x),x=L,t 0(2-7)T(xmeans,ti)=Yi,x=xmeans,t=ti(i=1,2,.,I)(2-8)将

40、 f(t)以多项式的形式进行展开，得下式：f(t)=Nj=1PjCj(t)(2-9)其中 Pj(j=1,.,n)为未知常数，Cj(t)为已知实验方程，换热系数反求问题即简化为对有限个未知参数 Pj的求解问题。通过对比发现，直接问题关心的是固体中的温度场分布，求解过程需要的关键参数均为已知，而反求问题的目标是预测出一个或多个关键参数，求解过程除了需要一些关键参数外，还需要试验测量一些特定位置的温度作为媒介。因此可以说，直接问题给出了原因，需要求出结果，而反求问题是给出了结果，需要求出原因。换热系数反求技术所要求解的未知参数，大多情况下较为复杂，依靠数值方法可以有效地解决此类问题。数值方法中通常将

41、研究对象离散成有限元网格，后加载边界条件和初始条件，以试验数据为目标进行反复迭代计算，直到模拟结果与试验结果误差小于一定值为止。2.3.3 共轭传热数值计算在现代工程应用，为了有效地解决共轭对流传热问题，数值模拟技术得到了广泛的应用。利用有限元的思想，以阵列的形式表示流体流动过程中的速度场和温度场，可以有效地计算出不同几何形状、不同热物理性能和不同换热条件下的固体与流体之间的热量的传递。在热冲压成形的理论研究中，为得到准确的共轭问题的数值解，需要以理论研究为基础，从实际研究问题出发建立流体动力学方程、换热方程。热冲压包含的共轭传热问题可以简化为如图 2-4 所示的模型40,41，图中 1 代表

42、高温钢板、2 代表模具、3 代表冷却介质，钢板左侧为空气场，其中 q 为空气热流密-12-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文度。流体与固体间的对流换热遵循牛顿冷却定律图 2-4 共轭传热示意图q*=hf(TS TB)(2-10)式中q*板料内部热流密度（W/m2）；hf 表面传热系数（W/m2K）；TS 固体表面温度（C）；TB 周围流体温度（C）。而钢板与模具间的传热遵循傅里叶定律：q*=Tn(2-11)式中 板料热导率（W/mK）；T/n 温度的梯度，“”代表热量的传递方向。共轭传热分析需要分别对流体区域、固体区域求解计算，再通过固体流体交界面建立的边界条件，使之加以耦合计算。其中流体区域的计

43、算需要建立连续方程、动量守恒方程和能量方程，而固体区域则只需建立能量方程即可。流体区域内的连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程分别为：lt+(lU)=0(2-12)(lU)t+(lU U)=(p+u(U+(U)T)+SM(2-13)(lhtot)tpt+(sUhtot)=(T)+SE(2-14)-13-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式中l,s 流体和固体的密度（kg/m3）；U 速度矢量（m/s）；t 时间（s）；p 压力（N）；矩阵函数；动力粘度系数（Ns/m2）；htot 总焓（kJ/kg）；T 温度（C）；l,s 流体和固体的密度（kg/m3）；SM 动力方程源项；SE 能量方程源项；1

44、 流体的热导率（W/mK）。对于固体区域（模具、板料），由于不存在流体流动，能量方程只需考虑热量传递、导热和体积热源：(lhtot)tpt+(sUhtot)=(T)+SE(2-15)式中2 固体的热导率。热冲压成形中流、固体边界的边界条件主要应用第二类或第三类，形式为：qw|soild=qw|fluid(2-16)(T/n)wsoild=h(Tw Tf)fluid(2-17)式中qw 交界面的热流密度（W/m2）；n 壁面外法线；模具导热系数（W/mK）；h 对流换热表面传热系数（W/m2K）；Tw,Tf 交界面和其附近流体的温度（C）。2.4 接触热阻认为两固体接触面两侧保持同一温度，即假定

45、两层壁面之间保持了良好的-14-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文接触。但在工程实际中，由于任何两个相接触的固体间的表面都不可能是紧密接触的，如图 2-5 所示，此时接触面两侧存在温度差。也就是说两个接触固体之间存在传热阻力，称为接触热阻（TCR）。图 2-5 固固接触传热示意图接触热阻的产生主要是由于在固固传热过程中，两固体的接触表面不可能达到绝对的光滑，即在微观情况下两固体表面不能充分接触造成。如图 2-6所示，两固体的表面之间能够直接导热的只能是直接接触的地方，而在不接触的地方，热量的传递实际上是通过空隙间的流体传递的。图 2-6 接触面上的微观形貌42根据接触热阻产生的原因可知，影响接触热

46、阻的因素有很多，其主要因素为以下几个方面42：1.接触表面的几何形状，主要指表面粗糙度；2.材料的物性参数，尤其是热物理特性；3.空隙间流体的物性参数；4.固体接触面接触压力的大小；5.接触面的温度和传热方向。由于接触传热的传热机理比较复杂，固固接触界面热阻研究已成为现代极富挑战性的科学问题之一。目前尚没有一个单一的理论模型可以完整地描述接触传热的过程，也就是说没有公式可以准确地求出接触热阻，在工程上常用-15-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文经验公式近似求出接触换热系数，然后间接的求出接触热阻（TCR 的倒数即为接触换热系数）。在热冲压成形工艺中，板料与模具之间的传热是一个典型接触热阻的问题。

47、宏观上，板料与模具是简单的固固传热问题；微观上，由于板料与模具的接触面不能充分接触，板料与模具的接触空隙中充满了空气，其间又存在着复杂的共轭传热问题。保压力、板料的表面粗糙度和断裂应力对接触热阻的影响很大，而且保压力是热冲压成形工艺中非常重要的工艺参数，板料的表面粗糙度和断裂应力一般很难改变，通过大量试验得出接触换热系数与单位保压力的经验公式（2-18）43，接触热阻TCR=1/h(p)可很简单地求出，热传递系数与单位保压力的关系如图 2-7：h(p)=Kair4Ra1+85(pr)0.8(2-18)式中h(p)热传递系数（W/m2K）；Kair 空气导热系数（W/m2K）；r 断裂应力（MP

48、a）；p 接触面间的压强（MPa）；Ra 表面粗糙度（m）。1 01 52 02 53 03 54 04 52 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 05 0 0 05 5 0 0?2K)?图 2-7 单位压力与热传递系数的关系-16-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.5 本章小结（1）阐述了高温板料在热冲压成形过程中的相变过程。（2）论述了热冲压模具、板料和冷却介质的共轭传热理论，其中包括热阻理论和流固耦合理论，并以一维简单模型建立了共轭传热计算方法。（3）分析了板料与模具间的接触热阻，及其计算方法。-17-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 3 章 汽车前地板的热冲

49、压成形模具设计3.1 引言热冲压成形技术的核心技术之一是热冲压成形模具的设计，即带冷却系统的模具的设计44。冷却系统需要保证板料在成形后按照预定要求的冷却速度进行冷却，以完成奥氏体向马氏体的转变，设计需要考虑的方面有：（1）较高的模具制造精度要求，虽然在高温下板料的延展性会有所提高，但与此同时其强度也会有所降低，所以为了防止板料在成形过程中出现拉裂、起皱等缺陷，必须合理设计凸凹模间隙；（2）模具的冷却回路需要合理设计和布局，以保证板料一定冷却速率和冷却的均匀一致性，即保证奥氏体完全转变为马氏体及组织分布的均匀一致性；（3）对模具的材料热力学性能提出了更高的要求，由于热冲压成形模具在连续变化的高

50、低温环境下作业，需要对模具材料的热胀系数及抗热疲劳性加以考虑；（4）对模具的耐磨性提出更高的要求，对于热成形的板料，无论其有无抗氧化保护涂层，均需要考虑模具的加速磨损，因为模具是在有涂层或者带有氧化层的板料的环境下作业45。3.2 汽车前地板热冲压成形模具的结构设计3.2.1 热冲压成形模具材料的选择热冲压模具除了承受巨大的机械应力外，还要承受反复受热和冷却的作用，而引起巨大的热应力。热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性，此外还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性和较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能46。对于压铸模用钢，还应具有表面层经反复受热和冷却