形发生变化。因此, 过程模拟的现实的有限元模型必须考虑机械,热和微观领域之间的相互作用(图 9 。这就 需要加工特征曲线如传热系数, 材料的流动特性和相变在相关的加工条件下。 由于微观组织 转移的演化数据在过程模拟中, 所以, 最后的性质, 如硬度和抗拉强度都可以适当的模型化。
图 9. 热,机械与微观组织之间的相互作用
对于一个金属的热电与机械成形的耦合一致性分析, Ghosh 和 Kikuchi 开发了模拟金属 在提升温度时的流动特性的有限元法。 该方法考虑了依赖于金属大变形成形加工的初始的各 向异性和温度。
近年来, 耦合各自在热冲压性能中专门从事的领域的两套有限元方案的个别思想已经被 开发。 耦合系统考虑了热力和机械模型, 这与实现几何形状和物理数据的转移有关联。 由于 热现象和力学现象的分开计算, 在有限元模型内调整参数的耦合
思想非常灵活和高效。 这种 方法的不足之处是在不同的两种有限元模型之间的数据转移有限,影响了模拟结果的精确
度。 另外一种可选的热冲压有限元模拟是专用程序的应用:LS-DYNA , AutoForm 和 PamStamp 。 有限元模型在现存的物理过程的定义和描述的选择中变化。例如,使用有限元软件 LS-DYNA 的对金属板料的分析操作可以用热壳单元和机械壳单元的结合。 在力学问题被显示的时间积 分方式处理的同时热学问题也被时间的隐式积分解决了。 LS-DYNA 的特征允许联合每个积分 法则的优点, 同时克服联系解决方案的稳定性问题和热收敛的问题。 具有热行为的刚体可以 用这种工具来模仿。
温度在毛坯和模具上的分布的预测在这个过程中扮演着重要的角色。 需要一个随温度变 化的硬化函数来描述塑性变形, 并且要考虑毛坯与模具之间的热量和由于对流和辐射引起的 毛坯的热量散失。为了模拟热成形过程, 奥氏体到马氏体的相变也要考虑到。在下文中,描 述了热冲压中热电和机械性能及其检测的有限元模拟。
6.1. 热特性
应用有限元模拟来预测热冲压件的机械性能需要一个在成形和淬火过程中准确的热现 象的模型。在贯穿整个成形操作过程中,传热系数 h 影响毛坯的热行为和各自的冷却速度, 并且受接触压力和钢板温度以及表面情况(垢层厚度,粗糙度,涂层厚度等的影响。基体 金属 22MnB5的机械性能强烈地依赖于温度,这是热辅助成形有限元建立模型时要被考虑的 最重要的参数之一。
Hoff (2007开发了一种淬火钢用于传热系数的测量。加热的毛坯在两个定义了接触压 力的用水冷却的平板之间淬火。 在测试中记录下了毛坯和两个接触平板的温度。 在测量参数 的基础上,在接触的情况下应用一种根据牛顿冷却定律得到的分析方法来计算传热系数。
T(t=( +(5 A :接触面积, :热容量, :传热系数, V :体积, t :时间, :环境温度, :密度
作为增加的接触压力的函数的传热系数 h 的取值显示了外加负载在工件和模具之间的 热交换上重大的影响(图 10 。增加的接触压力会导致热传递的增加。这种影响与使两个接 触件之间变光滑而让有效接触面积增加有关,尤其是在有铝硅涂层的板料的情况下。因此, 越来越多的实际的金属与金属之间的接触区域发生强制的直接热传导效应, 通过这样两个接 触体之间有了更多的热量传递。
图 10. 热板料成形中的传热系数 6.2. 流动行为
Merklein 和 Lechler (2006使用导热拉伸试验描绘了 22MnB5钢的流动特性,以测定
这种材料在压力条件下的热电机械性能(图 11 。这项研究显示了不仅应变而且应变速率温 度和升温速率对 22MnB5钢在奥氏体状态下升高温度时的流动性的重大影响。
图 11. (a 试验装置, (b流动性曲线 (Merklein and Lechler, 2006
除了温度和应变速率在导热拉伸试验中对热电机械性能有重要的影响外, 对塑性各向异 性温度的依赖也被检测出来。在大约 800—— 850℃时,板料金属展现出各向同性的塑性行 为。由于奥氏体化,各向异性的影响可以忽略。
6.3. 材料模型
对于热电机械成形过程, 人们提出了一大堆的半经验的和基于物理的流动应力模型。 表 3中的现存模型吻合 Hochholdinger 等人 (2009和 Durrenberger 等人 (2009的实验数据, 这些模型显示了近期的论文中 22MnB5的较好的流动特性的模型。流动应力的检测的实验数 据是在高速变形膨胀仪上实施的顶锻实验中获取的。 表 3的一些材料模型的参数估计没有在 参考文献中公布。但是像 Johnson – Cook 和 Norton – Hoff 等模型中的其他材料数据可以在 Akerstrom (2006和 Lechler (2009的文献中查找到的。
表 3
22MnB5钢的材料模型 Akerstrom(2006 Nemat-Nasser(1999
f (6 f=1+[1- ]
有效应力, k :波尔兹曼常数, p 、 q :能量势垒形状, :参考 应变, :活化作用的数量级, T :温度
Johnson 和 Cook (1983
(A+B [1+C][1-]要求:T> (7 A, B, C, n, m :模型系数, :参考应变速率, T :温度, 参考温度,
Hochholdinger 等(2009
Norton (1929和 Hoff (1954 exp( (8 K, , , , , , :模型系数, T :温度, 参考温度 Tong等 (2005
A[][1-] (9
先进高强钢――热冲压综述.
