一种汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法
【专利摘要】本发明涉及一种汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其将有限元仿真后的数值模型上单元的应变—温度状态坐标点到对应温度下成形极限曲线的最短距离表示成形裕度，由成形裕度反映热冲压件距离破裂极限的程度。计算有限元仿真后的数值模型上的所有单元的成形裕度，在成形极限图中根据成形裕度梯度以不同的颜色表示应变—温度状态点的分布；将成形裕度以一定的格式存入文本文档，通过冲压成形有限元仿真软件后处理模块读取包含成形裕度信息的文本文档，在热冲压件数模上通过成形裕度云图的方式直观地反映热冲压零件的冲压性能。本发明能够更加准确地判断热冲压件的冲压性能。
【专利说明】
一种汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属板热冲压加工领域，尤其是涉及一种汽车零部件热冲压破裂性能 的评价方法。
【背景技术】
[0002] 随着对汽车碰撞安全和轻量化要求的增加，高强钢板作为结构件被广泛应用于汽 车制作。高强度钢板在室温下的成形较差，易产生较大的回弹，需要的成形力大。热冲压高 强度钢板的成形性较好，高强度钢板热冲压工艺能制造几何形状复杂，尺寸精度高的零件， 且热成形件在淬火工序后屈服强度能达到lOOOMPa，抗拉强度能达到1500MPa。因此热冲压 件能在满足汽车碰撞安全要求的前提下减轻重量。
[0003] 热冲压是将板料加热至一定温度，转移至特定的模具中冲压成形。对于高强度钢 板热冲压工艺，需将热冲压钢板在加热炉中加热至奥氏体化温度，保温一段时间，使板料完 全奥氏体化，转移至压力机的热冲压模具上合模，随即在模具中冷却淬火生成具有马氏体 组织强度很大的零件。
[0004] 热冲压过程中涉及温度因素，不同温度下材料的塑性变形规律有很大差别，通常 情况下，温度越高，材料的冲压性能越好，成形极限曲线相对高。因此，热冲压成形极限图有 别常温成形极限图，它引入了温度轴，反应了材料在不同温度下的成形性能，如专利号为 201410076641.5,发明名称为"一种高强钢板热成形极限图的建立方法"的专利，该专利定 义了一种判定热成形件是否破裂的三维成形极限面，由一曲面作为判定是否破裂的标准。 这种方法可以预测成形件是否有破裂的情况，并不能评价破裂的程度，或者未破裂区域的 安全程度。
[0005] 因此，需要一种更加准确的评价方法去评价热成形件的冲压性能，为热冲压数值 模拟和实际热冲压生产提供指导依据。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对目前存在的问题，提供一种汽车零部件热冲压破裂性能的评 价方法，其能够更加准确地判断热冲压件的冲压性能。
[0007] 本发明的目的通过如下技术方案实现：
[0008] 本发明提供一种汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其包括：
[0009] 步骤S101，将热成形极限试验得到的多个温度状态下各应变路径的离散的成形极 限点，进行多项式拟合，得到成形极限曲面；
[00? 0]步骤S102，计算上述成形极限曲面的相对拟合精度RE;
[0011] 步骤S103，获得拟合精度RE达到拟合精度阈值的成形极限曲面；
[0012] 步骤S106,对应某单元的温度yi，找到该温度下的成形极限曲线(Forming Limit Curve，FLC)，在该FLC上找到一个点P:P = P(x，z)，使该点P与FLC外该温度yi对应的应变温 度状态点Pi(xi，zi)之间的距离最短;其中所述某单元的温度yi为热冲压成形件数值模型 中的某个单元的温度状态；
[0013] 步骤S107,计算FLC上点P = P(x，z)到FLC外的应变温度状态点Pi(xi，zi)之间的距 离d;
[0014] 步骤S108,根据计算得到的距离d以及应变温度状态点P(xi，zi)与曲线FLC的位置 关系，确定热冲压成形件数值模型上单元P(xi，zi)的成形裕度;根据热冲压成形件数值模 型上单元的成形裕度初步确定汽车零部件热冲压破裂性能。
[0015] 更进一步地，所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法还包括：
[0016] 步骤S109,将计算得到的单元的成形裕度与该单元对应的编号以一定的格式存入 文本文件中；
[0017] 步骤S110,判断热冲压成形件数值模型上所有单元的成形裕度是否处理完毕，若 没有，则继续返回步骤S106继续上述过程，直至所有的单元处理完毕；若已经处理完毕，则 执行后续步骤S111;
[0018] 步骤S111，读取上述文本文件，在热冲压数值模型上表示成形裕度的梯度，并结合 成形极限图中同样颜色梯度的应变温度坐标点的分布，进一步确定零部件热冲压破裂性能 的优劣。
[0019] 更进一步地，所述评价方法还包括：
[0020] 步骤S105,载入热冲压成形件数值模型中的所有N个单元的主应变zi，次应变xi和 温度状态yi。
[0021 ]更进一步地，所述热冲压成形件数值模型中的所有N个单元的主应变zi，次应变xi 和温度状态yi是通过对热冲压成形件进行热冲压有限元模拟得到的。
[0022] 更进一步地，所述步骤S101中的成形极限曲面，用z(x，y)表示，通过如下公式计算 得到：
[0023] z (X, y) = p〇〇+pi〇x+p〇iy+p2〇x2+pnxy+p〇2y2+p3〇x3+p2ix 2y+
[0024] pi2xy2+p〇3y3+p4〇x4+p3ix 3y+p22x2y2+pi3xy3+p5〇x5+
[0025] p4ix4y+P32X3y2+P23X 2y3 (1)
[0026] 其中 poo，pio，p〇l，P20，pil，P〇2，P30，P21，pi2，P〇3，P40，P31，P22，pi3，P50，P41，P32，P23为多项 式的系数;x参数表示次应变;y表示温度;z表示主应变。
[0027] 更进一步地，所述成形极限曲面的相对拟合精度RE利用如下式计算得到：
(2)
[0029] 式中，Zl是第i个样本点处的试验测得的主应变值，毛是第i个样本点处的拟合面近 似值。
[0030] 更进一步地，所述步骤S108中的热冲压成形件数值模型上单元的成形裕度利用如 下公式表示： Γ ? u f if 当名(D·,.，/) 一 zi 之 Ofl寸] 0031 - {-rf 当zU/，ji) - < 0时J
[0032] 其中，z(xi，yi)-ziX)表示应变温度状态点在FLC的上方，z(xi，yi)-zi<0表示应 变温度状态点在FLC的下方。
[0033]更进一步地，所述步骤S108中根据热冲压成形件数值模型上单元的成形裕度初步 确定汽车零部件热冲压破裂性能的过程具体包括：
[0034] 在热冲压成形件中，热冲压成形板平面内的两主应变的任意组合，位于成形极限 图中的FLC之上，则确定热冲压成形板材变形时就会产生破裂;位于FLC上，则表明热冲压成 形板材变形时发生颈缩;位于FLC之下，但靠近FLC，则表明热冲压成形板材变形时较危险； 位于FLC之下有一定距离，则表明热冲压成形板材变形时安全。
[0035] 由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：
[0036] 1、本发明通过将有限元仿真后的数值模型上单元的应变一温度状态坐标点到对 应温度下成形极限曲线的最短距离表示成形裕度，由成形裕度反映热冲压件距离破裂极限 的程度，计算有限元仿真后的数值模型上的所有单元的成形裕度，通过该成形裕度能够准 确地判断热冲压件的冲压性能。
[0037] 2、本发明进一步在成形极限图中根据成形裕度梯度以不同的颜色表示应变一温 度状态点的分布;将成形裕度以一定的格式存入文本文档，通过冲压成形有限元仿真软件 后处理模块读取包含成形裕度信息的文本文档，在热冲压件数模上通过成形裕度云图的方 式直观地反映热冲压零件的冲压性能，其中的成形裕度云图的颜色梯度和成形极限图中的 应变一温度状态坐标点的颜色梯度相对应。因此本发明能够更加准确地判断热冲压件的冲 压性能。
【附图说明】
[0038]图1为本发明的实施流程图；
[0039] 图2为本发明中成形极限面的拟合效果示意图；
[0040] 图3为本发明中以P1和P2单个单元为例计算得到的成形裕度示意图；
[0041]图4a成形参数调整前保险杠的成形极限图与成形裕度云图；
[0042]图4b成形参数调整前保险杠的成形裕度云图；
[0043]图5a成形参数调整后数值模拟成形极限图；
[0044]图5b成形参数调整后数值模拟成形裕度云图。
【具体实施方式】
[0045] 为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发 明做进一步详细说明。
[0046] 本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而 建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范 围的限定。
[0047] 以下将结合附图对本发明做详细说明。
[0048]本发明提供一种汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其通过成形裕度云图和 与之有同样颜色梯度对应的成形极限图来评价热冲压性能的优劣。其实施流程如图1所示， 包括如下步骤：
[0049] 步骤S101，将热成形极限试验得到的多个温度状态下各应变路径的离散的成形极 限点，进行多项式拟合，得到如图2所示的成形极限曲面，用z(x，y)表示。
[0050] 上述多个温度状态可以是300°C、400°C、500°C、600°C、700°C、800°C、900°C 等。
[0051] 上述z(x，y)详见式1:
[0052] z (X, y) = p〇〇+pi〇x+p〇iy+p2〇x2+pnxy+p〇2y2+p3〇x3+p2ix 2y+
[0053] pi2xy2+p〇3y3+p4〇x4+p3ix 3y+p22x2y2+pi3xy3+p5〇x5+
[0054] p4ix4y+P32X3y2+P23X 2y3 (1)
[0055] 其中 poo，pio，poi，P20，pil，P〇2，P30，P21，pi2，P〇3，P40，P31，P22，pi3，P50，P41，P32，P23为多项 式的系数;x参数表示次应变;y表示温度;z表示主应变。
[0056] 步骤S102,计算上述成形极限曲面的相对拟合精度RE。
[0057]具体利用如下式(2)来计算RE:
(2)
[0059] 式(2)中，Zl是第i个样本点处的试验测得的主应变值，馬是第i个样本点处的拟合 面近似值。
[0060] 步骤S103,判断上述成形极限曲面的拟合精度RE是否达到设定拟合精度阈值RE0， 若达不到，则执行步骤S104,确定需重新拟合成形极限曲面，返回步骤S101，对多个温度下 各应变路径的离散的成形极限点进行拟合;若达到拟合精度阈值RE0,则转入步骤S106。
[0061] 步骤S105,载入热冲压成形件数值模型中的所有N个单元的主应变zi，次应变xi和 温度状态yi。
[0062] 对热冲压成形件进行热冲压有限元模拟，得到热冲压成形件数值模型上某单元对 应的主应变ει，次应变和温度值T。为了方便表示，主应变 ￡1用4表示，次应变^用^表示， 温度Τ用yi表示。
[0063] 步骤S106,对应某单元的温度yi，在成形极限曲面上找到对应的FLC，在该FLC上找 一点P，使该点P与FLC外该温度y i对应的应变温度状态点Pi (xi，zi)之间的距离最短。
[0064]下面以应变温度状态点Pi(xi，yi，zi)为例，对该步骤S106的实施过程进行详细说 明，具体如下：
[0065] 首先，由温度yl得到该温度下的FLC:Z = Z(X，yi)，并根据已知温度300°C、400°C、 500°C、600°C、700°C、800°C、900°C下的FLC次应变的范围，求得该FLC取值上下限。由拉格朗 日插值法求得温度y 1下FLC的取值范围[Xdyl，Xuyl ]，其中Xdyl表示y 1温度下FLC的下限，XUyl表 示yl温度下FLC的上限。
[0066] 其次，在χ-ζ平面坐标系下，设FLC上一点为P = P(x，z)，FLC外一点Pl=P(xl，zl)， 若使该点P = P(x，z)与FLC外一点Pl=P(xl，zl)之间的距离最短，需满足如下条件：点P = P (x，z)与点Pl=P(xl，zl)的连线垂直于曲线FLC在点P = P(x，z)的切线，即满足如下公式：
[0067] kP · kPPi = -l (3)
[0068] 其中，kppl表示直线ppl的斜率;kP表示FLC在点P = P(x，z)的切线的斜率。
[0069] 由公式(3)，可以推导出如下公式(4)，如下：
[0070] dz(:yi) (Ζι - ζ) = Χ-Χχ (4)
[007?]其中xl，zl分别为点Pl=P(xl，zl)上的坐标;χ，ζ分别为点Ρ = Ρ(χ，ζ)的坐标。
[0072] 又因为温度状态yl下的FLC对应的函数为：
[0073] z(x,yi) = z (5)
[0074] 将公式(4)与公式(5)联立，可以解出FLC上离Pl(xl，zl)最近的点P = P(x，z)。
[0075] 上述仅仅是以温度yl以及FLC外一点Pl=P(xl，zl)为例来说明步骤S106的详细实 施过程，但本发明的保护并不局限于此，本发明中还可以其它应变温度状态点以及曲线外 与该温度对应的任一点。
[0076] 步骤S107，计算FLC上点P = P(X，z)到FLC外的应变温度状态点Pi (xi，zi)之间的距 离d。计算公式如下：
(6)
[0078] 其中，x、z分别表示FLC上点P = P(x，z)的次应变和主应变;xi、zi分别表示yi温度 下的FLC外的应变温度状态点Pi (xi，zi)。
[0079] 步骤S108,根据计算得到的距离d以及应变温度状态点？("，5^，4)与？1^(：的位置 关系，确定热冲压成形件数值模型上单元P(xi，yi，zi)的成形裕度。根据该热冲压成形件数 值模型上单元P(xi，yi，zi)的成形裕度可以初步确定汽车零部件热冲压破裂性能。
[0080] 因为成形裕度能够直接反映材料在变形一定程度之后还具备的变形能力，为此本 发明中利用该成形裕度来反映热冲压成形件的变形能力。本申请中将热冲压成形件的成形 裕度定义如下： 「 n g f 当yi) _ zi 之 0时] -
[0081 ] Μ = ? 卜 (7)
[~?/ 当-幻· < 0时j '，
[0082] 其中，z(xi，yi)-ziX)表示应变温度状态点在FLC的上方，z(xi，yi)-zi<0表示应 变温度状态点在FLC的下方。
[0083]在热冲压成形件中，热冲压成形板平面内的两主应变的任意组合，只要位于成形 极限图中的FLC之上，则表明热冲压成形板材变形时就会产生破裂;位于FLC上，则表明热冲 压成形板材变形时发生颈缩;位于FLC之下，但靠近FLC，则表明热冲压成形板材变形时较危 险;位于FLC之下有一定距离则表明热冲压成形板材变形时安全。
[0084]步骤S109,将计算得到的单元的成形裕度与该单元对应的编号以一定的格式存入 文本文件中。
[0085]步骤S110,判断热冲压成形件数值模型上所有单元的成形裕度是否处理完毕，即 判断i = =N，若没有，则继续返回步骤S106继续上述过程，直至所有的单元处理完毕；已经 处理完毕，则执行后续步骤S111。
[0086] 为了更为直观地将成形裕度呈现给用户，本发明还可以进一步地包括如下步骤： [0087] 步骤S111，通过PAM-STAMP 2G软件所带的后处理模块读取上述文本文件，在热冲 压数值模型上表示成形裕度的梯度，并结合成形极限图中同样颜色梯度的应变温度坐标点 的分布，进一步反映冲压性能的优劣。
[0088]通过上述本发明的实施例可以看出，本发明通过成形裕度云图和与之有颜色梯度 对应的成形极限图预测和评价热冲压性能的优劣。将有限元仿真后的数值模型上单元的应 变一温度状态坐标点到对应温度下成形极限曲线的最短距离表示成形裕度，由成形裕度反 映热冲压件距离破裂极限的程度。由编写的程序计算有限元仿真后的数值模型上的所有单 元的成形裕度，一方面，在成形极限图中根据成形裕度梯度以不同的颜色表示应变一温度 状态点的分布。另一方面，将成形裕度以一定的格式存入文本文档，通过冲压成形有限元仿 真软件(PAM-STAMP 2G)后处理模块读取包含成形裕度信息的文本文档，在热冲压件数模上 通过成形裕度云图的方式直观的反映热冲压零件的冲压性能，成形裕度云图的颜色梯度和 成形极限图中的应变一温度状态坐标点的颜色梯度相对应。
[0089] 下面举例说明上述本发明实施流程的实现方法：
[0090] 为了更清楚使本领域技术人员理解本发明，下面通过数值模拟得到的分别位于成 形极限曲线之上的应变温度状态点P1和位于曲线之下的应变温度状态点P2为例对本发明 做详细说明：
[0091] 1.对应图3中的应变温度状态点P1。
[0092]由图3可以看出，应变温度状态点P1位于成形极限曲线之上，主应变￡1 = 0.24,次 应变ε2 = 0.0023和温度值T = 848.3°C。先由拉格朗日插值法得到此温度下的FLC的取值范 围[_0.1393,0.2159]，联立式(4)和(5)可计算得到?1^(：上离? 1&1，21)最近的点？(1，7)，由式 (7)计算成形裕度M=0.132。此数值为正数，说明数值模拟中，零部件在此单元处未破裂。 [0093] 2.对应图3中的应变温度状态点P2。
[0094]由图3可以看出，应变温度状态点P2位于成形极限曲线之下。应变温度状态点P2的 主应变ε i = 0.651，次应变ε2 = -0.0075和温度值T = 812.4°C。先由拉格朗日插值法得到此温 度下的FLC的取值范围[_0.1501，0.2698]，联立式(3)和式(4)可计算得到?1^(：上离? 2&2,22) 最近的点P(x，y)，由式(5)计算成形裕度M=-0.0075。此数值为负数，说明数值模拟中，零部 件在此单元处已经破裂。
[0095]以下为上述方法一个应用：
[0096]步骤1、使用PAM-STAMP 2G软件模型对保险杠进行热冲压模拟，为提高有限元计算 效率，取了模型的一半进行模拟。冲压参数调整之前，冲压基本参数为:板料初始温度830 °C，冲压速度350mm/s，板料的宽度220mm。保险杠的成形极限图如图4a所示，保险杠的成形 裕度云图如图4b所示。
[0097]步骤2、图4a中，有应变温度坐标点在成形极限曲面上，可通过增加热冲压板料的 初始温度，提高板料本身的成形性，对应的成形极限曲线升高，使得本来位于成形极限曲面 上的点，位于成形极限曲面以下。结合图4b，最小成形裕度值为-0.176,保险杠的顶部U形槽 处，存在单元的成形裕度为负值，在成形裕度云图中显示为黑色，既U形槽处出现了破裂的 情况。而且在黑色区域周围的深灰色区域，虽然裕度为正，但裕度值很小，已发生颈缩。其他 颜色区域成形裕度为正，成形裕度值较大，为安全区域，可适当的减小板料的宽度，减小合 模过程对材料流动的约束，使得材料更容易流向保险杠零件的顶部U形槽处。
[0098] 步骤3、通过步骤2的分析调整冲压参数为板料初始温度850°C，冲压速度350mm/s， 板料宽度200mm，进行仿真。从图5a中，所有的应变温度坐标点全在成形极限面下，结合图 5b，保险杠的顶部，成形裕度全为正值，即U形槽处没有破裂的情况。保险杠顶部U形槽成形 裕度无负值，成形裕度最小值为〇. 003，破裂的现象消除。
[0099]步骤4、为了验证试验结果的准确性，进行了保险杠热冲压实验。成形参数调整前， 热冲压保险杠零件的顶部U型槽处出现破裂。与数值模拟结果比较吻合。通过冲压参数的调 整，保险杠顶部U型处破裂消除。
[0100]虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发 明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明 的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
【主权项】
1. 一种汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于，所述评价方法包括： 步骤SlOl，将热成形极限试验得到的多个温度状态下各应变路径的离散的成形极限 点，进行多项式拟合，得到成形极限曲面； 步骤S102,计算上述成形极限曲面的相对拟合精度RE; 步骤S103,获得拟合精度RE达到拟合精度阈值的成形极限曲面； 步骤S106,对应某单元的温度yi，找到该温度下的成形极限曲线FLC，在该FLC上找到一 个点P:P = PU，z)，使该点P与FLC外该温度yi对应的应变温度状态点Pi (xi，zi)之间的距离 最短;其中所述某单元的温度yi为热冲压成形件数值模型中的某个单元的温度状态； 步骤S107,计算FLC上点P = P(x，z)到FLC外的应变温度状态点Pi(xi，zi)之间的距离d; 步骤S108,根据计算得到的距离d以及应变温度状态点P(xi，zi)与曲线FLC的位置关 系，确定热冲压成形件数值模型上单元P(xi，zi)的成形裕度;根据热冲压成形件数值模型 上单元的成形裕度初步确定汽车零部件热冲压破裂性能。2. 根据权利要求1所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于，所述评 价方法还包括： 步骤S109,将计算得到的单元的成形裕度与该单元对应的编号以一定的格式存入文本 文件中； 步骤S110,判断热冲压成形件数值模型上所有单元的成形裕度是否处理完毕，若没有， 则继续返回步骤S106继续上述过程，直至所有的单元处理完毕;若已经处理完毕，则执行后 续步骤Slll; 步骤Slll，读取上述文本文件，在热冲压数值模型上表示成形裕度的梯度，并结合成形 极限图中同样颜色梯度的应变温度坐标点的分布，进一步确定零部件热冲压破裂性能的优 劣。3. 根据权利要求1或2所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于，所 述评价方法还包括： 步骤S105,载入热冲压成形件数值模型中的所有N个单元的主应变zi，次应变xi和温度 状态yi。4. 根据权利要求3所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于， 所述热冲压成形件数值模型中的所有N个单元的主应变zi、次应变xi和温度状态yi是 通过对热冲压成形件进行热冲压有限元模拟得到的。5. 根据权利要求4所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于，所述步 骤SlOl中的成形极限曲面，用z(x，y)表示，通过如下公式计算得到：多项式的 系数;X参数表示次应变;y表示温度;z表示主应变。6. 根据权利要求5所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于，所述成 形极限曲面的相对拟合精度RE利用如下式计算得到： (2) 式中，Z1是第i个样本点处的试验测得的主应变值，爲是第i个样本点处的拟合面近似 值。7. 根据权利要求6所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于，所述步 骤S108中的热冲压成形件数值模型上单元的成形裕度利用如下公式表示：(7) 其中，z(xi，yi)-ziX)表示应变温度状态点在FLC的上方，z(xi，yi)-zi〈0表示应变温 度状态点在FLC的下方。8. 根据权利要求7所述的汽车零部件热冲压破裂性能的评价方法，其特征在于，所述步 骤S108中根据热冲压成形件数值模型上单元的成形裕度初步确定汽车零部件热冲压破裂 性能的过程具体包括： 在热冲压成形件中，热冲压成形板平面内的两主应变的任意组合，位于成形极限图中 的FLC之上，则确定热冲压成形板材变形时就会产生破裂;位于FLC上，则表明热冲压成形板 材变形时发生颈缩;位于FLC之下，但靠近FLC，则表明热冲压成形板材变形时较危险;位于 FLC之下有一定距离，则表明热冲压成形板材变形时安全。
【文档编号】G06F17/50GK106018129SQ201610319451
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】崔俊佳, 孙光永, 李光耀, 胡明
【申请人】湖南大学