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隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸加強(qiáng)和對(duì)汽車安全性能要求的日益提高，世界各國對(duì)汽車安全和環(huán)保法規(guī)的控制越來越嚴(yán)格。各大汽車公司紛紛通過汽車輕量化來減少燃油消耗、降低發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放（在降低油耗、減少排放的諸多措施中，減輕車重的效果最為明顯，車重減輕10%，可節(jié)省燃油3%～8%）。為保證輕量化后仍能滿足碰撞安全要求，各大汽車公司在優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)的同時(shí)，把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了新材料、新工藝的應(yīng)用。在這種背景下，超高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。超強(qiáng)度鋼板熱沖壓是一種將先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速?zèng)_壓成形，在保壓階段通過模具實(shí)現(xiàn)淬火并達(dá)到所需的冷卻速度，從而得到組織為均勻馬氏體，強(qiáng)度在1500MPa左右的超高強(qiáng)度零件的新型成形技術(shù)。通過對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，提高了汽車的碰撞性能，實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化。
超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓作為一種新興的技術(shù)，該領(lǐng)域公開發(fā)表的成果較少，存在技術(shù)封鎖和壟斷。國內(nèi)外對(duì)超高強(qiáng)度板料熱沖壓核心技術(shù)的研究大都還處在探索與嘗試階段，尤其是CAE分析部分。本文綜述了超高強(qiáng)度鋼板料熱沖壓CAE分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出了存在的問題和發(fā)展方向。
1 熱沖壓成形CAE分析的研究現(xiàn)狀
CAE分析作為超高強(qiáng)鋼板熱沖壓領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，可以分為成形過程分析（預(yù)測零件的熱沖壓可制造性）、保壓淬火過程分析（預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能）和回彈分析（預(yù)測零件的成形精度）3個(gè)方面，下面分別加以論述。
1.1 成形過程的CAE分析
熱沖壓成形過程是指高溫奧氏體狀態(tài)下的板料在熱沖壓模具內(nèi)所進(jìn)行的短時(shí)間內(nèi)快速成形的過程。由于板料在高溫奧氏體狀態(tài)下，因此，進(jìn)行高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程的CAE分析，首先要獲得高強(qiáng)鋼板在高溫下的力學(xué)性能。
在國外，意大利Padova大學(xué)以Nakazima試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行了相位轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)與高溫成形試驗(yàn)，獲得了高強(qiáng)鋼板的熱成形下的成形極限圖(Forming Limit Diagram，F(xiàn)LD)，為熱沖壓的有限元仿真提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)科將坯料加熱到950℃左右使其奧氏體化，并保溫一段時(shí)間使奧氏體均勻化，從加熱爐中取出坯料，在等溫和非等溫成形條件下進(jìn)行V形彎曲和槽形件成形試驗(yàn)，從而獲得22MnB5的高溫力學(xué)性能。同濟(jì)大學(xué)選用安賽樂生產(chǎn)的USIBOR1500高強(qiáng)度鋼板，對(duì)其進(jìn)行了高溫力學(xué)性能試驗(yàn)的相關(guān)研究。
其次，熱沖壓成形階段CAE分析還需要根據(jù)材料的彈性模量、泊松比、高溫狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼板摩擦特性等來分析預(yù)測熱沖壓的可制造性。
在國外，瑞典律勒歐理工大學(xué)在2002年就用Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了對(duì)熱沖壓鋼板22MnB5的高溫壓縮試驗(yàn)和熱膨脹的測量，獲得了材料的力學(xué)性能和熱性能數(shù)據(jù)，建立材料模型模擬分析了熱沖壓過程中的成形力、板料厚度分布和硬度分布等。結(jié)果表明：在成形淬火過程中，板料因其內(nèi)部組織的不同，力學(xué)性能變化很大；應(yīng)變速率對(duì)不同溫度下的流動(dòng)應(yīng)力影響不同。德國亞琛工業(yè)大學(xué)通過有限元模擬并試驗(yàn)驗(yàn)證了22MnB5鋼熱沖壓成形過程的參數(shù)變化。紐倫堡大學(xué)在德國研究基金(DFG)項(xiàng)目的支持下對(duì)淬火鋼板的熱沖壓成形過程進(jìn)行了相關(guān)研究，并在2005年進(jìn)行了熱沖壓成形的基礎(chǔ)研究。
在國內(nèi)，近些年來上海寶鋼集團(tuán)通過大量試驗(yàn)，在鋼板熱沖壓零件可制造性方面取得了一系列的突破，并能滿足部分工業(yè)要求。比如國內(nèi)某些車型的B柱加強(qiáng)板的熱沖壓可制造性分析（圖1），并做了零件試沖和結(jié)果對(duì)比?？梢哉f寶鋼的熱沖壓可制造性分析能較準(zhǔn)確的預(yù)測零件的熱沖壓成形缺陷，這對(duì)優(yōu)化、改進(jìn)零件性質(zhì)及熱沖壓模具都有重要作用。中國工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所與重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院利用SuperForm軟件，對(duì)帶直邊大型厚壁半球形封頭的熱沖壓成形過程進(jìn)行了有限元模擬，得到了部分熱沖壓變形中坯料與模具摩擦等因素對(duì)成形影響的資料數(shù)據(jù)，給板料熱沖壓技術(shù)的發(fā)展提供了參考數(shù)據(jù)。吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用三維彈塑性有限元模型和MSC.Marc軟件對(duì)橋殼的熱沖壓成形過程進(jìn)行了模擬分析，通過在不同的溫度、沖壓速度、摩擦條件下的成形過程分析，發(fā)現(xiàn)在橋殼熱沖壓成形過程中，應(yīng)力和溫度值雖然會(huì)隨沖壓溫度等工藝參數(shù)的變化而變化，但它們的分布規(guī)律不變。在此基礎(chǔ)上確定了最佳的熱沖壓工藝參數(shù)，其中沖壓成形溫度應(yīng)高于700℃，沖壓速度應(yīng)小于20mm·s-1。同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院以安賽樂生產(chǎn)的USIBOR1500高強(qiáng)度鋼板為材料，采用熱模擬機(jī)和專門模具，主要研究了熱沖壓成形過程中板料加熱溫度、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)模式和沖壓速度等對(duì)沖壓成形的影響。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院以會(huì)議Numisheet 2008提供的B柱熱沖壓考題為基礎(chǔ)，建立了B柱熱沖壓模型，耦合數(shù)值分析得到了成形過程中的厚度分布。結(jié)果表明；截面厚度分布基本在試驗(yàn)結(jié)果的±5%范圍內(nèi)，在尾部圓角處厚度減薄量較大；熱沖壓的力能參數(shù)約為冷沖壓的十分之一左右。
圖1 B柱高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形的仿真分析
1.2 淬火過程的CAE分析
超高強(qiáng)鋼板熱沖壓保壓淬火過程是指板料在快速成形后，在模具內(nèi)保持壓力的狀態(tài)下從奧氏體狀態(tài)以一定的冷卻速度進(jìn)行淬火并得到均勻馬氏體組織零件的過程。該過程CAE分析主要是根據(jù)模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的熱力耦合分析來進(jìn)行預(yù)測成形零件的組織和力學(xué)性能，圖2為模擬得到的成形表面的硬度分布。該技術(shù)是目前全球范圍內(nèi)亟待攻克的技術(shù)難題，至今沒有很好的解決方案。保壓淬火涉及零件內(nèi)部組織從奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，以及由此帶來的零件力學(xué)性能變化。要提高保壓淬火的CAE分析精度，首先要準(zhǔn)確預(yù)測在設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)拍下，冷卻水以設(shè)定溫度、壓強(qiáng)和流量流入模具冷卻回路時(shí)對(duì)高溫鋼板能夠產(chǎn)生的冷卻速度，并考慮模具冷卻系統(tǒng)分布方式和尺寸等對(duì)整個(gè)零件淬火過程的影響，然后才是復(fù)雜的熱力耦合分析，進(jìn)而預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能。
圖2 模擬得到的成形后零件表面的硬度分布
德國亞琛工業(yè)大學(xué)通過有限元模擬并試驗(yàn)驗(yàn)證了22MnB5鋼熱沖壓保壓淬火過程的溫度與沖壓力變化。德國戴姆勒-克萊斯勒公司對(duì)熱沖壓淬火過程模擬中可能出現(xiàn)的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，特別闡述了熱沖壓模擬中的接觸傳熱和板料溫度分布的不均勻性。意大利帕多瓦大學(xué)在2006年用熱膨脹計(jì)獲得了22MnB5的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變特征參數(shù)，得到馬氏體相變的初始溫度為382℃，并采用Gleeble 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)22MnB5材料進(jìn)行了連續(xù)冷卻單向拉伸試驗(yàn)，分析了不同初始溫度和不同應(yīng)變速率條件下的流動(dòng)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)溫度是影響流動(dòng)應(yīng)力的主要因素，應(yīng)變速率的影響較小。并且參照Nakazima試驗(yàn)裝置開發(fā)了一種新型的高溫成形性能試驗(yàn)裝置。伊朗Arak大學(xué)研究了熱變形條件對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響。通過熱膨脹試驗(yàn)和熱單向壓縮試驗(yàn)，分析了變形初溫、應(yīng)變量和應(yīng)變速率對(duì)馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度及馬氏體含量的影響。
同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院與上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，運(yùn)用傳熱學(xué)基本理論對(duì)熱沖壓淬火過程中傳熱進(jìn)行分析，根據(jù)其傳熱特點(diǎn)建立解析模型并通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論，熱沖壓過程中鋼板溫度呈指數(shù)變化。同濟(jì)大學(xué)機(jī)械材料學(xué)院以安賽樂生產(chǎn)的USIBOR1500高強(qiáng)度鋼板為材料，采用熱模擬機(jī)和專門模具，研究了保壓淬火過程中板料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化、保壓時(shí)間、冷卻臨界速度（淬火速度）、沖壓模具溫度變化等對(duì)淬火效果的影響。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院以Numisheet 2008提供的B柱熱沖壓考題為基礎(chǔ)，建立B柱熱沖壓模型，通過熱力耦合數(shù)值模擬分析了保壓淬火過程，得到了熱沖壓過程中板料的溫度及厚度分布規(guī)律。結(jié)果表明：板料壓邊區(qū)域溫度下降較快，但直到成形結(jié)束其溫度高于600℃，不會(huì)導(dǎo)致該處材料成形困難；零件尾部圓角處溫度過高，局部溫度過高會(huì)使板料產(chǎn)生局部流動(dòng)，導(dǎo)致減薄過大；成形結(jié)束后，板料壓邊區(qū)域溫度較低，而尾部圓角及梁表面溫度較高，板料整體溫差在400℃左右。因此，使板料在保壓淬火過程中溫度的均勻變化是模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
1.3 回彈過程的CAE分析
板料熱沖壓回彈發(fā)生在保壓淬火完成并撤去壓力之后，彈性變形回復(fù)從而導(dǎo)致零件的形狀和尺寸發(fā)生變化而與模具不一致，這種現(xiàn)象叫做回彈。由于是在高溫淬火條件下成形，所以與冷沖壓回彈相比要小得多。此過程CAE分析的目的是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來預(yù)測零件的成形精度。但到目前為止，回彈分析還是整個(gè)沖壓界都沒有妥善解決的世界性難題。每屆的國際NUMISHEET會(huì)議（板料沖壓仿真會(huì)議），都有關(guān)于回彈的標(biāo)準(zhǔn)考題和回彈CAE分析的階段性、局部性研究成果發(fā)布。由于之前的熱沖壓成形過程分析和保壓淬火過程分析的復(fù)雜性，導(dǎo)致最后階段精確的回彈分析變得非常困難。目前，業(yè)內(nèi)基本上是通過制作樣模進(jìn)行試沖，來檢驗(yàn)零件的力學(xué)性能和尺寸精度，但延長了模具設(shè)計(jì)周期，增加了鋼板熱沖壓零件的制造成本。
國外在高強(qiáng)鋼板熱沖壓回彈方面研究較多的是日本東京大學(xué)的學(xué)者們，他們對(duì)高強(qiáng)鋼板的熱沖壓回彈和成形溫度進(jìn)行了理論研究，并通過試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了在塑形變形區(qū)或彎曲變形區(qū)溫度高于750K時(shí)，成形零件的回彈有明顯的減少。意大利那不勒斯東方大學(xué)采用AutoForm軟件對(duì)DP600和TRIP800兩種材料的沖壓回彈進(jìn)行了模擬。
國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院與材料科學(xué)與工程學(xué)院采用ABAQUS軟件對(duì)高溫下22MnB5高強(qiáng)鋼板溝槽形件沖壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。建立了基于熱力耦合彈塑性有限元模型和熱成形下的材料模型，通過對(duì)溝槽形件熱成形的數(shù)值模擬，考察了壓邊力、模具間隙和凹模圓角半徑等工藝參數(shù)對(duì)熱成形時(shí)溫度分布和回彈的影響，分析熱成形中回彈的產(chǎn)生機(jī)理，確定了合適的工藝參數(shù)，通過熱成形試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果的可靠性，圖3為模擬得到的壓邊力對(duì)回彈的影響。并研究了影響22MnB5超高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形中回彈的因素。通過等溫度和非等溫試驗(yàn)考察了變形溫度、熱成形終了溫度和壓邊力對(duì)熱成形后回彈的影響。得出結(jié)論：熱效應(yīng)是引起回彈的主要因素，蠕變應(yīng)變減少了熱成形后的回彈量，蠕變應(yīng)變和熱效應(yīng)是影響熱成形中回彈的主要因素。另外，華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以回彈角作為回彈值，基于ISO2CD24213/2006方法，運(yùn)用Dynaform對(duì)高強(qiáng)鋼板的沖壓成形及回彈進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了板料厚度、板料寬度、壓邊力、拉延筋及材料性能等因素對(duì)回彈值的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)隨著壓邊力的增大回彈值呈減小趨勢(shì)。此研究為超高強(qiáng)度板料熱沖壓回彈的研究提供了參考。
圖3 壓邊力對(duì)回彈的影響
2 存在的問題和今后的發(fā)展趨勢(shì)
超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)是將板料熱加工和淬火工藝相結(jié)合的一項(xiàng)較新的復(fù)雜成形技術(shù)。它使超高強(qiáng)度鋼板具有較小的變形抗力、塑性好、成形極限高，且成形零件的精度和強(qiáng)度高。但其CAE分析技術(shù)的發(fā)展還存在諸多缺點(diǎn)和不足之處，主要體現(xiàn)在：
(1)作為一個(gè)新興的技術(shù)，超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析領(lǐng)域公開發(fā)表的成果較少，存在技術(shù)封鎖和壟斷，在這一領(lǐng)域各廠家也分別以企業(yè)技術(shù)秘密的形式，實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)和封鎖，見諸報(bào)道的都是分析的結(jié)果，而不是過程；
(2)準(zhǔn)確的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)是高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析獲得正確結(jié)果的前提，目前對(duì)高強(qiáng)鋼板在高溫條件下力學(xué)性能的研究還較少，對(duì)淬火冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變及其對(duì)力學(xué)性能的影響還不是十分清楚；
(3)在確定導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)時(shí)也存在大量的不確定因素，使得模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差；
(4)對(duì)熱沖壓模具冷卻水道的研究較少，在合理設(shè)計(jì)及優(yōu)化模具的冷卻水道方面還有待于進(jìn)一步的深入研究；
(5)對(duì)成形后零件的回彈研究較少，板料回彈分析沒有找到相適應(yīng)的理論準(zhǔn)則，使得回彈分析仍然是整個(gè)沖壓界都沒有妥善解決的世界性難題；
(6)缺乏專用于高強(qiáng)鋼板熱沖壓工藝的有限元模擬及優(yōu)化軟件；
(7)高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程的CAE分析，既涉及對(duì)板料成形及回彈過程等宏觀尺度的模擬，也涉及對(duì)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程的微觀尺度模擬，而目前還沒有關(guān)于高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程多尺度模擬的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。
為此今后可以在以下幾個(gè)方面加大對(duì)超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE技術(shù)的研究力度：
(1)以熱沖壓過程的成形階段為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)設(shè)備測量材料在奧氏體狀態(tài)下的硬度、微觀組織、流動(dòng)曲線、材料熱物性參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)和成形極限等，建立由應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度表示的奧氏體狀態(tài)宏觀流動(dòng)應(yīng)力模型，為數(shù)值模擬研究提供可靠數(shù)據(jù)；
(2)為得到均勻馬氏體組織，需要研究熱沖壓冷卻階段相變機(jī)理，計(jì)算相關(guān)情況下的材料流動(dòng)應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變，建立考慮材料成形溫度、降溫速率及相變行為本構(gòu)關(guān)系模型，加強(qiáng)對(duì)向馬氏體轉(zhuǎn)化的控制理論的研究，即向馬氏體的轉(zhuǎn)化百分比和晶粒大小及均勻程度等，為淬火冷卻過程的CAE分析奠定基礎(chǔ)；
(3)研究熱沖壓工藝成形過程的熱粘塑性有限元理論及建模方法；
(4)研究熱沖壓工藝?yán)鋮s階段的熱彈塑性有限元理論及建模方法；
(5)借鑒塑料模具和擠出模具在冷卻水道CAE分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，深入開展高強(qiáng)鋼板熱沖壓模具冷卻水道的CAE分析和優(yōu)化技術(shù)的研究；
(6)大力開展超高強(qiáng)鋼板熱沖壓零件回彈的CAE分析，在準(zhǔn)確進(jìn)行成形過程和淬火過程CAE分析的基礎(chǔ)上，提高回彈預(yù)測的準(zhǔn)確性；
(7)同時(shí)考慮板料成形、回彈過程的宏觀變形和冷卻過程中奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變的微觀過程，開展熱沖壓過程的多尺度模擬研究，將成為超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析的一個(gè)重要方向；
(8)在理論研究的基礎(chǔ)上開發(fā)出專用于熱沖壓工藝的有限元模擬及優(yōu)化軟件，以便使工程技術(shù)人員可以利用模擬及優(yōu)化軟件對(duì)相應(yīng)零件的熱沖壓工藝進(jìn)行數(shù)值分析及工藝優(yōu)化，并根據(jù)模擬及優(yōu)化的結(jié)果制訂合理的熱沖壓工藝方案。
3 結(jié)語
超高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)是世界汽車業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)，而CAE分析技術(shù)是高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形的核心技術(shù)。國外熱沖壓CAE技術(shù)比較成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際的模具生產(chǎn)中。但由于技術(shù)封鎖等原因，我國超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析的研究還不夠深入和系統(tǒng)，這極大地阻礙了超高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)在我國汽車業(yè)的應(yīng)用。大力開展超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析技術(shù)的研究，才能打破國外在高強(qiáng)鋼板熱沖壓領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，促進(jìn)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一的汽車工業(yè)的快速發(fā)展，降低制造成本，提高企業(yè)競爭力，早日使我國從世界汽車制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜缙囍圃鞆?qiáng)國。