摘 要

随着汽车行业对节能、安全、环保的需求日益强烈，汽车轻量化作为解决这一难题的有效措施得到了越来越广泛的应用，超高强度钢板热成形技术是实现汽车轻量化并且提高汽车安全性的重要途径之一。本文针对超高强度汽车保险杠热冲压成形工艺进行了研究，主要研究内容如下：

（1）从汽车保险杠的功能和结构出发，分析了汽车前保险杠横梁的结构特征，并针对前保险杠横梁的选材22MnB5超高强钢进行了材料性能分析。

（2）使用有限元仿真软件AutoForm对超高强度汽车前保险杠横梁热冲压成形过程进行了模拟，分析和对比两种不同建模方案得到的初始成形结果，选取综合成形结果更好的建模方案。

（3）通过正交试验对前保险杠横梁的热冲压成形结果进行了优化，分析了板料初始成形温度、模具初始温度、模具间隙、摩擦系数、冲压速度对成形结果的影响，从而得出较优的成形工艺参数。

关键词：超高强度钢；热冲压成形；汽车保险杠；有限元模拟；正交试验

Abstract

With the growing demand for energy saving, safety and environmental protection in the auto industry, the light weight of the automobile has been more and more widely used as an effective measure to solve this problem. And ultra high strength steel sheet hot stamping technology is one of the important ways to realize automobile lightweight and improve the safety of automobile. In this paper, the hot stamping process of ultra high strength automobile bumper is studied, the main research contents are as follows:

(1) Starting from the function and structure of the automobile bumper, the structure characteristics of the front bumper beam is analyzed, and the material properties of ultra high strength steel 22MnB5 are analyzed according to the material selection of the front bumper beam.

(2) Using the finite element simulation software AutoForm to simulate the hot stamping process of the ultra high strength automobile front bumper beam, and analyze and contrast the initial forming results of two different modeling schemes obtained , choose the modeling scheme with better forming results.

(3) Optimizing the hot stamping forming results of the front bumper beam by orthogonal test, analyze the influence of initial sheet forming temperature, initial temperature of dies, die clearance, friction coefficient, punch velocity influence on the forming results, thus obtain the optimal forming parameters.

Key Words：ultra high strength steel；hot stamping；bumper；finite element modeling；orthogonal test

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 超高强钢热冲压成形工艺 2

1.2.1 汽车用高强度钢分类 2

1.2.2 热冲压成形工艺过程简介 3

1.2.3 热冲压成形工艺特点 5

1.2.4 热冲压成形在汽车车身上的应用 5

1.3 国内外研究现状 5

1.3.1 热冲压用超高强钢研究现状 5

1.3.2 超高强钢热冲压成形工艺研究现状 7

1.3.3 存在的问题与发展趋势 8

1.4 研究目的及意义 9

1.5 本文研究的主要内容 9

第2章 超高强度汽车保险杠结构特征与材料性能分析 11

2.1 引言 11

2.2 汽车保险杠的功能 11

2.3 汽车保险杠的结构 11

2.4 前保险杠横梁的结构特征分析 13

2.5材料选取与材料性能分析 13

2.5.1汽车覆盖件板材的基本要求 13

2.5.2前保险杠横梁材料性能分析 14

2.6 本章小结 17

第3章 超高强度汽车保险杠热冲压有限元建模 18

3.1 引言 18

3.2 有限元软件AutoForm介绍 18

3.2.1 AuotoForm概述 18

3.2.2 AutoForm模块与特点 18

3.3 超高强度汽车保险杠热冲压建模 20

3.3.1 超高强度汽车保险杠热冲压建模方案介绍 20

3.3.2 超高强度汽车保险杠热冲压模型的建立 20

3.3.3 两种不同模拟方案的有限元模拟结果对比 30

3.4 本章小结 36

第4章 超高强度汽车保险杠热冲压工艺优化 38

4.1 引言 38

4.2 正交试验介绍 38

4.2.1正交试验的基本概念和原理 38

4.2.2正交表的性质 38

4.3.3正交表的优点 39

4.3 正交试验设计 39

4.3.1选定试验指标 39

4.3.2选定因素和水平 39

4.3.3选用正交表 40

4.4 正交试验结果与分析 42

4.5 本章小结 47

第5章 结论与展望 48

5.1 结论 48

5.2 展望 49

参考文献 50

致 谢 52

第1章 绪论

1.1 引言

近年来，随着汽车行业的快速发展，汽车产量和汽车保有量持续增长，能源危机、交通安全和环境污染问题日趋严重，节能、安全、环保已经成为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此目标的有效途径之一^[1]。研究数据显示, 汽车车身自重约消耗70%的燃油，若汽车整车重量降低10%，其燃油消耗量将减少6~8%^[2]，废气排放量将降低5~6%^[3] ，广泛采用轻量化技术，降低汽车自重，能提高汽车的节能性和环保性，还能降低燃油消耗和减少排放。为了推动汽车工业向高效能、低能耗、低排放发展，实现汽车工业的可持续发展，汽车轻量化已成为世界普遍认可的汽车发展方向和潮流，得到汽车行业和国际社会的一致推崇。

所谓汽车轻量化，指的是在确保汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的安全性、动力性等综合性能指标，进而达到减少燃油消耗和降低废气排放的目的^[4]。随着科技的发展和进步，实现汽车轻量化的方式也越来越多样化，目前可以采取的有效途径主要有：（1）采用 CAE 技术优化汽车的结构，在确保性能和功能的前提下，优化汽车的框架结构，降低车身骨架和车身钢板的质量，使汽车零部件精简、轻质化、复合化；（2）在制造上多使用轻量化材料，如高强度钢和超高强度钢、镁合金、铝合金、增强塑料、玻璃纤维、碳纤维复合材料等，从而降低汽车零部件的质量；（3）应用先进的车身制造工艺，如热冲压成形、内高压成形、激光拼焊、液压成形等^[5]。从汽车诞生至今，已有一百多年，随着汽车工业的高速发展，各种CAE优化设计技术的研究和进步，汽车车身的空间结构和布局已经相当紧凑、合理，车身结构优化技术已越来越成熟，因此，轻量化材料的使用和先进车身制造工艺的研究和开发将会对汽车轻量化的发展和进步起到更加显著的作用^[6]。

目前，广泛使用铝合金、高强度钢和超高强度钢等轻量化材料是实现汽车轻量化的关键途径之一。铝的密度是钢铁的1/3，是较理想的轻量化材料，用铝合金来取代传统的钢铁来制造汽车零部件，可使汽车整备重量降低 30％~40％。然而，在相同重量下，钢比铝有更好的抗凹性，而且与其它轻质材料相比，高强度钢价格便宜，经济性好，性能优越，且能利用现有生产线生产从而还能节省投资成本，所以到目前为止，高强度钢和超高强度钢的使用仍然是汽车轻量化最有效、最直接的途径。按照屈服强度来划分，钢材可分为低强度钢、高强度钢和超高强度钢三类。一般来说，将屈服强度低于210 MPa的钢称为低强度钢，屈服强度介于210~550 MPa之间的钢称为高强度钢，屈服强度高于550 MPa的钢称为为超高强度钢^[7]；“超轻钢制车身”（ULSAB）联盟所作的研究表明，如果汽车车身上超高强度钢的应用率达到80％，可以在保证不增加成本的情况下，使汽车车身重量相比原来的普通钢结构车身降低 20％^[8]。如果将屈服强度提升到1000MPa的超高强度钢用于生产汽车零部件，则可以比具有同等刚度和强度的低碳高强度钢制件质量减轻50％以上，而且材料的疲劳强度和抗碰撞性能也得到了很大程度的提高。因此，具有高强度、高减重潜力、高韧性等综合优点的超高强度钢板将成为实现汽车轻量化和提高汽车安全性的重要途径^[9]。