被動安全性能越來越多的受到重視，而實現(xiàn)這一目標的主要方法就是汽車車身的輕量化。在目前看來，車用高強度和超高強度鋼板以其輕質(zhì)、高強度的特點在汽車業(yè)中應用越來越受關注，并已成為滿足汽車減重和增加碰撞性能和安全性能的重要途徑。但高強度鋼板在室溫下的變形能力差，容易產(chǎn)生開裂、回彈等缺陷，同時對于模具磨損嚴重，大大降低模具使用壽命。高強度鋼板的熱沖壓技術是解決上述問題的一種新型的成形技術。目前成為世界上眾多汽車生產(chǎn)廠商關注的熱點，通用、福特、大眾、豐田和沃爾沃等汽車制造公司都在使用熱沖壓的高強度汽車零件。
文獻對熱沖壓用鋼的溫度相關性與應變率相關性進行了研究，文獻對板料進行等溫拉伸，獲得了22MnB5奧氏體狀態(tài)下材料軋制方向、溫度和應變速率對流動性能的影響。在此基礎上，研究了冷卻速率對材料性能的影響。文獻采用熱膨脹計監(jiān)控22MnB5的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變特征參數(shù)，獲得了馬氏體相變初始溫度及奧氏體化最佳溫度、保溫時間。本文以Numisheet2008提供的B柱熱沖壓考題為基礎，采用熱-力耦合的分析方法，建立了其熱沖壓仿真模型，得到熱沖壓過程中板料溫度及厚度分布，為熱沖壓模具設計提供依據(jù)。
1 熱沖壓技術原理
熱沖壓技術原理是將室溫下鐵素體與珠光體組織的高強度硼合金鋼板加熱至奧氏體狀態(tài)，然后將奧氏體化的板料送入帶有冷卻裝置的模具中進行沖壓成形，同時由模具對板料進行淬火處理，保證鋼板在形變過程中能夠快速冷卻，獲得在室溫下具有均勻馬氏體組織的高強度鋼構件。
實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)零件的難易程度又可分為直接熱沖壓和間接熱沖壓。圖1（a）為直接工藝，下料后將坯料送進加熱爐加熱，然后傳送到模具進行成形及淬火，主要適用于形狀相對簡單的零件，如果采用帶有渡層的鋼板，其成形精度好，抗腐蝕能力強；圖1（b）為間接工藝，多為形狀復雜的零件采用，其先冷沖壓預成形，然后再加熱后熱成形。
2 有限元模型的建立
B柱加強板材料為低碳硼合金鋼22MnB5，其化學成分如表1所示，材料厚度為1.95mm。由于熱沖壓的模擬過程是熱力耦合分析，溫度對材料的流動應力及變形抗力影響很大，所以需要不同溫度條件下的應力應變曲線，這一系列的硬化曲線應覆蓋整個熱沖壓溫度階段。圖2為22MnB5不同溫度的應力應變曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的增加，材料的屈服應力降低，成形性能增強。
B柱熱沖壓三維有限元模型如圖3所示。熱沖壓過程分為壓邊和成形兩個階段，各階段成形參數(shù)如下：
壓邊圈壓邊階段：板料初始溫度為810℃，模具溫度為75℃，壓邊過程中模具的運動速度為200mm/s。沖壓成形階段：板料的溫度直接繼承壓邊階段結束后的溫度，模具運動速度為200mm/s，板料與模具間的摩擦系數(shù)為0.4。
3 結果分析
3.1 厚度分析結果
圖4所示為選取的三個厚度截面位置，截面1：經(jīng)過點（538.189，-39.491，0），法線方向為（1.0，0.83078，0.0）；截面2：經(jīng)過點（406.118，0.0，0.0），法線方向為（1.0，0.0，0.0）；截面3：經(jīng)過點（-25.0，0.0，0.0），法線方向為（1.0，0.0，0.0），測量其厚度分布情況，圖5所示為截面厚度分布情況。
從各截面厚度分布情況可以看出：數(shù)值分析的結果與實驗結果相比，各截面的厚度分布趨勢與實驗結果一致，基本在±5%實驗結果范圍內(nèi)，吻合情況較好。
3.2 溫度分析結果
圖6分別為不同時刻分析得到的板料溫度場。在開始沖壓階段，由于板料的壓邊區(qū)域與模具接觸較早，板料與模具產(chǎn)生熱交換，壓邊區(qū)域溫度下降較快；隨著成形的進行，板料變形程度的增加，由于塑性變形產(chǎn)生的塑性變形熱及摩擦生熱，導致零件梁部分溫度升高；沖壓結束后，零件溫度分布如圖6（b），可以看出，板料熱沖壓后溫度分布不均，整體溫差在400℃左右。通過材料的溫度分布，可以為熱沖壓模具設計提供依據(jù)，即在溫度相對較高區(qū)域要考慮加大冷卻效果，最終保證材料的均勻冷卻，溫度分布均勻。
3.3 成形性分析結果
圖7為與實驗結果對比的厚度減薄情況。與模擬的成形性分析結果對比，可以看出模擬得到的危險區(qū)域與實驗的頸縮部位基本一致，均在于尾部圓角處，這也驗證了數(shù)值分析的可靠性。
4 結論
本文建立了B柱熱沖壓的有限單元模型，采用熱力耦合的方法，對整個熱沖壓過程進行了數(shù)值模擬，得到了熱沖壓過程中板料的厚度及溫度分布律，并對該零件成形性進行了分析。結果表明：截面厚度分布基本在實驗結果的±5%范圍內(nèi)，在零件尾部圓角處厚度減薄較大；成形結束后，板料壓邊區(qū)域由于同模具接觸較早，溫度較低，而尾部圓角區(qū)域及梁的部分由于塑性變形較大，產(chǎn)生的塑性變形熱使該處溫度較高，板料整體溫差在400℃左右。