基于ABAQUS软件的热冲压成形接触问题分析

来源:用户上传      作者:岑升波

　　【摘  要】ABAQUS是一款功能非常强大的有限元软件，被广泛地应用在解决各种工程项目问题当中。论文以防撞梁的热冲压成形为例，详细介绍了ABAQUS在处理复杂接触问题时的基本步骤和注意事项，展示了ABAQUS在处理高度非线性问题时的优越性，也为新手在处理相似问题时提供参考和帮助。
　　【Abstract】ABAQUS is a finite element software with very powerful functions， which is widely used to solve various problems in engineering projects. This paper takes the hot stamping of the anti-collision beam as an example， explicitly introduces the basic steps and precautions of ABAQUS in dealing with complex contact problems， shows the advantages of ABAQUS in dealing with highly nonlinear problems， and also provides reference and help for novices in dealing with similar problems.
　　【关键词】ABAQUS软件;热冲压成形;接触
　　1 引言
　　ABAQUS是一套功能非常强大的工程模拟仿真软件，拥有各种类型的材料模型库，可以模拟各种工程领域的许多问题，例如，热传导、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析以及压电介质分析[1，2]。ABAQUS拥有十分强大的处理高度复杂非线性问题的能力，具有模拟复杂系统问题的高度可靠性，被广泛应用于在各国工业和研究所中。但是在国内ABAQUS的普及率远不如ANSYS，不仅中文的资料少，而且可供新手学习的例子少，尤其是对比较复杂的接触问题的介绍更少。
　　在现实世界中，有许许多多的工程项目问题都涉及接触问题，如运动中火车轮与钢轨的接触、切削中车刀与工件的接触、冲压时模具与毛坯间的接触，等等。在接触过程中，两个物体在接触界面上的相互作用是复杂的力学现象，接触问题常常同时涉及三种非线性：大形变引起的材料非线性、几何非线性和接触界面的非线性，再加上接触界面的事先未知性和接触条件的不等式约束，决定了接触分析过程属于高度非线性的，不仅需要花费较多的计算机资源，而且收敛难度较大。本文从汽车防撞梁的热冲压成形出发，基于ABAQUS软件对接触问题进行分析研究。
　　2 ABAQUS接触分析的关键问题
　　接触分析中需要注意的常见问题包括：单元类型的选择和网格质量的控制、接触关系的建立、相对滑动、主从面的定义等[3]。ABAQUS软件提供了非常丰富的单元种类，在给用户提供更多选择的同时，也增加了用户选择适合自己模型的单元类型的难度，人们要清楚自己计算的目的是什么，然后选择合适的单元类型。例如，热冲压成形模型，涉及温度变化和形变，就这需要选择温度—位移耦合类型。网格质量的控制，ABAQUS软件是通过Verify Mesh检查模型網格质量，可以检查出分析过程中会导致错误和警告信息的单元，想要获得精确的计算结果，完美的单元质量是必不可少的。接触关系的建立，人们在建立接触对时，首先要搞清楚主从面的定义，一般选择刚度较大的一面作为主面，柔性材料作为从面，而解析面和刚体面必须作为主面。定义接触属性时，一定要清楚接触里面包含了哪些内容，如热冲压成形模型中模具和毛坯之间的互相接触，既有摩擦又会发生热传递，在定义属性时不能遗漏。相对滑动问题，ABAQUS包括有限滑动和小滑动两种选择，其中，有限滑动是最通用的选择，其在接触面间允许任意大的滑动和旋转，而小滑动是在接触面间允许小的相对滑动。在接触分析中需要注意的问题还有很多，稍微不注意都可能导致计算不收敛，会在下文防撞梁的热冲压成形例子中提及。
　　3 热冲压成形案例
　　本案例基于某轿车前防撞梁热冲压成形的过程，详细介绍了利用ABAQUS软件解决接触类问题的基础步骤和注意事项。
　　3.1 案例的背景
　　汽车防撞梁是车辆受到碰撞时吸收碰撞能量的一种装置，能够减少驾乘人员受到的冲击，是提高汽车安全可靠性的重要部件。为了实现车辆的轻量化且安全性能不降低，防撞梁一般都使用高强钢22MnB5，采用热冲压成形的工艺冲压成形。防撞梁的成形工艺为：将加热至850℃左右完全奥氏体化的22MnB5毛坯置于25℃的凹模之上，然后压边圈以15000N的力向下运动直至最低点，毛坯发生变形且四周被压边圈压紧，接着凸模以40m/s的速度向下运动，毛坯在凸模的作用下发生塑性变形，最后凸模、凹模完全闭合，进行保压和淬火。淬火阶段是在凸模和凹模的冷却管道中通入冷却水，工件上大量的热量通过热传递被循环冷却水带走实现淬火，本文不做讨论。在本案例中，毛坯和模具之间的接触界面既存在力的相互作用又存在热传递作用，在计算过程中，既有材料大变形带来的非线性问题又有温度带来的材料属性的非线性问题，这是属于比较复杂的热力耦合问题。
　　3.2 模型的建立
　　防撞梁的三维模型如图1所示，长度方向的尺寸为1068.5mm，宽度方向的尺寸为135mm，弧度为22°，毛坯厚度为1mm。本文采用SolidWorks软件建立防撞梁热冲压成形的三维模型，分别为凸模、凹模、压边圈和毛坯，如图2所示。由于毛坯的长宽都远远大于厚度，为了节约计算时间，将模型转变为壳体导入ABAQUS中。在导入部件的过程中应注意，如果仅仅关注的是防撞梁成形的过程，不考虑温度场的话，可以将凸模、凹模和压边圈都设置为离散刚体，可大大提高计算速度;但是如果还要关注防撞梁成形过程中毛坯和模具之间热传递的温度场的话，所有部件都要设为可变体，这对后面网格单元类型的选择很重要。 　　3.3 材料属性的定义
　　毛坯22MnB5钢和模具的密度为7850kg/m3，线膨胀系数为1.3×10-5。由于防撞梁的热冲压过程是采用热力耦合分析的方法，温度的变化对材料的属性影响非常大，根据查询文献资料[4]，22MnB5钢在不同温度下的真实塑性应力应变数据如表1所示。
　　22MnB5钢的杨氏模量、泊松比以及热传导率、热熔的数据[5，6]，如表2所示。模具的热导率为52W·（m·K）-1，热熔为450J·（kg·K）-1。在设定材料属性时，最容易出问题的是各参数单位的统一，很容易出现数量级的错误。
　　3.4 分析步的设定
　　分析步设为两步，分析步的类型选择动力，温度—位移，显式：第一步为压边圈向下运动，时间为0.001s;第二步为凸模向下运动，时间为0.0175s。在编辑分析步时，把几何非线性打开。如果想节约计算时间，可以将质量缩放打开，缩放比例的大小以计算结果的动能占总能量的5%以内合适。
　　3.5 相互作用的设定
　　进入相互作用模块，对模具和毛坯之间设定相互作用关系。首先，相互作用属性管理器定义接触关系的属性，其切向行为中的摩擦公式选择罚公式，摩擦系数为0.05，其热传导系数当距离为0时系数为0.75;其次，定义毛坯和模具与周围环境对流的热交换系数，毛坯与空气的自然对流系数为29W/m2/K，模具与冷却水的热交换系数为1200W/m2/K;再次，定义毛坯和模具之间的接触面，在这里要强调的是模具面一定是主面，毛坯面为从面;最后，创建三个参考点，创建约束类型，选择刚体，分别将凸模、凹模和压边圈绑定起来。
　　3.6 施加载荷
　　进入载荷模块，对模具和毛坯施加边界条件，在凹模的参考点上施加位移/转角边界条件，将所有方向固定。在压边圈的参考点上也施加位移/转角边界条件，分析步选择第一步，设定压边圈向下运动24mm压住毛坯表面，其他方向固定。同时，设定幅值，幅值的类型注意选择平滑分析步，否则容易出现不收敛问题。在凸模的参考点上施加位移/转角边界条件，分析步选择第二步，设定凸模向下运动70mm进行冲压动作，其他方向固定，幅值的设定时间与分析步一致。进入预定义场管理器，毛坯的温度设定为850℃，模具温度为25℃。
　　3.7 网格划分
　　进入网格划分模块，先定义网格控制属性，网格形状尽量选择四面体，划分技术选择结构，有时需要拆分模型才能划出想要的网格。进入种子部件，给模型设置尺寸，然后划分网格。一定要为网格指派单元类型，本次计算为热力耦合的问题，且接触里面定义了热传导属性，所有模型的网格单元类型一定要温度—位移耦合，不然提交计算会报错“without temperature degree of freedom are not allowed in a heat transfer analysis”。
　　3.8 作業提交与结果分析
　　在工作管理器中提交作业，在监控中可以实时观察计算的进展情况。当计算结束以后进入可视化模块对结果进行分析。当热冲压结束后，防撞梁成形后凹槽底部温度最低点的温度—时间曲线图如图3所示，由于整个冲压过程时间只有0.0185s，时间非常短暂，该节点的温度从850℃下降到845.4℃，瞬间的冷却速度达到248.6℃/s，远远大于马氏体的转变的冷却速度，有利于提高22MnB5的马氏体转变率，提高防撞梁热冲压成形后的力学性能。
　　防撞梁热冲压成形后的应力云图如图4所示，最大应力出现在防撞梁凹槽底部圆角过渡两侧以及侧壁上，最大应力为169.9MPa，这是因为这些位置是毛坯与模具相互接触、相互作用最为复杂的位置，也是材料形变最大的地方，所以其应力也相对较大。
　　4 结语
　　ABAQUS软件在处理高度非线性的复杂问题上具有明显的优势，本文以汽车防撞梁热冲压成形为例，详细介绍了ABAQUS在处理复杂接触问题的过程和注意事项，为进一步利用ABAQUS软件研究汽车防撞梁的热冲压成形过程做好铺垫，同时，也为新手处理类似的问题提供了参考和帮助。
　　【参考文献】
　　【1】石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.
　　【2】庄茁，由小川，廖剑晖，等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社，2009.
　　【3】刘展，朱精平，钱英莉，等.ABAQUS 6.6基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
　　【4】时立佳.B柱加强板热冲压成形工艺研究[D].秦皇岛：燕山大学，2013.
　　【5】康永林，孙建林.高强度薄钢研究的新进展及其在汽车上的应用[J].钢铁，2002，37（5）：65-70.
　　【6】谷诤巍，孟佳，李欣，等.超高强钢热成形奥氏体化加热参数的优化[J].吉林大学学报，2011（41）：194-197.
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