０ 引言

对于传统的冲压技术国内外学者已进行了大量卓有成效的研究， 同样对于淬火热处理的实验、理论分析及数值模拟ꎬ目前已经积累了大量的研究成果，高强度钢板热成形技术是将传统的热处理技术与冷冲压技术相结合的最新制造工艺ꎬ研究内容集中在材料高温力学性能、数值模拟及实验方面ꎮ Ａｌｅｘａｎｄｒｅ 等研究了板料与模具间的接触热阻并建立了计算接触热阻的数学模型，意大利帕多瓦大学的Ａ.Ｔｕｒｅｔｔａ 等根据Ｎａｋａｚｉｍａ定律在高温下来评估材料的成形性，Ｎａｄｅｒｉ、Ｂｌｅｃｋ及Ｍｅｒｋｌｅｉｎ分别对热成形硼钢在高温下的流动准则及材料参数进行了研究，Ｍａ 及 Ｈｕ 等对热成形过程进行了理论分析、数值模拟及实验研究，提出了新的方法用于热成形模具设计及工艺过程分析ꎻ邢忠文等对硼钢热冲压成形进行了实验研究，林建平等对高强度热冲压钢板的高温热流变行为进行了研究，上述研究多集中在热冲压工艺理论、数值模拟、实验研究上。而对于热冲压技术的服役性能及在车身耐冲击碰中应用的究较少，高强度钢板热冲压零部件在汽车车身中的应用主要集中在承载及抵抗冲击碰撞的结构件，例如 Ｂ 柱等。那么热冲压技术应用于汽车车身设计相比其他高强度钢板有何优势? 本文结合数值模拟及实验的方法对此进行研究，常规的碰撞分析零件的材料性能参数都是由未变形的初始坯料进行拉伸试验获取的，其厚度均为初始板料常数。而且未考虑成形过程中的残余应变和残余应力， 实际上对于车身上应用的热冲压件及冷冲压零部件，成形后的厚度分布、残余应变和应力都发生变化。

本文研究在对 Ｂ 柱外板热冲压工艺数值模拟的基础上ꎬ对热冲压零部件的成形历程进行研究，分析了热冲压零部件残余应变的特征阐述了残余应力的产生及作用机理ꎬ给出了考虑成形历程的热冲压技术应用方法

１ 汽车 Ｂ 柱数值模拟及实验分析

Ｂ 柱是影响轿车侧面碰撞性能的主要部件之一ꎬ要改善整车的侧面碰撞性能ꎬ需要从改善这些主要部件的碰撞特性入手ꎮ 为了提高 Ｂ 柱的抗撞性ꎬ设计人员通常设计出复杂的形状ꎬ包括增加加强件等方法ꎬ使其尽可能满足抗撞性的要求ꎬ但这样做无疑增加了 Ｂ 柱设计的难度ꎮ 而高强度钢板热冲压新工艺的发明ꎬ可以在成形的同时改变 Ｂ 柱的材料微观组织及性能ꎬ从而在实现了 Ｂ 柱形状简化、轻量化的同时提高整车的侧面碰撞性能ꎮ

采用热冲压工艺进行成形加工某车型 Ｂ 柱外板，如图 １ 所示， Ｂ 柱外板形状较为复杂，可以采用间接成形工艺加工，这样可以提高生产效率及产品质量，但预成形后 Ｂ 柱外板在加热炉内加热不均、热应力变形及高温上下料等问题制约了间接成形工艺的应用ꎬ所以此 Ｂ 柱外板应采用进行热冲压直接成形工艺进行加工， 应用ＤＹＮＡＦＯＲＭ 热力耦合模块对 Ｂ 柱外板成形过程进行数值模拟仿真ꎬ板料采用热冲压专用硼钢冷轧钢板 Ｂ１５００ＨＳ，板料初始厚度 １.４ ｍｍꎬ摩擦系数 ０.３５，板料的成形初始温度 ８００ ℃，冲压速率为 ０.１５ ｍ / ｓ，压合模后，保压 １５ ｓ 材料的热力学参数采用同种材料的研究数据。

图 ２ 所示为 Ｂ 柱外板热冲压数值模拟的成形图，模拟结果显示在上述的热冲压工艺条件下 Ｂ 柱外板可以无缺陷成形，所以按上述工艺参数进行 Ｂ 柱外板热冲压直接成型实验，图 ３ 为实验后的 Ｂ 柱外板产品图， 从图 ３ 中可以看出成形后的 Ｂ 柱外板无开裂等成形缺陷ꎬ与上述热冲压的数值模拟结果相一致ꎮ 从图 ３ 中的 Ｂ 柱外板产品上切割拉伸试样进行拉伸实验。试样的工程应力－应变曲线如图 ４ 所示，从图 ４ 中可以看出经过热冲压工艺后 Ｂ 柱外板的屈服强度接近 １ ０００ ＭＰａꎬ拉伸强度达到 １ ５００ＭＰａ，远远超过了双相钢及其他传统高强度钢板， 图 ５ 中所示为热冲压前 Ｂ１５００ＨＳ 材料的工程应力应变曲线。对比图 ４ 可以看出，热冲压后零部件的屈服强度和拉伸强度比原始板料均提升了 ３ 倍多，这说明热冲压零部件非常适合作耐冲击构件的选材。

２ 热冲压 Ｂ 柱在整车侧碰撞中的应用

在上一节分析了 Ｂ 柱外板热冲压直接成形工艺ꎬ拉伸实验表明通过热冲压工艺可以大幅提高单个零部件的力学性能，为研究热冲压工艺对整车侧面碰撞的影响，设计了 ３ 种对比方案进行分析研究。整车碰撞的有限元模型如图 ６ 所示，单元总数为 １０８ 万个，侧碰速度为 ５０ｋｍ / ｈ，碰撞模拟采用商业软件 ＬＳ－ＤＹＮＡ。

表 １ 中列出了对比 Ｂ 柱工艺材料及厚度的 ３ 种方案，其中材料 Ｂ３４０ＬＡ、ＤＰ７８０、ＱＰ 的工程应力－应变曲线分别如图 ７、图 ８ 所示，通过跟踪碰撞过程中 Ｂ 柱上测试点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７(如图 ９ 所示)的最大位移侵入量来比较 ３ 种设计工况下整车的碰撞性能。

 表 ２ 为在 ３ 种不同工况下Ｂ 柱延高度方向上 ７ 个不同测试点的侵入量。从表中可以看出 Ｂ１５００ＨＳ 热冲压 Ｂ柱外板在厚度减薄 ０.２ ｍｍ 的条件下，Ｂ 柱侵入量比相应的 Ｂ３４０ＬＡ 板材最大降低了 ２７.２ ｍｍ，降低 ２２％多，可见热冲压技术在轻量化领域及提高耐冲击碰撞方面的突出优势。作为较多应用的双相钢 ＤＰ７８０ 在厚度减薄 ０. １ ｍｍ时，Ｂ 柱侵入量比相应的 Ｂ３４０ＬＡ 板材有所降低，但比热冲压零部件的侵入量大。

３ 考虑成形历程的侧面碰撞模拟研究

常规的碰撞分析零件的材料性能参数都取自未变形的初始坯料的拉伸试验，其厚度均为初始板料常数，而且未考虑成形过程中的残余应变和残余应力。实际上对于车身上应用的热冲压件及冷冲压零部件，成形后的厚度分布、残余应变和应力都发生变化。这些变化都会导致在碰撞仿真中产生误差ꎬ然而以前常规的碰撞仿真分析将这些变化都给忽略了 所以对于研究热冲压技术应用需要碰撞仿真中引入制造过程(主要指冷热冲压过程)的影响因素，考虑成形历程的碰撞仿真分析技术对保证碰撞仿真的精度及准确性至关重要。

图 １０ 为未考虑成形历程的车身侧面模型图片，图 １１为考虑成形历程的车身侧面模型图片，即考虑 Ｂ 柱外板热冲压过程的应变积累影响(将图 ２ 中所示的 Ｂ 柱外板应变中发生相变前的变形部分去掉)，同时将 Ｂ 柱内板及周围的侧门槛、Ａ 柱及侧围等冷冲压件的冲压硬化影响引入 ＬＳ－ＤＹＮＡ 求解器进行侧面碰撞模拟。