铝合金保险杠防撞梁淬火数值模拟

米 林，王 飞，吴 旋

(重庆理工大学重庆汽车学院，重庆 400054)

热处理是保证制造业产品的内在质量、提高其使用性能和可靠性的重要环节。传统的热处理是依靠经验型技术实现的。但经验型技术很难融入以信息化为主导的先进制造技术中，因此，迫切需要将热处理改造为基于知识的热处理技术，从而解决热处理信息化在制造业中的瓶颈问题［1］。在这种背景下，热处理计算机模拟应运而生。它通过对工件温度场、应力场和变形场等的模拟，让人们可以在动态情况下看到热处理过程中工件的性能变化，从而对实际生产过程起指导作用。

在热处理数值模拟过程中，淬火过程的计算机模拟是最受人们重视的一个过程。这主要是由于工件在淬火时受到温度场、组织场和应力场3个方面的同时相互作用，要精确模拟这一过程需结合温度场-组织场-应力场进行耦合计算。所谓淬火数值模拟技术，就是利用可视化技术、数值分析技术，基于传热学、力学及相变动力学理论等进行淬火温度场-组织场-应力场的模拟仿真，并根据模拟结果预测和揭示零件淬火过程中所产生的畸变和残余应力，从而为改进和优化工艺提供决策依据，以达到降低热处理变形量、改善应力分布、保证产品质量的目的［2-4］。

本文以汽车6061铝合金保险杠前防撞梁为对象，在大型商业有限元软件ANSYS Workbench环境下对工件进行了淬火过程温度场、应力场及变形场的分析，得出了较为理想的模拟结果。

1 材料物理性能参数的选取

制造铝合金保险杠防撞梁的材料为6061铝合金型材。工件在淬火过程中静态水的对流膜系数选择Workbench中的Stagnant Water-Simplified Case。6061铝合金的部分物理性能(如导热系数、线膨胀系数等)是随温度变化的，可通过查阅资料［5］得出，参数见表 1、2。其他参数(如密度、弹性模量、泊松比等)随温度变化不大，设置为常数值，参数见表3。

表1 导热系数随温度的变化情况

表2 热膨胀系数随温度的变化情况

表3 6061铝合金的主要热物理参数

2 淬火过程的数学模型

2.1 温度场的计算模型

工件淬火过程的温度场对热处理过程起着重要作用，直接影响到产品的最终质量性能指标。由于淬火过程是瞬态的，再加上随温度变化的非线性参数，如导热系数等的作用，导致温度场的计算即为求解瞬态非线性热传导方程［6］:

式中:ρ材料密度;cp为定压比热容;λ为热传导系数;q*为材料的内热源强度，它源于淬火过程中的相变潜热;T为温度;t为时间。

q*定义为

其中:V代表体积;ΔH代表单位体积的相变潜热。

淬火过程的热处理边界条件:

淬火过程热处理的初始条件为

2.2 应力场的计算模型

淬火过程中的瞬态应力场求解反映到力学上便是热弹塑性问题的求解。对于服从Von.Mises屈服准则的等向强化材料热弹塑性问题，在塑性区的应力应变关系为

其中:[Dep]为弹塑性矩阵;d{ εT}和d{ εtr}分别代表温度应变和组织应变，是由温度对弹性模量影响而导致的附加应变;d{ ε}0是由温度对弹性模量影响而引起的附加应力。

在淬火过程中，因为工件不受其他外力作用，因此，引起工件变形的主要因素是温度分布不均和组织转变不同。根据变分原理，单元平衡方程的增量形式为

其中:[K]e为单元刚度矩阵;Δ{ Rh}e为热载荷向量。

对于塑性区域:

式中温度应变Δ{ εT}e和组织应变Δ{ εtr}e分别为:

其中:α为热膨胀系数;β为组织转变时所引起的线膨胀系数。

3 6061铝合金ANSYS Workbench淬火热处理仿真

3.1 前处理阶段

1)前防撞梁的几何建模及有限元模型。利用CATIA建立前防撞梁1∶1的三维实体模型，模型长为1 118 mm，宽为90 mm，高为50 mm，厚为3 mm。为了得到比较精确的仿真结果，网格质量需要有一定的保证，因此，将建立好的模型保存为iges文件，再导入HyperMesh中进行高质量的网格划分。将划分好的网格保存为cdb格式，导入ANSYS Workbench中进行分析。实体网格单元尺寸为3 mm，网格节点数为58 188，单元数为29 388，其几何模型、有限元模型如图1所示。

图1 前防撞梁的几何模型及有限元模型

2)淬火边界条件约束及加载。生产实践表明，淬火冷却是热处理工艺中返修率和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。要评估淬火件的组织转变情况及淬火应力，优化热处理工艺，必须确定淬火冷却过程中工件材料内部温度随时间的分布规律［7-8］。对于前防撞梁温度场的数值模拟，采用的边界条件是设置工件初始温度为Uniform Temperature，值为530℃;环境温度(水温)为25℃，淬火介质为静态水。虽然在淬火过程中热传递的方式有热辐射、热对流和热传导3种，但对热量传递起主要作用的是热对流，另外2种方式影响甚微，可忽略不计。流膜系数选择Workbench中Convection子界面下的Stagnant Wa-ter-Simplified Case选项，将对流载荷加载在工件表面。由于工件比较薄，因此，淬火结束时间Step End Time设置为60 s。计算时打开线性搜索及自动设定时间步长，并设定计算时间步长为0.1 s。

3.2 仿真结果分析与验证

由设置的求解条件得到在淬火过程60 s内工件的温度场分布、温度变化曲线及变形、应力场分布云图，如图2～5所示。

图2 淬火过程中的温度场分布云图

从温度场分布云图和温度变化曲线中可以明显观察到:在淬火过程中工件温度在淬火初期急剧下降，主要集中在前10 s之内;在淬火时间为0.1 s时，工件温度已由最初的530℃下降到500℃左右;淬火0.5 s时，温度下降到420℃左右;淬火1 s时，温度下降到350℃附近;淬火10 s过后的温度已达到43℃;在40 s时工件温度几乎接近于室温;淬火过程结束时(60 s)温度已与水温一致。并且可以看到，在淬火过程中防撞梁两端面温度迅速降低，而表面温度下降较端面稍慢，因而，端面淬透性很大，这主要是因为端面处与介质接触面积大，对流换热充分，这与实验情况相符合。淬火过程中的最高温度出现在表面的中间部位，最低温度出现在工件的两端。由于淬火过程中温度下降剧烈，这势必导致淬火时的温差较大，从仿真结果可以看到温差最大时达到了40℃以上，这会对工件的应力产生一定的影响。另外，温度场的模拟也为精确计算淬火过程工件的应力及变形做好了准备。

图3 淬火过程中温度变化曲线

图4 淬火过程中的变形云图

图5 淬火过程中的应力云图

从图4(a)、(b)中可以看到:工件在40 s时和60 s淬火结束时的变形都很小，最大变形仅为0.04 mm，出现在两端面;最小变形出现在工件的中部。从图5(a)中可以看出:淬火40 s时，工件的最大应力值为1.2 KPa，它出现在两端面中心尖角处，这主要是由于该处淬火时，端面温度下降最快，引起的温差较大，造成了比较大的热应力，再加上淬火过程中由于材料组织的变化，该处将产生体积膨胀而形成一定的组织应力，热应力和组织应力共同作用形成了最后的内应力。从图5(b)中可以看见，淬火60 s时最大应力值仅为1.1E-6Pa，且应力分布比较均匀。尽管工件在淬火40 s和60 s时温度相差很小，但工件在这2个时刻的应力值相差甚大，这一现象充分说明了工件淬火40 s时虽然温度已接近淬火介质的温度，但从应力场分析工件淬火显然不充分，故在淬火时应保证工件淬火时间不低于60 s。另外，由于整个淬火过程中的最大应力始终低于1 MPa，故工件在淬火过程中不会出现应力开裂现象，能够保持较优良的性能。

4 结论

1)铝合金防撞梁在以25℃的静态水为介质中淬火能够满足实际生产需求。

2)要使防撞梁在淬火过程中充分淬透，淬火时间不能低于60 s。

3)整个淬火过程产生的应力比较小，均低于1 MPa，因此，可以保证在淬火时防撞梁不会出现应力开裂现象。

4)淬火结束后，工件的变形很小，最大值仅为0.04 mm，不会影响到工件的实际尺寸和形状。

［1］韩斌慧，阎献国.基于ANSYS的丝锥淬火冷却过程计算机模拟［J］.制造技术与机床，2008(6):121-124.

［2］马仙.淬火过程数值模拟研究进展［J］.兵器材料科学与工程，2009(3):59-63.

［3］潘健生.热处理信息化与制造业跨越式发展［J］.江苏科技信息，2004(8):1-4.

［4］李强，王葛.淬火冷却过程计算机模拟研究的现状及发展趋势［J］.重型机械，2001(6):4-7.

［5］谭真，郭广文.工程合金热物性［M］.北京:冶金工业出版社，1994.

［6］刘庄，吴肇基，吴景之.热处理过程的数值模拟技术［M］.北京:科学技术出版社，1996.

［7］Fletcher A J，Griffiths W D.Heat Transfer during Vapour Blanket Stage of Quench［J］.Materials Science and Technology，1993，9:958-964.

［8］Fletcher A J，Griffiths W D.Model of Heat Transfer during Quenching in Sodium Polycrylate Solutions［J］.Materials Science and Technology，1995，11:322-327.