隨著人們環(huán)保意識的逐漸加強(qiáng)和對汽車安全性能要求的日益提高，世界各國對汽車安全和環(huán)保法規(guī)的控制越來越嚴(yán)格。各大汽車公司紛紛通過汽車輕量化來減少燃油消耗、降低發(fā)動機(jī)的廢氣排放（在降低油耗、減少排放的諸多措施中，減輕車重的效果最為明顯，車重減輕10%，可節(jié)省燃油3%～8%）。
為保證輕量化后仍能滿足碰撞安全要求，各大汽車公司在優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)的同時，把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了新材料、新工藝的應(yīng)用。在這種背景下，超高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。超強(qiáng)度鋼板熱沖壓是一種將先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速沖壓成形，在保壓階段通過模具實現(xiàn)淬火并達(dá)到所需的冷卻速度，從而得到組織為均勻馬氏體，強(qiáng)度在1500MPa左右的超高強(qiáng)度零件的新型成形技術(shù)。通過對先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，提高了汽車的碰撞性能，實現(xiàn)了汽車輕量化。
超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓作為一種新興的技術(shù)，該領(lǐng)域公開發(fā)表的成果較少，存在技術(shù)封鎖和壟斷。國內(nèi)外對超高強(qiáng)度板料熱沖壓核心技術(shù)的研究大都還處在探索與嘗試階段，尤其是CAE分析部分。本文綜述了超高強(qiáng)度鋼板料熱沖壓CAE分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出了存在的問題和發(fā)展方向。
熱沖壓成形CAE分析的研究現(xiàn)狀
CAE分析作為超高強(qiáng)鋼板熱沖壓領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，可以分為成形過程分析（預(yù)測零件的熱沖壓可制造性）、保壓淬火過程分析（預(yù)測零件的組織和力學(xué)性能）和回彈分析（預(yù)測零件的成形精度）3個方面，下面分別加以論述。
熱沖壓成形過程是指高溫奧氏體狀態(tài)下的板料在熱沖壓模具內(nèi)所進(jìn)行的短時間內(nèi)快速成形的過程。由于板料在高溫奧氏體狀態(tài)下，因此，進(jìn)行高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程的CAE分析，首先要獲得高強(qiáng)鋼板在高溫下的力學(xué)性能。
在國外，意大利Padova大學(xué)以Nakazima試驗為基礎(chǔ)進(jìn)行了相位轉(zhuǎn)變試驗與高溫成形試驗，獲得了高強(qiáng)鋼板的熱成形下的成形極限圖(FormingLimitDiagram，F(xiàn)LD)，為熱沖壓的有限元仿真提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)科將坯料加熱到950℃左右使其奧氏體化，并保溫一段時間使奧氏體均勻化，從加熱爐中取出坯料，在等溫和非等溫成形條件下進(jìn)行V形彎曲和槽形件成形試驗，從而獲得22MnB5的高溫力學(xué)性能。同濟(jì)大學(xué)選用安賽樂生產(chǎn)的USIBOR1500高強(qiáng)度鋼板，對其進(jìn)行了高溫力學(xué)性能試驗的相關(guān)研究。
其次，熱沖壓成形階段CAE分析還需要根據(jù)材料的彈性模量、泊松比、高溫狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼板摩擦特性等來分析預(yù)測熱沖壓的可制造性。
板料熱沖壓回彈發(fā)生在保壓淬火完成并撤去壓力之后，彈性變形回復(fù)從而導(dǎo)致零件的形狀和尺寸發(fā)生變化而與模具不一致，這種現(xiàn)象叫做回彈。由于是在高溫淬火條件下成形，所以與冷沖壓回彈相比要小得多。此過程CAE分析的目的是利用計算機(jī)仿真技術(shù)來預(yù)測零件的成形精度。但到目前為止，回彈分析還是整個沖壓界都沒有妥善解決的世界性難題。
每屆的國際NUMISHEET會議（板料沖壓仿真會議），都有關(guān)于回彈的標(biāo)準(zhǔn)考題和回彈CAE分析的階段性、局部性研究成果發(fā)布。由于之前的熱沖壓成形過程分析和保壓淬火過程分析的復(fù)雜性，導(dǎo)致最后階段精確的回彈分析變得非常困難。目前，業(yè)內(nèi)基本上是通過制作樣模進(jìn)行試沖，來檢驗零件的力學(xué)性能和尺寸精度，但延長了模具設(shè)計周期，增加了鋼板熱沖壓零件的制造成本。
國外在高強(qiáng)鋼板熱沖壓回彈方面研究較多的是日本東京大學(xué)的學(xué)者們，他們對高強(qiáng)鋼板的熱沖壓回彈和成形溫度進(jìn)行了理論研究，并通過試驗對比驗證了在塑形變形區(qū)或彎曲變形區(qū)溫度高于750K時，成形零件的回彈有明顯的減少。意大利那不勒斯東方大學(xué)采用AutoForm軟件對DP600和TRIP800兩種材料的沖壓回彈進(jìn)行了模擬。
國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院與材料科學(xué)與工程學(xué)院采用ABAQUS軟件對高溫下22MnB5高強(qiáng)鋼板溝槽形件沖壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。建立了基于熱力耦合彈塑性有限元模型和熱成形下的材料模型，通過對溝槽形件熱成形的數(shù)值模擬，考察了壓邊力、模具間隙和凹模圓角半徑等工藝參數(shù)對熱成形時溫度分布和回彈的影響，分析熱成形中回彈的產(chǎn)生機(jī)理，確定了合適的工藝參數(shù)，通過熱成形試驗驗證了數(shù)值結(jié)果的可靠性，圖3為模擬得到的壓邊力對回彈的影響。并研究了影響22MnB5超高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形中回彈的因素。
通過等溫度和非等溫試驗考察了變形溫度、熱成形終了溫度和壓邊力對熱成形后回彈的影響。得出結(jié)論：熱效應(yīng)是引起回彈的主要因素，蠕變應(yīng)變減少了熱成形后的回彈量，蠕變應(yīng)變和熱效應(yīng)是影響熱成形中回彈的主要因素。另外，華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室以回彈角作為回彈值，基于ISO2CD24213/2006方法，運(yùn)用Dynaform對高強(qiáng)鋼板的沖壓成形及回彈進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了板料厚度、板料寬度、壓邊力、拉延筋及材料性能等因素對回彈值的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)隨著壓邊力的增大回彈值呈減小趨勢。此研究為超高強(qiáng)度板料熱沖壓回彈的研究提供了參考。
存在的問題和今后的發(fā)展趨勢
超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)是將板料熱加工和淬火工藝相結(jié)合的一項較新的復(fù)雜成形技術(shù)。它使超高強(qiáng)度鋼板具有較小的變形抗力、塑性好、成形極限高，且成形零件的精度和強(qiáng)度高。但其CAE分析技術(shù)的發(fā)展還存在諸多缺點(diǎn)和不足之處，主要體現(xiàn)在：
(1)作為一個新興的技術(shù)，超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析領(lǐng)域公開發(fā)表的成果較少，存在技術(shù)封鎖和壟斷，在這一領(lǐng)域各廠家也分別以企業(yè)技術(shù)秘密的形式，實行嚴(yán)格的技術(shù)保護(hù)和封鎖，見諸報道的都是分析的結(jié)果，而不是過程；
(2)準(zhǔn)確的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)是高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析獲得正確結(jié)果的前提，目前對高強(qiáng)鋼板在高溫條件下力學(xué)性能的研究還較少，對淬火冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變及其對力學(xué)性能的影響還不是十分清楚；
(3)在確定導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)時也存在大量的不確定因素，使得模擬結(jié)果與實際情況存在較大偏差；
(4)對熱沖壓模具冷卻水道的研究較少，在合理設(shè)計及優(yōu)化模具的冷卻水道方面還有待于進(jìn)一步的深入研究；
(5)對成形后零件的回彈研究較少，板料回彈分析沒有找到相適應(yīng)的理論準(zhǔn)則，使得回彈分析仍然是整個沖壓界都沒有妥善解決的世界性難題；
(6)缺乏專用于高強(qiáng)鋼板熱沖壓工藝的有限元模擬及優(yōu)化軟件；
(7)高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程的CAE分析，既涉及對板料成形及回彈過程等宏觀尺度的模擬，也涉及對奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程的微觀尺度模擬，而目前還沒有關(guān)于高強(qiáng)鋼板熱沖壓過程多尺度模擬的文獻(xiàn)報導(dǎo)。
為此今后可以在以下幾個方面加大對超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE技術(shù)的研究力度：
(1)以熱沖壓過程的成形階段為研究對象，通過試驗設(shè)備測量材料在奧氏體狀態(tài)下的硬度、微觀組織、流動曲線、材料熱物性參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)和成形極限等，建立由應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度表示的奧氏體狀態(tài)宏觀流動應(yīng)力模型，為數(shù)值模擬研究提供可靠數(shù)據(jù)；
(2)為得到均勻馬氏體組織，需要研究熱沖壓冷卻階段相變機(jī)理，計算相關(guān)情況下的材料流動應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變，建立考慮材料成形溫度、降溫速率及相變行為本構(gòu)關(guān)系模型，加強(qiáng)對向馬氏體轉(zhuǎn)化的控制理論的研究，即向馬氏體的轉(zhuǎn)化百分比和晶粒大小及均勻程度等，為淬火冷卻過程的CAE分析奠定基礎(chǔ)；
(3)研究熱沖壓工藝成形過程的熱粘塑性有限元理論及建模方法；
(4)研究熱沖壓工藝?yán)鋮s階段的熱彈塑性有限元理論及建模方法；
(5)借鑒塑料模具和擠出模具在冷卻水道CAE分析和優(yōu)化設(shè)計方面的成功經(jīng)驗，深入開展高強(qiáng)鋼板熱沖壓模具冷卻水道的CAE分析和優(yōu)化技術(shù)的研究；
(6)大力開展超高強(qiáng)鋼板熱沖壓零件回彈的CAE分析，在準(zhǔn)確進(jìn)行成形過程和淬火過程CAE分析的基礎(chǔ)上，提高回彈預(yù)測的準(zhǔn)確性；
(7)同時考慮板料成形、回彈過程的宏觀變形和冷卻過程中奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變的微觀過程，開展熱沖壓過程的多尺度模擬研究，將成為超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析的一個重要方向；
(8)在理論研究的基礎(chǔ)上開發(fā)出專用于熱沖壓工藝的有限元模擬及優(yōu)化軟件，以便使工程技術(shù)人員可以利用模擬及優(yōu)化軟件對相應(yīng)零件的熱沖壓工藝進(jìn)行數(shù)值分析及工藝優(yōu)化，并根據(jù)模擬及優(yōu)化的結(jié)果制訂合理的熱沖壓工藝方案。
超高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)是世界汽車業(yè)今后的發(fā)展趨勢，而CAE分析技術(shù)是高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形的核心技術(shù)。國外熱沖壓CAE技術(shù)比較成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實際的模具生產(chǎn)中。但由于技術(shù)封鎖等原因，我國超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析的研究還不夠深入和系統(tǒng)，這極大地阻礙了超高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)在我國汽車業(yè)的應(yīng)用。大力開展超高強(qiáng)鋼板熱沖壓CAE分析技術(shù)的研究，才能打破國外在高強(qiáng)鋼板熱沖壓領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，促進(jìn)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一的汽車工業(yè)的快速發(fā)展，降低制造成本，提高企業(yè)競爭力，早日使我國從世界汽車制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜鐝?qiáng)國。
