随着人们环保意识的逐步加强以及对车辆安全性能要求的不断提高，世界各国对车辆安全和环保法规的管控也日趋严格。 各大车企通过车辆轻量化，降低油耗和底盘废气排放（在众多降低油耗和排放的措施中，减轻车重效果最为显着。车重减轻10%，可节省燃油3%~ 8%）。 为了确保轻量化后仍能满足碰撞安全要求，各大车企在优化车架和结构的同时，将重点转向新材料、新工艺的应用。 在此背景下，超高强度厚板热注射成型技术应运而生。 超硬厚板热注射成型是将先进的高硬度厚板加热到奥氏体温度，然后快速注射成型的一种快速注射成型。 在保压阶段，通过磨具实现渗碳，并达到所需的冷却速度，从而获得均匀、光滑的组织。 硬度在100%左右的超高硬度零件的新型成型技术。 通过先进高硬度钢和超高硬度钢热注射成型技术的研究和推广应用，提高了车辆的碰撞性能，减轻了车辆的重量。
超高硬度厚板热注射成型作为一项新兴技术，该领域发表的成果较少，且存在技术封锁和垄断。 国外对超高硬度板材热注射成型核心技术的研究大多还处于探索和实验阶段，特别是CAE分析部分。 本文综述了超高硬度厚板热注塑CAE分析技术的研究现状，强调了存在的问题和发展方向。
1.热注射成型CAE分析研究现状
CAE分析作为超高强厚板热注塑成型领域的关键技术，可分为成形工艺分析（预测热注塑件的可制造性）、保压渗碳工艺分析（预测零件的显微组织和热性能）和回弹分析（预测零件的成形精度）3个方面，下面将详细阐述。
1.1 成型过程CAE分析
热注射成型工艺是指低温奥氏体状态的板材在热注射模具中在短时间内快速成型的过程。 由于板材处于低温奥氏体状态，高强厚板热注射成型过程的CAE分析必须首先获得高强厚板在低温下的热性能。
美国科学院在实验的基础上进行了相变试验和低温成形试验，得到了高强厚板热成形下的成形极限图（FLD）汽车高强度热冲压钢材，为热成形的有限元模拟提供了准确的数据。注塑成型。
国外，西安机电工程学院和材料科学与工程系将坯体加热到950℃左右，使其奥氏体化，并保温一段时间，使奥氏体均匀化。 在温和的非等温成型条件下进行了V形弯曲和通道成型测试，获得了最佳的低温热性能。 复旦大学选用了公司生产的高硬度厚板，对其低温热性能测试进行了相关研究。
其次，热注塑阶段的CAE分析还需要根据材料的弹性挠度、泊松比、高温下的挠度-应变关系以及厚板的摩擦特性来分析和预测热注塑成型的可制造性。
在美国，2002年，美国吕勒理工学院使用热模拟试验机对热注厚板进行低温压缩试验和热膨胀试验，获得材料的热性能和热性能数据，并构建了用于仿真分析的材料模型。 研究了热注塑过程中的成形力、片材长度分布和强度分布。 结果表明：在成形渗碳过程中，由于板料内部结构的差异，板料的热性能变化较大； 不同水温下应变率对流动偏转的影响不同。 日本德累斯顿工业大学通过有限元模拟和实验验证了钢材热注射成型过程中的参数变化。 在美国研究基金（DFG）项目的支持下，科尔多瓦研究所开展了渗碳厚板热注射成型工艺的相关研究，并于2005年开展了热注射成型基础研究。
在国外，近年来，北京马鞍山钢铁集团通过大量试验，在厚板热注塑件的可制造性方面取得了一系列突破，并能满足部分工业要求。 例如国外部分车型B柱加强板的工艺性分析（图1），以及零件的试冲及结果对比。 可以说，鞍钢的热注塑工艺性分析可以准确预测零件的热注塑缺陷，对于优化和提高零件及热注塑磨料的性能具有重要作用。 中国工程化学研究院计算机应用研究所和上海机械工程大学利用软件对直边小型厚壁半球形封头的热注射成型过程进行了模拟，并获得了一些热注射变形的滚压情况。 与磨具摩擦等因素对成型影响的数据，为板材热注塑成型技术的发展提供参考数据。 四川大学材料科学与工程学院利用三维弹塑性有限元模型和MSC.Marc软件对桥壳热注射成型过程进行了模拟分析。 通过对不同水温、冲压速度、摩擦条件下的成型工艺进行分析，发现桥壳热注塑过程中，挠度和湿度值似乎随着工艺参数的变化而变化。例如注射湿度，但其分布规律保持不变。 在此基础上，确定了最佳的热注射成型工艺参数，其中注射成型温度应低于700℃，注射速度应大于20mm/s。 复旦大学力学与材料学院以生产的高硬度厚板为材料，利用热模拟器和特种磨具，主要研究板材加热本体温度、内部组织结构模式、注塑速率的影响在热注射成型过程中。 注射成型的影响。 华北理工大学材料科学与工程学院和四川大学材料科学与工程学院根据会议提供的B柱热注塑测试题，对B柱热注塑进行了改进模型，并耦合数值分析以获得成型过程中的长度分布。 结果表明，截面宽度分布基本在测试结果的±5%范围内，且尾角处宽度蚀刻量较大； 热注塑的力和能量参数约为冷注塑的十分之一。
1.2 渗碳过程CAE分析
超高强厚板热注塑保压渗碳工艺是快速成型后，在磨具内保持压力的同时，颈部材料以一定的冷却速度从奥氏体状态渗碳，得到均匀的马氏体。得到结构部分。 的过程. 该过程的CAE分析主要基于磨具冷却系统的复杂热耦合分析来预测成型零件的结构和热性能。 图 2 显示了模压表面的模拟强度分布。 这项技术是目前世界范围内需要攻克的技术困境，至今还没有好的解决方案。 填充渗碳涉及零件内部结构从奥氏体到马氏体的转变，以及由此引起的零件热性能的变化。 为了提高保压渗碳CAE分析的准确性，首先要准确预测冷却水在设定的本体温度、压力和流量下流入模具冷却回路时对低温厚板造成的冷却速率。设定生产节奏下的流量，并考虑磨具冷却系统的分布形式和规格对整个零件渗碳过程的影响，进行复杂的热耦合分析，以预测零件的结构和热性能。
日本德累斯顿工业大学通过有限元模拟和实验验证了钢材热注塑和保压渗碳过程中温度和冲压力的变化。 英国戴姆勒克莱斯勒公司分析了热注塑渗碳过程模拟中可能出现的困难，并阐明了热注塑模拟中板料的接触传质和温度分布不均匀问题。 日本帕多瓦研究院于2006年利用热膨胀仪获得了连续冷却相变特征参数，发现马氏体相变起始温度为382℃。 采用热模拟试验机对材料进行连续冷却双向拉伸试验。 对不同初始温度和不同应变率下的流动挠度进行分析，发现温度是影响流动挠度的主要因素，应变率影响较小。 并参照该试验装置研制了新型低温成形性能试验装置。 印度阿拉克研究所研究了热变形条件对马氏体相变的影响。 通过热膨胀试验和热双向压缩试验，分析了初始变形温度、应变量和应变速率对马氏体开始相变温度和马氏体浓度的影响。
复旦大学机械工程大学和北京第二工学院机电工程大学利用传质基本理论对热注塑渗碳过程中的传质进行了分析。 他们根据其传质特性建立了分析模型，并通过实验进行验证，以得出结论。 热注塑过程中，厚板的温度呈指数变化。 复旦大学机械材料学院以公司生产的高硬度厚板为材料，利用热模拟器和专用磨具，研究板料在工作过程中内部结构、保压时间、临界冷却速率的变化。保压渗碳工艺（渗碳速度）、冲压模具温度变化等对渗碳效果的影响。 他们根据华北理工大学材料科学与工程学院和四川大学材料科学与工程学院提供的B柱热注塑测试题，构建了B柱热注塑模型，通过热耦合数值模拟对保压渗碳过程进行分析，得到热注射成型模型。 注塑过程中板材的空气温度和长度分布。 结果表明，片材边缘区域温度上升较快，但直至成型结束时温度均低于600℃，不会造成该处材料成型困难； 制件末端圆角处水温过高，局部温度过低会导致板材成型。 材料形成局部流动，导致蚀刻过度； 成型完成后，板材边缘区域水温较低，而尾部圆角和梁面水温较高，板材内整体温差在400℃左右。 为此，磨具冷却系统设计的关键是保证保压渗碳过程中板材温度变化均匀。
1.3 回弹过程CAE分析
保压渗碳完成并卸掉压力后，金属板料会发生热注射回弹。 弹性变形恢复导致零件的形状和规格发生变化并与模具不一致。 这些现象称为回弹。 由于是在低温渗碳条件下成型，回弹比冷注塑小得多。 这一过程中CAE分析的目的是借助计算机仿真技术来预测零件的成型精度。 但迄今为止，回弹分析仍然是整个注塑行业尚未得到妥善解决的全球性难题。 每届国际会议（钣金注射成型模拟会议）都有关于回弹的标准试题以及回弹CAE分析的阶段性和部分研究成果。 由于前期热注塑工艺分析和保压渗碳工艺分析的复杂性，最终阶段准确的回弹分析非常困难。 目前，行业基本通过制作样品模具进行试冲来测试零件的热性能和规格精度。 然而，这延长了模具设计周期并降低了厚板热注塑件的制造成本。
对高强厚板热注射回弹研究较多的美国东京工业大学的学者，对高强厚板热注射回弹和成型温度进行了理论研究，并验证了通过实验比较发现，在本体成形变形区或弯曲变形区温度低于750K时，成型件的回弹明显降低。 日本巴塞罗那东方研究所利用软件模拟了DP600和两种材料的注射回弹。
国外，西安工程学院机电大学和材料科学与工程大学利用软件对高强度厚板槽形件低温注射成型进行数值模拟研究。 构建了基于热耦合弹塑性有限元模型和热成型的材料模型。 通过对槽形件热成型的数值模拟，研究了压边力、模具间隙和模具圆角直径等工艺参数对热成型的影响。 分析了温度分布和回弹的影响，分析了热成形回弹的形成机理，确定了合适的工艺参数，并通过热成形试验验证了数值结果的可靠性。 图 3 显示了模拟的压边力对回弹的影响。 影响。 并对影响超高强厚板热注塑回弹的因素进行了研究。 通过等温和非等温试验，研究了变形温度、最终热成型温度和压边力对热成型后回弹的影响。 得出结论：热效应是产生回弹的主要原因，膨胀应变减少了热成型后的回弹量，膨胀应变和热效应是热成型回弹的主要原因。 另外，华北理工学院材料成形与磨削技术国家重点实验室采用回弹角作为回弹值，在/2006方法的基础上，对高强度材料的注射成型及回弹进行了数值模拟。分析厚板的长度、板料厚度、压边力、拉延筋及材料特性等因素对回弹值的影响。 研究发现，在一定范围内，随着压边力的减小，回弹值呈现减小的趋势。 该研究为超高硬度板材热注射回弹研究提供参考。
2、存在问题及未来发展趋势
超高硬度厚板热注射成型技术是一种较新的将板材热加工与渗碳工艺相结合的复合成型技术。 使超高硬度厚板变形抗力更小，塑性好，成形极限高，成型件精度高、硬度高。 但其CAE分析技术的发展还存在许多缺点和不足，主要突出表现在：
（1）作为一项新兴技术，超高强厚板热注塑CAE分析领域公开发表的成果较少，存在技术封锁和垄断。 在这一领域，各厂家也利用企业技术秘密实施严格的技术保护和封锁，报告中报道的是分析结果，而不是过程；
(2)准确的材料热性能数据是高强厚板热注塑CAE分析获得正确结果的前提。 目前，针对高强厚板低温条件下热性能的研究还较少。 结构转变及其对热性能的影响尚不清楚；
(3)确定导热系数和摩擦系数时也存在大量不确定因素，导致模拟结果与实际情况误差较大；
(4)热注塑模具冷却通道研究较少，磨具冷却通道的合理设计和优化还需进一步深入研究；
(5)对成型件回弹的研究较少，尚未找到合适的钣金回弹分析的理论标准。 因此，回弹分析仍然是整个注塑行业尚未妥善解决的全球性难题；
(6)缺乏专用于高强厚板热注塑成型工艺的有限元模拟和优化软件；
(7)高强厚板热注射成型过程的CAE分析，既涉及板料成形及回弹过程的宏观模拟，又涉及奥氏体向马氏体转变过程的微观模拟。 但目前尚无高强厚板热注塑成型过程多尺度模拟的文献报道。
因此，未来我们可以从以下几个方面加强超高强厚板热注射CAE技术的研究：
(1)以热注射成型工艺的成型阶段为研究对象汽车高强度热冲压钢材，利用试验设备检测材料在奥氏体状态下的强度、显微组织、流动曲线、材料热物理参数、力学性能参数和成型极限，完善了基于应变、应变速率和空气温度的奥氏体态宏观流动偏转模型的表示，为数值模拟研究提供了可靠的数据；
(2)为了获得均匀的马氏体组织，需要研究热注塑冷却阶段的相变机制，估计相关条件下的材料流动偏转和组织转变，并构建考虑的本构关系模型材料的成型温度、冷却速率和相变行为。 加强马氏体相变控制理论，即马氏体相变率、晶界尺寸和均匀性等的研究，为调质冷却过程的CAE分析奠定基础；
(3) 研究热注射成型成型过程中的热粘塑性有限元理论和建模技巧；
（4）研究热注塑过程冷却阶段的热弹塑性有限元理论和建模技巧；
（5）借鉴塑料磨具、挤压磨具在冷却水道CAE分析与优化设计方面的成功经验，深入研究高强厚板热轧冷却水道CAE分析与优化技术注塑磨具；
（6）大力开展超高强厚板热注塑件回弹CAE分析，在准确的成型过程和渗碳过程CAE分析的基础上，提高回弹预测的准确性；
（7）考虑板材成形及回弹过程的宏观变形以及冷却过程中奥氏体向马氏体转变的微观过程，对热注塑过程进行多尺度模拟研究，将成为一种超高强度厚板热注塑CAE分析的重要方向；
（8）在理论研究的基础上，开发专用于热注射成型工艺的有限元仿真与优化软件，使工程技术人员能够利用仿真与优化软件对热注射成型进行数值分析和工艺优化相应零件的成型工艺，并根据仿真和优化结果，制定合理的热注射成型工艺方案。
三、结论
超高强度厚板热注塑成型技术是世界汽车工业未来的发展趋势，而CAE分析技术是高强度厚板热注塑成型的核心技术。 美国热注射成型CAE技术比较成熟，已广泛应用于磨具磨具的实际生产中。 但由于技术封锁等激励因素，我国对超高强厚板热注射成型CAE分析的研究还不够深入和系统，极大地阻碍了超高强厚板热注射成型的应用。注塑技术在我国汽车工业中的应用。 大力开展超高强厚板热注塑CAE分析技术研究，可以打破美国在高强厚板热注塑领域的技术垄断，推动汽车工业快速发展是我国国民经济的支柱产业之一，降低系统成本。 增强企业竞争力，尽快将我国从世界汽车制造强国转变为世界汽车制造强国。
