热冲压成形（精选7篇）
热冲压成形 篇1
由于人们环保意识的加强和对汽车安全性要求的日益提高, 世界各国对汽车安全和环保法规的控制越来越严格。通过对先进高强度钢和超高强度钢的研究和使用, 提高了汽车的碰撞性能, 同时也为实现轻量化做出很大贡献。为了解决高强度钢板冷成形的难题, 人们研发出一种针对高强度、超高强度钢板的热冲压成形技术。与冷冲压成形相比, 热冲压成形具有成形后板料回弹量很小、零件的贴模性好、尺寸精度高等优点。
目前汽车厂家对整车的质量和经济性越来越重视, 而车身作为整车质量比例最大的单元, 承担着较大的减轻质量压力, 故大多数厂家对采用新技术特别是采用高强度和超高强度钢板材料提出了更多的需求。采用高强度钢板和超高强度钢板 (通常达到1000 MPa以上) , 使设计时可以在达到强度要求的同时有效减少钣金数量和材料厚度, 从而达到减轻车身质量的目的 (提高经济性) ;另一方面, 采用高强度钢板可以使车身更容易达到安全性能指标。目前的冷冲压工艺在对高强度钢板进行成形的方面存在着明显的不足, 无法满足设计的要求, 而热成形工艺可以弥补这个缺陷。因此, 热成形工艺技术目前广泛应用于全球各大汽车公司的多种车型, 重点使用在对碰撞要求较高的部位, 如门槛、前保险杠横梁、B柱、侧门防撞板等。
1 热成形技术
1.1 由来
高强度钢板冷冲压的瓶颈问题:
a.成形性差, 容易开裂;
b.成形精度差, 回弹大, 容易产生各种表面缺陷;
c.所需设备吨位大;
d.超高强度钢板冲压极其困难, 甚至根本无法冲压。
基于以上情况, 热成形技术应势而生。
1.2 原理
热成形工艺就是利用在高温状态金属塑性和延展性会迅速增加、屈服强度迅速下降的特点, 使用模具令零件成形的工艺。通过对特殊的高强度钢板加热到900℃左右, 使之易于拉延成形, 再经过速冷, 使钢板抗拉强度达到1 450 MPa以上, 从而达到零件超高强度的要求。目前, BENTELER所采用的热成形材料为BTR165 (钢板) 和BTR155 (钢管) , 两种材料的特性相差不大。BTR165在加热成形过程中强度、伸长率的变化如图1。
以本特勒公司BTR165材料为例, 其成形前后的材料性能如表1。
1.3 热成形工艺
热成形工艺流程如图2。热成形前, 常温下高强度硼合金钢板强度500~600 MPa;热成形后, 其强度超过1 500 MPa, 提高200%~300%。
a.把特殊的高强度硼合金钢加热, 使之奥氏体化;
b.红热的板料送入有冷却系统的模具内冲压成形, 同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火;
c.钢板组织由奥氏体转变成马氏体, 因而得到强化、硬化, 强度大幅度提高。
2 热冲压与冷冲压工艺对比
2.1 零件质量
(1) 热冲压工艺成形的零件特点
a.由于选择在高温下成形, 零件表面存在氧化, 表面质量不佳;
b.零件在冷却过程中由于温度分布不均匀, 易产生热应力和热变形;
c.由于材料的高塑性, 在成形过程中零件不易起皱和破裂, 基本没有回弹, 尺寸稳定性比较好;
d.材料通过加工变形和快冷, 晶粒得到了细化, 力学性能得到了提高。
e.材料经过变形和硬化后, 强度提高, 冷冲压切边冲孔已无法达到工艺和零件精度的要求, 需要利用昂贵的激光切割设备完成工作。
(2) 冷冲压工艺成形的零件特点
a.由于是在室温下成形和采用冷轧板, 零件表面光滑;
b.由于材料的塑性有限, 在成形过程中零件易起皱和破裂, 易回弹, 尺寸稳定性比较差;
c.材料在加工过程中产生了加工硬化。
2.2 生产设备
热冲压生产设备主要有落料压机、加热炉、液压机、水循环装置、激光切割设备、去氧化皮设备以及零件传送机器人。
冷冲压生产设备主要有落料压机、机械压机或压机生产线。
2.3 生产工装
(1) 热冲压工艺的工装 (如图3)
a.落料模和预成形模;
b.料片加热定位夹具;
c.热成形模 (在模具结构中需要设计出水冷却循环回路) ;
d.去氧化皮夹具和激光切割夹具。
(2) 冷冲压工艺的工装 (如图4)
a.落料模;
b.冷冲压系列工序模具。
2.4 国内热成形技术的应用状况
a.国内汽车钢板的主要供应商 (如宝钢) 对热成形技术非常重视, 已经开展了热成形高强度汽车板的研究, 并成功开发出商品化热成形用高强度硼合金钢板, 这无疑会推动热成形技术与装备在我国的发展和应用。
b.目前, 国内仅有一两家公司用高昂价格从国外引入生产线, 用于速腾、迈腾、宝来、奥迪等几款轿车的A柱、B柱、前后保险杠等冲压件的生产。
c.一汽、二汽、奇瑞、长安、吉利等汽车公司正在迫切寻求用该项技术来提高汽车的轻量化及安全性。
d.08雅阁车型在C-NCAP中得到5+的高分, 其中一个主要原因就是将高强度钢板的用量从13%提高到48%, 并且其中的关键部件如车门防撞杆等均采用热成形技术。
3 奇瑞公司在热成形冲压件上的研究与探索
3.1 热成形技术在车身结构上的应用
采用热成形技术可极大提高车身整体结构的刚度和强度, 大幅度提高整车碰撞安全性能与NVH性能;大量运用该技术可有效减轻整车的质量, 提高整车的经济性能。根据车身结构强度的要求, 车身以下部位推荐使用热成形件, 如图5。
3.2 热成形技术在某新车型B柱上的应用
(1) 性能分析
a.本新车型通过采用热成形工艺得到超高强度的车身零件。表2为采用不同工艺冲压后零件的性能对比。
b.改善冲压成形性, 控制回弹, 提高零件尺寸精度。
在某车型试制过程中, 由于B柱加强板上、下铰链安装面精度差, 与侧围外板组合焊接时, 与侧围外板之间存在间隙, 造成侧围外板上下铰链安装面扭曲, 匹配困难, 如图6。
B柱加强板采用热成形方案能有效解决这个问题。
c.提高车身安全性 (侧碰性能)
参照CAE侧碰 (C-NCAP) 分析报告, 采用热成形方案使B柱变形模式改善, 中部没有明显折弯, 门槛侵入有所减少。此次CAE报告中, 所用热成形材料的厚度为1.5 mm, 且没有B柱下铰链加强板。
目前, BXX车型B柱采用的是热成形技术, 具体方案与图5热成形方案类似, 不过料厚为2.0 mm。侧碰经CAE分析, 模拟通过IIHS法规, 结果为第二等级, 在可接受的范围内。
第四轮将根据新的数据进行CAE分析。
(2) 成本分析
表3为参照前期车型B柱加强板不同工艺下的模具费用统计分析。模具为国内制作, 后期存在单件精度差的问题。新车型若采用冷冲压方案的话, 为提高单件精度, 模具将在日本制作, 同时模具成本也将增加1.2~1.5倍。
从表3看出, B柱加强板采用热成形技术将使整车成本增加57.2元。
备注:按单边计算, 采用热成形技术成本比冷冲压成形多28.6元。
(3) 质量分析
图7为冷冲压和热成形方案下B柱单件示例。表4为参照前期车型B柱单件分别在冷冲压和热成形工艺下的质量分析。
(4) 热成形方案中, B柱采用不同料厚时的侧碰效果及减轻质量分析如表5。
a.热成形方案B柱采用1.8 mm料厚。
能使B柱部分单边减轻质量0.9 kg, 实现整车减轻质量1.8 kg。
b.热成形方案B柱采用1.5 mm料厚。
能使B柱部分单边减轻质量1.9kg, 实现整车减轻质量3.8 kg。
c.如果焊装能购置一台中频凸焊机, 就不需要B柱上下铰链加强板, 则能在上面2个减轻质量方案的基础上, 再减2.4 kg。
说明:若要通过欧美的碰撞法规, 采用热成形方案的话, 初步判断B柱料厚需采用1.8 mm以上的, 1.5 mm只能满足C-NCAP的需求。
公司BXX车型为2.0 mm料厚, 上海大众斯柯达-明锐为1.8 mm料厚。
(5) 方案可行性
由上述分析看出, B柱采用热成形方案对侧碰有改善效果, 且能减轻整车质量;热成形样片与冷冲压件的焊接经过验证也可行, 只是采用热成形方案单件费用略有上涨, 总体方案是可行的。
摘要：由于人们环保意识的加强和对汽车安全性要求的日益提高, 世界各国对汽车安全和环保法规的控制越来越严格。通过对先进高强度钢和超高强度钢的研究和使用, 提高了汽车的碰撞性能, 同时也为实现轻量化做出很大贡献。为了解决高强度钢板冷成形的难题, 人们研发出一种针对高强度、超高强度钢板的热冲压成形技术。与冷冲压成形相比, 热冲压成形具有成形后板料回弹量很小、零件的贴模性好、尺寸精度高等优点。
高强度钢板热冲压成形研究与进展 篇2
关键词：高强度钢板,热冲压工艺,模具设计
1 前言
21世纪初,高强度钢板热冲压成形技术从欧洲开始应用于汽车工业。从2004年开始,以欧洲学者为主的国外相关学者开始对热冲压成形技术进行研究;2008年,热冲压成形技术的强大应用前景及技术本身科学问题的复杂性引起了相关领域研究学者的广泛关注,在2008年以后召开的国际著名金属成形会议上开始设立金属热成形的讨论会[1]。目前高强度钢板热成形技术在全球按研究时间先后已形成3大研究梯队,第一梯队为欧洲团队;第二梯队为中国、日本、韩国;第三梯队为美国及其他国家。
随着汽车工业的蓬勃发展,板材零件、覆盖件的需求量日益增长,其加工成形技术在汽车工业中占有重要地位。由于全球节能及环保经济的迫切需要,汽车工业正朝着轻量化设计的制造方向快速发展。因此,汽车工业要进一步发展,在注重经济效益的同时,开发更为有效、更为先进的板材塑性加工工艺显得尤为重要。然而,对于汽车轻量化来讲,虽然近些年轻合金快速发展,但由于其价格昂贵,且成形工艺不够成熟等原因,主要材料仍是高强度钢板,其成形技术仍然是现代汽车工业的研究热点。
2 国内外研究现状
根据强化机理的不同,通常把高强度钢板分为普通高 强度钢板(DHSS)和先进高 强度钢板(AHSS)。普通高强度钢板包括高强度钢板(IF)、烘烤硬化钢板(BH)、含磷钢板、超低碳含磷钢板、各向同性钢板(IS);先进高强度钢板包括双相钢板(DP)、贝氏体钢板(BP)、相变诱导塑性钢板(TRIP)、复相钢板(C)、马氏体钢板(MP)等。根据强度的不同,通常分为高强度钢板和超高强度钢板。但是随着钢板强度的增高,变形抗力增大,成形性能也随之下降,成形后回弹大,且回弹数值不易控制,因此迫切需要一种新的成形工艺,即热冲压成形工艺来满足目前及未来的发展需求。热冲压成形工艺采用的是碳硼合金高强度钢板,由于微量硼元素的引入,不仅使钢板的淬透性得到有效提升,成形后生成的马氏体也可成倍地提高钢板的强度。
2.1 热冲压板材国内外研究现状
高强度硼合金钢根据成分的不同,可分为Mn-B系、Mn-Mo-B系、高淬透性的Mn-Cr-B系、高烘烤硬化细晶粒的Mn-W-Ti-B系。根据镀层的有无,可分为带镀层的热冲压钢板和不带镀层的热冲压钢板。目前在国际市场上广泛应用的热冲压板材以欧洲Arcelor Mittal公司出产的带AlSi涂层的USIBOR1500为代表,产品厚度为0.7~2.4 mm不等[2]。同时德国的蒂森克虏伯、韩国的浦项制铁及日本的新日铁等公司也正在积极开发热冲压高强度钢板。
近年来,国内宝钢集团一直在跟踪世界热冲压板材的冶炼、轧制及相关最新技术,从2004年底开始进行研发工作,2006年7月进行批量供货;其硼合金热冲 压钢板类 型分为两 种 ,一种为冷 轧B1500HS,产品厚度为0.7~1.8 mm;一种为热轧酸洗板BR1500HS,产品厚度为2~4 mm。与瑞典的SSAB公司的低碳硼合金高强度钢板22Mn B5进行试验对比,发现其力学性能与之相当,延伸率略好。
2.2 热冲压成形技术的国内外现状
近年,随着国际社会对节能减排技术的青睐,通过开展国际热成形技术研讨会,相关学者开始关注热成形技术的强大应用前景。目前,在国外尤以欧洲为主,对热成形的研究较为深入。Eriksson和Olde nburg通过热成形实验研究了材料温度、应变速率等相关问题[3],Hong Seok Kim等建立了等温及非等温成形过程杯形拉深件的成形极限理论分析模型,并通过与有限元实验结果进行对比验证了其正确性[4]。同时已有设备生产企业能够提供高强度钢板热冲压成形生产线。据统计,2013年全球已有159条热冲压生产线,热冲压零件的年需求量是3.5亿件,按照每条生产线150万件的年产能计算,热冲压生产线数量还将翻一番。
在国内,对于热冲压成形制造技术的研究或公开发表的研究成果相对较少,目前仅有大连理工大学、同济大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、宝钢设计院等有相关研究或研究计划。谷净巍等对超高强度钢热成形奥氏体化加热参数优化进行研究[5];林建平等研究了高强度钢板热成形板料温度的解析模型[6];邢忠文等对硼钢热弯曲成形进行了数值模拟分析[7];马宁及胡平等对高强度钢板热成形本构模型及实验分析进行了研究[8]。中国国内以宝钢和长春伟孚特为代表的企业已经能够为国内自主汽车厂商小批量生产热冲压成形件[9]。
3 高强度钢板材热冲压成形技术
高强度钢板的塑性加工成形也面临着很多问题。例如,在常温下高强度钢板成形困难,一般的成形工艺难以达到要求,而采用冷冲压工艺则导致回弹严重,零件尺寸精度很难掌握等。热冲压成形工艺应运而生,通过成形工艺中各种工序之间的协调以解决成形困难这一问题,如冷却工序可使零件在不同部位得到不同的微观组织;淬火马氏体组织可满足零件复杂的工况需求。热冲压成形工艺打破常规,构思新颖,是冲压成形领域的前沿技术,可广泛应用于汽车前/后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶构架、车底框架及车门内板、车门防撞杆等构件的生产。汽车车身上的板材冲压件见图1。
3.1 热冲压成形技术的原理
钢板热成形技术原理是通过加热低碳硼合金高强度钢板并保温一定时间,使之均匀奥氏体化,利用自动机械手迅速将板料转移到带有冷却系统的热冲压模具上冲压成形,通过冷却淬火并保压一定时间,使板料内部组织能够获得均匀的马氏体相变,从而得到抗拉强度高达1 500 MPa的超高强度钢板[10]。硼合金钢热冲压成形工艺流程[12]见图2。
3.2 热冲压成形的优缺点
随着汽车工业界对高强度钢板热成形(也称作热冲压)技术重视程度的提高,对热成形工艺技术优势的提出就显得尤为重要,主要包括成形屈服强度超过1 200 MPa、抗拉强度达1 600 MPa的复杂承载汽车构件;在高温状态下,材料塑性性能增强,可减小回弹的影响,并且可提升零件精度,成形质量好;对于抗冲击承载构件来说,在发生碰撞时吸附冲击能量较强,可以有效地抵御撞击,具有良好的抗变形能力。综上所述,热成形工艺在改善成形性能的同时提高了汽车的安全性能。
与冷冲压成形工艺相比,高强度硼合金钢的热冲压成形工艺具有以下几个优点。
a.成形性好。热冲压成形性比较好,而经冷冲压成形应用于复杂车身零件上的超高强钢(特别是强度高于800 MPa的钢种)极易开裂。
b.零件尺寸精度高。比较容易满足装配精度要求,相同原始材料冷冲压U形件与热冲压U形件外形对比[13]见图3。
c.成形所需的压机吨位小。一般而言,800 t的压机就能满足绝大部分车身零件热冲压的需求,冲压噪声小。
d.车型碰撞性能优异。采用热冲压零件的某车型进行正面碰撞试验,驾驶室完好;可在更高程度上实现零件减薄高强化,在保障车型碰撞特性的前提下有效地实现轻量化,降低了汽车油耗和排放。
e.有效提高零件的表面硬度及耐磨性。
f.简化车身结构和零部件设计,有效减少加强板数量。
热冲压成形技术也存在以下缺点。
a.生产效率低。生产节拍一般不足冷冲压的1/2,一般需要后续离线的激光切割工序,产品批量切割定位相对困难;工艺复杂,冲压、激光切割、喷丸等工序都会影响到零件的尺寸精度;需要大功率加热炉工作,能耗相对较大。
b.模具复杂。模具设计、加工难度大,制造及调试周期长,模具及其配套工装价格高,维护成本大;单件价格相对较高。
c.工作环境相对较差。非镀层钢板热冲压后会产生氧化皮;对外部气候环境有一定敏感性,特别是在样件制作过程中。
3.3 热冲压成形技术的分类
热冲压成形技术包括间接热成形和直接热成形两种工艺。间接热成形工艺是指具有复杂形状的汽车承载构件需先经过冷冲压进行预成形,然后放置在通有保护气体的连续加热炉内,加热温度达到共析温度以上,保温一段时间后使之完全奥氏体化,然后迅速转移到热冲压模具内,在冷却系统的辅助下进行最终成形及淬火[14]。间接热成形工艺流程见图4。
间接热成形工艺的优点如下。
a.可以获得目前几乎所有的汽车承载构件;
b.板料预成形后,缩短板料有效宽度,进而对连续加热炉送料口的尺寸要求降低,对于大型汽车覆盖件来说,利用此工艺方法可避免因板料宽度大于送料口宽度而不能进行加热的问题;
c.由于板料淬火硬化后加工困难,故板料预成形后可直接进行修边、翻边、冲孔等工艺加工。
直接热成形工艺是指把板料直接放置在通有保护气体的连续加热炉内,加热温度达到共析温度以上,保温一段时间后使之完全奥氏体化,然后迅速转移到热冲压模具里,在冷却系统的辅助下进行最终成形及淬火[14]。直接热成形工艺流程见图5。
与间接热成形工艺相比,直接热成形工艺有以下优点。
a.仅需1套模具便可满足成形及淬火工艺要求,在降低冷冲压预成形模具加工成本的同时提高了生产效率;
b.板料加热前形状规则,其所需要的加热空间大大降低,进而可批量加热,在节约能源的同时提高工作效率。
直接热成形工艺也有不足之处,例如形状复杂的汽车承载构件不易成形、模具冷却系统的设计更具有挑战性,以及需要增加激光切割设备等。
4 热冲压成形模具
热冲压模具可用于冲压件的精确成形,同时还兼具保压淬火的功能。因此,在设计热冲压模具时不仅要考虑冷冲压模具设计中的常见问题,还需保证模具具备良好的冷却能力,这就使得热冲压模具的设计更加复杂,对模具材料的选择、模具结构及配套设施的设计要求更加严格,在设计中需对模具的整体要求进行综合考虑。
4.1 热冲压模具研究现状
欧美国家的热成形技术起步较早,关于热冲压模具设计的一些基本参数已经比较完善,如凸凹模圆角半径、模具间隙、水道位置参数等,但由于涉及商业机密且对国内完全技术保密,目前国内还未能够完全掌握热冲压模具的设计制造原则。热冲压模具设计基于传统热锻模具与冷冲压模具的设计方法和原则进行开发,如模具材料选择、圆角半径设计及表面光洁度等。热冲压水冷模具设计关键在于其是否具有高效合理的冷却系统。国内如同济大学采用解析法与计算机数值模拟相结合的方法,分析冷却水流速度对模具向支撑柱、水流传热的热流密度的影响,进而获得基于模具的冷却水临界水流速度,但该类型模具并不适用于大规模批量化的热冲压生产线使用,无法为实际生产提供有力支撑。通过对连续自动化生产需求的热冲压模具工况进行分析,掌握适用于批量化生产的热冲压模具设计制造原则,是提升国内热冲压装备制造业生产能力的当务之急[15,16,17]。
4.2 模具设计要求
由于热冲压模具在成形的同时也必须具备保压淬火的能力,因此相对于冷冲压模具,对热冲压模具的设计提出更高要求。
a.良好的成形能力。与冷冲压相同,热冲压成形过程是通过模具对板料施加压力进而使板料发生塑性变形从而获得一定尺寸形状的冲压件。相比冷冲压,热冲压在成形过程中对于板料的厚度均匀性提出更高的要求,板料的局部减薄或增厚都会严重影响冷却效果从而严重影响成形件质量。因此在设计模具的同时需保证成形件的厚度及成形件的尺寸精度。
b.良好的冷却能力。冲压件在保压淬火的过程中,需满足一定的冷却速率使冲压件能够完成马氏体相变,且冷却速率越大,马氏体组织越细,冲压件的力学性能越好,因此,热冲压模具设计时,首先需保证足够的冷却速率;热冲压模具设计时不仅要求冲压件能够进行充分的冷却,还需保证热冲压件的各部分冷却均匀,从而获得品质均匀、各部分力学性能一致的冲压件;由于热冲压模具长期在高温下工作,需保证模具使用寿命及对板料具备持续良好的冷却能力,因此在设计热冲压模具时需保证良好的散热能力,使模具在长期工作中具备热平衡性。
c.良好的供水系统。在实际生产中,热冲压模具使用冷却水进行冷却,对于尺寸较大、形状复杂的冲压件,为使热冲压件各部分冷却均匀,将模具设计成为多个模块的组合,且各模块之间独立供水。在设计供水系统时,需对统一供给的冷却水进行配流,保证对各模块提供流速一致的水流使各模块模具冷却能力一致。
d.模具导向装置与板料定位装置。在生产中,为使板料精确成形且有效利用板料,在模具设计时需对板料进行准确定位以便模具工作时保证模具的冲压方向。
e.良好的结构设计。在设计模具结构时,首先需使模具满足使用要求生产出合格的冲压件;同时由于热冲压模具内部排布冷却管道,在模具设计时需考虑模具的结构强度;对于模具的整体设计,要求模具结构简洁,装置简单,合理地安排、设计模具结构以便模具的使用与维护。
4.3 模具材料的选择
对于热冲压模具材料的选择,首先需使材料满足冷冲压模具材料要求的性能即较好的耐磨性、较高的硬度、足够的强度与韧性、较好的切削加工性能、良好的抗粘附性、以及热处理变形小。
由于热冲压在成形后需对板料进行冷却淬火,因此热冲压模具材料的选择须满足以下要求。
a.良好的散热性。选择的热冲压模具材料应符合比热容较小、导热率高的要求以保证模具具备良好的冷却能力;
b.由于热冲压模具长期在冷热交替的环境下工作,因此在选择模具材料时,要求材料在温度剧烈变化时能够保持良好的力学性能,高低温交替时保持尺寸的稳定,同时模具材料需具备在冷热交替环境下工作的抗疲劳性;
c.由于模具对高温板料成形,因此,模具材料在高温条件下须具备较高的强度;
d.由于热冲压模具内部排布着冷却管道并通入冷却水,易导致模具锈蚀,因此要求模具材料具备一定的抗锈蚀性。
我国传统 热作模具 钢主要包 括5Cr Mn Mo、5Cr Ni Mo和3Cr2 W8V三个钢号。国外较有代表性的包括瑞典的QR090M、日本的QDH、德国的GS999等,这些钢都具有较高的高温性能和冷热疲劳性能。此外,我国也自主研发了HM1、Y4、Y10、HD等代表性钢种。这些均可作为热冲压模具材料的选择,实际生产中根据具体工艺,综合考虑压力、温度及成本等因素决定最优选择[14]。
4.4 凸凹模半径及间隙的选择
模具凸凹模圆角半径的大小是影响拉深件质量的关键因素。拉裂是冷冲压件的常见缺陷,由于热冲压中存在热应力,产生拉裂缺陷的趋势会更加明显。凸模圆角半径过小会使板料的垂直部分与底部过渡区的弯曲变形过大,削弱危险断面的强度。而凹模圆角半径越小,板料侧壁传力区承受的拉应力就越大,这两种情况都会使拉深系数变大,增大板料的变形阻力,导致板料与模具之间产生剧烈热摩擦,从而导致产品表面质量下降及模具寿命降低。若加大凸凹模圆角半径,虽然可以降低板料变形阻力及极限拉伸系数、提高拉深件的质量、减小拉深件的壁部变薄程度,但是板料会由于过早脱离模具而导致拉深件起皱。
由于受到模具实际形状的限制,凸凹模圆角半径必须控制在一定范围内。因此在确定凸凹模半径时必须综合产品的变形特点、拉延筋设置等因素。
在设计凸凹模间隙时一般应该考虑板料与模具之间的热摩擦、板料的流动阻力、零件的表面质量及成形精度、以及模具的寿命;板料与模具之间的接触状况主要影响传热,凸凹模间隙大,板料与模具之间的接触不良等会影响零件的冷却效果。
综上,模具间隙过大会影响零件尺寸精度、冷却效果,且制件易起皱。间隙过小会增加热摩擦阻力,使板料容易被拉裂,且易刮伤模具表面,降低模具寿命。因此凸凹模间隙的确定非常重要,既要考虑板厚的公差,又要考虑板料在拉深过程中的增厚或减薄,同时还要根据拉深时是否采用压边圈、零件尺寸精度、表面粗糙度等要求综合确定。
5 热冲压成形技术关键问题
目前,高强度钢板热冲压成形技术虽然取得了一定的成果,但对其关键问题的研究还不够系统和深入,从而限制了热冲压成形技术在工程中的广泛应用,主要体现在以下几个方面。
5.1 材料成形温度、降温速率及相变行为的本构关系
在材料本构关系研究中,热冲压过程耦合了传热和力学性能。在一定的板料升温速度和降温速度下进行高温拉伸试验,根据应力-应变曲线可进行本构描述,但考虑到成形过程中不同板料降温速度使构成各相的体积比不同、应力-应变曲线也不同,因此可通过改变试验条件,获得考虑降温速率及相变行为等材料本构关系[18]。
5.2 成形温度、降温速率和相变形为的热冲压成形极限
在以弯曲为主的成形情况下,热冲压可避免弹性变形回复,但在对复杂部件进行成形工艺时,需要进行凸肚、深冲和凸缘等成形加工,须弄清它们在高温下的成形极限。变形阻抗不仅与温度有关,而且与冲头接触部分温度的下降及氧化铁皮的润滑效果会产生复合影响[18]。
5.3 热冲压零件的质量控制
热冲压零件最终质量既受宏观工艺条件影响,又由材料微观组织变化决定。一方面冲压过程中零件的温度不均匀性直接导致最终零件性能的不均匀性;另一方面控制冲压作业线的节拍与零件的最终性能呈对立关系。如果在冲压零件没有充分冷却时就从金属模取出,制品的硬度和形状精度均会下降。因此针对不同零件,在进行模具结构及其冷却系统设计时,改进冷却沟槽的布置,提高模具的冷却速度的同时,保障零件均匀降温,是热冲压零件质量控制的可行之举[18]。
5.4 连续加热炉
热冲压成形连续加热炉要保证板料加热到设定的温度充分奥氏体化,同时避免没有防氧化涂层板料的高温氧化脱碳,热冲压成形连续加热炉与其他加热炉相比具有独特的核心技术[17]。
a.车用高强度钢板大部分为薄板,要加热到设定的温度并保温充分奥氏体化,在整个生产过程中加热炉内须严格保证温度分布的均匀性;
b.对于没有氧化保护涂层的钢板,在高温下氧化脱碳非常严重,需要加热炉采取严格的气体保护措施;
c.加热炉部件均在高温下(超过800℃)长期连续运行,必须考虑部件的膨胀性能、高温疲劳、故障率及维修性等;
d.热冲压生产线需要满足设定的生产节拍,因此需要适合高温工作要求的上料、下料装置同时还需要有稳定的自动控制系统;
e.采用热冲压成形技术目的之一就是节能环保,因此也要求加热炉高效节能。
6 结束语
热冲压成形 篇3
板料在冲压成形过程中会出现不同程度的减薄, 如工件圆角处便为明显的变薄拉深。可通过分析研究圆角减薄程度 (用圆角减薄率表示) , 判断热冲压拉延件成形质量。影响拉延件壁厚最大减薄率的主要因素有模具尺寸和工艺参数两方面。模具尺寸主要包括凹凸模间隙和凹凸模圆角半径;工艺参数主要包括润滑剂、压边力、拉延系数和拉延速度。在模具尺寸已定的情况下, 上述因素中, 影响最大和最容易控制调节的成形参数为压边力的大小。一般来说, 过小的压边力, 则无法有效控制拉深过程中材料的流动, 板料容易出现起皱现象, 而过大的压边力则会使材料流动困难, 相应增加变薄破裂的趋势, 同时模具和板料表面受损的可能性会增加, 进而影响模具寿命和零件表面质量。
地板纵梁属于汽车结构覆盖件, 同一般冲压件相比, 具有形状复杂 (多为空间曲面) 、型面曲率较多、表面质量要求高, 结构强度要求大等特点, 且该件选用高强钢, 采用热冲压方式成形。本文通过数值模拟地板纵梁在不同压边力下热冲压成形的过程, 着重考察分析压边力与工件成形质量间的联系, 从而确定最佳成形质量时的压边力。研究得出当压边力为200k N时, 工件成形质量最好, 同时零件厚度分布最为均匀。
1 地板纵梁冲压模型建立
使用三维造型软件UG建立地板纵梁及其冲压模具几何模型, 分别如图1、2所示。并将所得曲面模型转换为IGES格式导出。
2 有限元模型建立及仿真方案设计
2.1 有限元模型建立
将准备好的IGES格式的冲压模型导入PAM-STAMP, 对模型曲面进行自动网格划分, 设定初始网格尺寸为5mm, 满足网格密度对仿真的精确度要求。
模拟材料为热冲压专用材料22Mn B5, 板料初始厚度1.6mm;根据实际热冲压条件, 确定模拟工艺参数:冲压速度5000mm/s、冲压初始温度900℃、冲压时的摩擦系数约为0.4。
2.2 仿真方案设计
试验采用单一变量法, 采用相同的工艺参数分别模拟压边力为150k N、180k N、200k N、220k N、250k N、280k N时的热冲压过程。
3 实验结果及分析
冲压成形过程中, 压边力与工件成形质量间存在着比较复杂的线性关系, 从图3a、b、c、d、e、f可看出, 在其他工艺参数不变的情况下, 随着压边力逐渐增大, 板料厚度均匀质量指标提高, 起皱质量指标下降, 但达到一定值后, 随着压边力的继续增大, 板料的成形质量开始下降, 板料厚度分布出现不均匀现象, 并出现起皱和拉裂。
4 结论
通过对汽车地板纵梁的热冲压有限元仿真分析发现:
(1) 在冲压初始温度、冲压速度等工艺参数相同的情况下, 不同的压边力对工件成形质量有比较明显的影响, 过小或过大的压边力都会影响工件的成形质量。
(2) 压边力为200k N时比较适合22Mn B5钢板的热冲压工艺的实际生产。
参考文献
[1]肖景容, 姜华奎.冲压工艺学[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[2]李泷杲, 王书恒, 徐岩.金属板料成形有限元模拟基础[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.
[3]王作成, 韩福涛, 崔国涛.圆锥形件变压边力拉深工艺的研究[J].塑性工程学报, 2006, 13 (2) :25-28.
[4]陈和清, 彭成允, 魏良庆.高强度钢板及其在汽车制造中的应用[J].模具工程, 2007, (8) :88-91.
关于弯曲成形在冲压成形中的应用 篇4
由于冲压加工具有生产效率高、生产成本低、操作简单、适合大批量生产等优点, 在我国现代化建设中有广阔的发展前景。冷冲压生产是当代金属冲压加工的重要手段, 近年来, 随着我国经济的腾飞和产品制造业的蓬勃发展, 冷冲压技术也相应进入了高速发展时期。在现今的机械加工中, 冷冲压弯曲技术在工业生产中被广泛的应用。在生产实践中, 当我们要生产圆形或弧形类的产品时, 通常不采取用设计中的理论尺寸来加工, 因为金属的弹性变形在里面起着作用, 使加工出来的产品产生回跳, 致使工件报废不能使用。通常所说的弯曲分自由弯曲和校正弯曲, 自由弯曲是指弯曲终了时, 凸模与毛坯、凹模未完全吻合或吻合后不再发生冲击作用。而校正弯曲是指凸模与毛坯、凹模吻合后继续发生冲击, 对材料起校正作用, 可抑制弯曲件的回跳。本文采取校正弯曲来设计制造, 保证产品的质量。
2 工件结构
2.1
图1中1、2处采取抛物线y=ax2来代替圆弧曲线。系数a在1、2处的分别采用a1、a2, 且a2=a1+x (x为工件厚度) , 采取旋转坐标轴的办法将方程处理成标准方程。
2.2
图1中3处中性层的半径的计算方程为:
r=r0+Kt
式中r0-内弯曲半径;
t-材料厚度;
K-中性层系数。
3 弯曲力
图示中的冲压力包括弯曲校正中部角及两台肩角成形力等。这些力不是同时发生或达到最大值的, 最初只有预弯力, 滑块下降到一定位置时开始压弯中部角及两台肩角, 最后进行校正弯曲, 中部角和起伏成形两台肩, 故最大冲压力只考虑校正弯曲力P2和起伏成形两台肩力F。
3.1 起伏成形力:
式中F-起伏成形力;
K-系数, 取K=0.9;
t-材料厚度;
l-加强肋长度,
σb-抗拉强度, 取σh=400Mpa
3.2 弯曲力:
P2=Sq
S-校正部分投影面积 (mm2)
q-单位面积校正力 (Mpa) 可查表确定, (如Q235取q=100Mpa)
注:K (V) 适用于V形弯曲。
P=F+P2
压力中心坐标公式:
一般情况下, 冲压力与线段长度成正比例关系, 压力中心坐标公式可用如下两式表示:
4 模具寿命
为实现压力机的高速化, 相应解决噪音和振动问题, 通常采用铸铁机身, 而且运动部件要求实现动平衡。为延长模具寿命, 可采用高寿命的新材料, 如硬质合金模具和模具表面强化处理。
硬质合金模具寿命, 可按下式计算:
式中L-模具总寿命 (冲次数) ;
MS-平均刃磨寿命 (冲次数) 。从连续使用5副硬质合金模具得出的平均值:MS=960000次
5 结论
在机械加工中, 冷冲压弯曲由于生产效率高, 生产成本低, 操作简单而被广泛的应用。采用抛物线代替正圆, 将自由弯曲改为校正弯曲, 将回弹计算在内, 工件的圆度大大提高。
参考文献
[1]薛翔.冲压模具与制造[M].北京:化学工业出版社, 2004.4.
[2]王孝培.适用冲压技术手册[M].北京:械工业出版社, 2001.3.
激光拼焊板的冲压成形 篇5
伴随汽车工业的发展, 激光拼焊板逐渐趋向于对不同厚度、不同材质以及不同表面处理钢板的拼焊, 此时才真正实现了汽车钢板激光拼焊的目的。
20世纪90年代, 由国际钢铁协会牵头全球32家钢厂和3家主机厂联合发起超轻钢车身计划, 该项目应用拼焊板零部件数量达到13件, 约占车身重量的45%。通过采用拼焊板技术, 使车身零件数量约减少25%, 车身减重20%, 抗扭刚度提高了65%, 振动特性改善35%, 并且增强了弯曲刚度。
目前, 激光拼焊板已广泛应用在汽车车身的各个部位上, 如行李箱加强板、行李箱内板、减震器支座、后轮罩、侧围内板、门内板、前地板、前纵梁、保险杠、横梁、轮罩、B柱连接件及中立柱等。
激光拼焊板技术
激光拼焊板技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术, 是通过高能量的激光将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板再冲压生产, 以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。轿车零部件采用激光拼焊板可以减少零件数量, 减轻构件重量, 为生产宽体车提供可能。激光焊接几乎可以不受限制地把厚度、牌号、等级、镀层等不同的钢板连结在一起, 制成各种形状的零件, 大大提高了汽车设计的灵活性, 不仅大大减少了模具数量, 还增加了材料利用率, 也使车身结构大大简化。拼焊板工艺的出现解决了由传统单一厚度材料所不能满足的超宽板及零件不同部位具有不同工艺性能要求的工艺问题。如附图所示为分别成形、整体成形和激光拼焊成形生产轿车侧围外板的示意图。
采用激光拼焊板有着巨大的优势, 可以给汽车制造业带来显著的经济效益, 主要体现在:使整车零件数量大大减少, 简化了点焊工艺, 提高了车身尺寸精度, 减少了质量问题, 材料厚度的可变性保证了对重要位置的强化等方面。
激光拼焊板的冲压成形工艺性
拼焊板使用的技术问题, 最主要的是由焊缝区组织变化所造成的成形性能下降和焊缝移动等因素引起的工装制造难题。
1.拼焊板的冲压成形性能
对拼焊板成形性能的研究表明:
(1) 激光焊接后的焊接接头部位强度比母材部分有一定程度的提高, 厚度比率的变化对强度的影响没有材料等级比率变化影响大, 不同等级材料的焊接接头强度主要取决于低强度等级的材料。
(2) 焊接接头部位成形性能比母材有一定程度的降低, 随拼焊厚度差异和强度差异的增加, 成形性能降低。
(3) 对于不等厚拼焊板, 拉伸方向与焊缝方向相同时, 拼焊板塑性变形能力明显降低, 薄侧比例越小则降低越多。
(4) 拼焊板的拉伸破坏方式一般有两种:一是当焊缝与拉伸方向一致时, 由于焊缝的塑性比母材低, 焊缝部位往往被拉断;二是当焊缝与拉伸方向垂直时, 薄侧母材容易产生过量减薄而拉裂。
此外, 拼焊板在实际使用中不仅要关注其成形性能, 还要考虑到其不同的料厚差异对后续工序的影响, 如料厚差异较大或者性能差异较大的焊缝线应避免穿过小孔冲压位置 (易导致小孔折弯或断裂) 等。
2.拼焊板的焊缝移动及其工艺对策
焊缝移动是拼焊板区别于普通整板生产的根本因素, 也是产品设计及工艺分析是否成功的根本。根据拉延工艺理论和相关的实验论证可以得出以下结论:焊缝移动方向和移动距离主要取决于焊缝两侧材料强度比、焊缝位置以及拉伸压边力分布等。
由于焊缝移动量只能减小而不能消除, 这就需要在焊缝处不等厚模面侧一定范围内设定料厚空开面。空开面向料薄一侧空开, 压料面区域空开相应较大, 凹模凸模对应处相应较小。
采用夹紧装置可以明显改善焊缝移动程度, 使得焊缝移动量减少72.6%～84.9%。实际的车身覆盖件设计中, 也可以在产品结构可能的情况下, 在靠近焊缝处设计合理的加强筋等结构, 通过模具结构先成形焊缝部位从而控制焊缝的移动。
除采取必要的工艺措施控制和减少焊缝移动之外, 还应该在焊缝移动区对模具结构采用合金镶块等措施控制型面的磨损和拉毛。
3.焊缝移动的CAE分析
随着计算机技术的发展, 已经能够应用CAE手段对拼焊板的焊缝移动规律进行更为准确的分析, 这为产品设计提供了合理的依据, 也为制造工艺的合理化打下了坚实的基础。
中型车侧围内板拼焊位置的确定及其对成本的影响
某中型载货汽车驾驶室侧围分别由料厚0.75m m的侧围角板和料厚1.6m m的侧围内板组成。最初工艺为两个零件分别成形再焊接成整体。按该方案相应的冲压排样及材料利用效果可以看出, 该方案的缺点是材料利用率极低, 分别为36.2%和43.9%, 同时零件生产工艺性也较差。考虑到两件的装配关系, 初步判断如采用拼焊方式生产将有效改善产品工艺性和降低成本。
1.焊缝位置的选择
激光拼焊产品的设计意图能否通过工艺得到最好的实现, 其关键的环节就在于拼焊焊缝的位置选择是否成功。焊缝位置的设定不仅要考虑产品功能和结构的需要, 还要从冲压工艺性和成本的要求等方面综合考虑, 三者有机结合才会得到最优的设计结构和整车质量。
依据拉延理论和拼焊成形技术的研究成果等要求, 可以得到以下选择焊缝位置的基本原则:
(1) 焊缝的选择首先要满足产品结构和功能的要求。
(2) 焊缝为直线, 且最好保证在完成工艺排样后为方形板料拼焊。
(3) 焊缝应避免穿越产生拉延效果很大的区域, 特别要防止焊缝平行穿越成形R区域。
(4) 由于不同料厚的冲裁间隙差异, 要尽可能避免焊缝穿越小孔冲裁位置。
产品最初设计结构为弯曲的折线, 以该曲线为焊缝是拼焊技术目前所不能满足的, 同时该曲线在一端会由于拉延时焊缝的移动造成小孔处可能出现0.75m m、1.6m m两种料厚, 这容易导致小孔冲头的弯曲或折断, 因而需要重新选择焊缝位置。
按照焊缝设定原则 (1) 和 (2) 的要求首选的焊缝位置主要缺点在于拉延时焊缝向厚料移动仍会使拼接处的孔出现不同料厚, 同时由于凸包起伏形状较大, 可能出现拉延开裂。所以需将拼焊线进行调整至基本满足要求。
2.成本因素对焊缝位置的影响
东风某车型侧围初步设计阶段的拼焊线经CAE分析后的结果为焊缝沿线严重开裂, 其主要原因在于孔处靠近R角, 变形剧烈。
考虑该件的造型特点, 完全满足工艺性的焊缝线应该调整。完全满足工艺性的方案1.6m m厚料区明显加大, 因而零件重量加大、材料消耗也明显增加, 所以该方案也不是最佳的结果。
结语
激光拼焊板已广泛应用于汽车制造业, 采用激光拼焊板工艺不仅能够降低整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率, 而且可以减少外围加强件数量, 简化装配步骤, 同时使车辆的碰撞能力、冲压成形率和抗腐能力提高。此外, 由于避免使用密封胶, 也使其更具有环保性。
汽车冲压件成形及其缺陷分析 篇6
1 冲压件成形的过程
汽车的冲压件是通过对板料进行切割并且利用模具对材料进行加压,拉伸等等各种过程将普通的材料进行塑形变形,最终形成具有一定的形状、尺寸和功能的汽车冲压件,这些冲压件在后期进行汽车的拼装最终成为汽车的零件,可以说它们在车的结构中占有很重要的比例。这些冲压件包括了汽车的外部结构零件和内部结构零件,外部结构零件因为拼成了车的外身,所以要求不仅仅是功能上要抗压能力强还要大气美观,不能有皱纹、凹凸的痕迹,不能有拼接处不平而凸起等等不足,内部零件要求非常精密,保证汽车的质量安全,这些都对汽车冲压件的成形提出了较高的要求。
2 冲压件成形的特点
2.1 冲压工艺性好
冲压件在成形的时候大多是采用的冷冲压,这种冲压的方法非常的普遍,并且具有很多的优点,例如说在良好的冲压下,经过精密的加工可以得到许多用其他方法没有办法得到的零件,它们大多形状非常的复杂,或者说很小巧精致,这些都是其他制作方法无法很好的做到的。
2.2 质量得到保证
利用冲压制作的零件和汽车部件一般质量都比较高,因为它是采用机器进行的加工,所以它在大小尺寸上精确度很高,并且不会出现第一个冲压得到的部件质量高,形状好且尺寸精确,但是下一个冲压得到的部件却缺胳膊少腿,尺寸和要求的不符合的现象,质量比较稳定,一致性较高。汽车的冲压件多是对金属材料进行塑性变形,把普通的金属材料通过冲压制作成汽车的零件,保证了汽车的零件都是金属材质,汽车的质量也得到了保证。
2.3 成件效率高
在对金属材料进行冲压制作汽车冲压件时,材料大多是整块的金属材料,只要我们进行好规划,利用压力机进行冲压的时候可以合理的利用几乎所有的金属材料,可以避免人为操作的时候因为裁割的大小不符合要求需要进行再次切割而导致的材料浪费。这样就大大的节约了材料的使用,降低了成本和浪费,提高了材料的利用率。并且汽车冲压件的生产效率大大提高,机械化的生产不仅安全经济,而且质量较高。
3 冲压件成形的缺陷
3.1 切割材料出现毛刺
在将冲压件材料从板料里切割下来时,在材料的边缘经常会出现许多的刺状物,它们有的很薄有的较厚,但都会比较高,比较明显,这就是在材料切割中经常出现在切割后的材料切割边缘的毛刺。毛刺的产生有两种情况,一种是因为进行切割的机器的凹凸模之间的间隙过大,导致切割处不在同一线上而出现了高且厚的毛刺;另一种状况是凹凸模之间虽然是有间隙的,但是并不大或者是因为长期的使用而使刀刃磨损,这样会出现高但是薄的毛刺。因此我们要调整好凹凸模的间隙,定期对刀刃进行检查,磨损了的刀刃要进行研磨。
3.2 拉伸时起皱
汽车的冲压件材料厚度不一,当需要薄的冲压件时就需要我们对它进行拉伸,拉伸有时候会出现起皱的现象,例如边缘会呈现波浪形状,高低不平,严重影响了后期的拼接工作。当然也有一种起皱就是在拉伸一些类球形状的冲压件时在侧壁会出现凹凸不平的起皱,这些起皱不仅仅破坏了美观,还会导致汽车冲压件在后期进行汽车组装时和别的器件不匹配的现象出现。从根本上来说,之所以会出现起皱的现象是因为在拉伸的时候材料受力不均衡导致的,例如在拉伸平板时压力不均会导致材料中间和边缘受到的力不平衡,例如在拉伸球状的材料时,若是球外力和球内力无法达到一个平衡点,会导致球内材料挤压后出现凸起的褶皱。对于这些需要我们注意拉伸的程度,必要时利用辅助工具防止材料拱起,或者加厚材料。
3.3 拉伸时破裂
拉伸除了会产生起皱以外,若是拉力过大,超过了材料实际具有的抗拉强度,也就是说超过了材料的承受能力就会导致材料破裂,大大浪费了材料,同时也浪费了很多人力物力,因此我们应该注意防范。在拉伸的时候往往不是薄的地方容易出现破裂,而是变形最大的地方容易产生破裂,这说明在需要进行大幅度的拉伸的地方,我们可以进行提前措施和拉伸后的修补,例如可以在拉伸的地方打上工艺孔或者进行工艺切口,帮助在进行弯曲较大的拉伸的地方减轻拉伸所需要的拉力,避免拉力过大。
3.4 拉延成形时反弹
在进行拉延成形的时候经常会进行弯曲拉延成形,但是因为力的作用,在我们进行拉延后冲压件还很可能出现反弹的现象,导致最终得到的冲压件和我们想要的冲压件的实际尺寸出现较大的偏差,严重影响了冲压件的质量问题,导致得到的冲压件不能正常使用。拉延成形过程中出现的反弹现象如今可以用回弹加工型面的补偿技术来进行解决,但是这并不能完全解决问题,还需要我们进行进一步的研究,提出更好的解决办法,避免材料的损失和工作效率的降低。
4 结束语
汽车冲压件在汽车配件中占有很大的地位,不仅仅是因为它几乎包括了汽车的整个结构,而且对于汽车的性能也有一定的提高。汽车的冲压件包括了汽车外部的车身还有汽车内部的一些结构,这些都要求我们在汽车的冲压件上要认真对待。汽车的冲压件虽然有许多的好处,但是同样的也有许多的缺陷,这些缺陷需要我们去攻克,在汽车冲压件的制作过程中去考虑,注意和避免,这样才能够更好的帮助汽车提高自身的抗压能力和整体车身的协调性。
参考文献
[1]张荣清.模具设计与制造[M].高等教育出版社.
[2]汽车工程手册[M].人民交通出版社.
热冲压成形 篇7
有限元广泛应用于实际工程中的各个领域, 目前存在两个制约有限元进一步在应用中推广的关键问题:一是计算效率问题;二是计算准确度问题。由于计算准确度问题涉及有限元理论本身, 故本文暂不考虑计算准确度的问题, 仅集中讨论如何有效缩短有限元计算时间这一关键问题。
到目前为止几乎所有的有限元计算程序都是利用计算机的中央处理器 (CPU) 来进行的, 有限元计算过程需要反复迭代计算, 一个复杂的问题需要花很长的时间来进行计算。这对于实际工程应用而言是无法容忍的缺点, 也完全不能满足实际工程的需要。
为了提高计算速度, 前期科研人员已经做了大量的研究工作, 包括算法改进 (如减基法, 使计算速度提高百分之几十) 和硬件的改进 (使用CPU多核并行计算以提高计算速度) , 但是计算效率的提高还是不能完全满足实际工程的需要。
如果能够在大型计算机上利用多CPU分块并行计算的基础上将并行程度更进一步提高, 就有希望解决计算时间这一制约有限元进一步推广应用的瓶颈问题, 本文提出了一种利用图形处理器 (GPU) 进行有限元计算加速的方法。利用GPU实现计算加速已经应用到了很多领域[1,2], 特别是图像处理领域尤其突出[3,4]。近几年科学计算也初步应用到了GPU[5], 但是到目前为止还没有文献提出利用GPU加速有限元成形仿真模拟计算。本文中, 将数据从CPU传到GPU中定义为传入, 而将数据从GPU传到CPU称为传出, 后文如不加特殊说明, 则传入、传出的含义即为定义所述。
1 有限单元计算GPU实现
1.1 GPU计算流程
GPU运行的代码是采取流式编程模式进行编写的, 这和CPU的编程模式完全不一样。在流式编程模式中, 所有数据都表现为流。流的定义如下:具有相同数据类型的数据的有序集。对于需要求解的有限元问题而言, 所包含的单元具有相同的数据类型, 单元形状即使网格有四边行和三角形混合的情况, 也还是将三角形网格作为退化的四边形网格处理的, 因此可以将所有单元的数据组成一个具有相同数据类型的有序集, 构成了符合GPU特点的数据流。
根据有限元理论可以得知[6,7,8], 每个单元计算时有很大一部分计算不需要与其他单元进行数据交换, 每个单元计算形成了一个闭环, 这非常符合并行计算的要求。因此, 有限元不需要交换数据的这一部分计算是符合流式编程要求的, 完全可以通过流式编程来实现在CPU中只能通过循环才能实现的功能。
图1是GPU图形处理的流程图, 为了使计算也能在显卡上实现计算功能, 必须对这一流程进行改变, 图2就是改变后的GPU计算流程图, 从图2中可以看出, 对图1作了很大的改动, 简化了流程, 原有的顶点处理程序被弱化至省略了, 而全部的通用计算被移植到片元处理阶段, 直接通过纹理的方式将需要计算的数据传入片元处理程序进行渲染方式来实现, 单元计算渲染过程也简化如下:
(1) 创建并绑定一个离屏缓存 (FBO) 为当前绘制目标, 与单元节点坐标纹理建立关联, 色彩缓冲中的值分别更新为视点坐标系下的单元编号数组、单元节点对应关系数组、单元节点初始坐标值、单元节点初始速度、边界条件。
(2) 索引渲染单元需要的数据。在着色器中, 从单元编号数组纹理中读取单元号, 根据单元编号从单元、节点对应关系数组中读取该单元所包含的节点编号, 按照节点编号分别对单元节点速度、位移、边界条件纹理进行索引, 得到渲染该单元时所需要的全部数据。
(3) 绘制单元。根据有限元理论, 计算所有单元在成形过程中的参数变化, 计算完成后输出计算结果。
1.2 数据映射
要利用GPU实现并行计算功能, 必须将原来适合CPU计算的数据结构转换成适合GPU计算的数据结构, 这个转换过程在计算开始前就必须完成。CPU计算时基本都是利用数组来存储数值的, 在GPU中本文采用了RGBA、RGB这两种格式的纹理作为数据交换的载体, 单元节点的数据从CPU映射到GPU的具体过程如图3、图4所示, 图3、图4中小括号中的数值代表单元、节点数组的下标, R、G、B、A表示四条颜色通道, 也是数据存储的地点。从图3、图4中可以看出原来包含单元、节点信息的多维数组经过两次映射变化后分别被存入了不同纹理单元的颜色通道 (R、G、B、A) 中, 计算过程中再分别取出所需要的数据, 这样就将原来数据转换成了图像格式的数据。计算完成后单元、节点的信息也要通过这种映射方式将信息都存放到纹理的颜色通道中, 图4说明计算结果经过两次映射传到CPU中, 和数据传入映射操作刚好是相反的, 计算得到的单元节点信息数据需要从纹理映射到数组中, 存储在纹理颜色通道 (R、G、B、A) 中的单元节点信息数据通过两次映射被转换都成了储存在数组中的数据。通过这两种反向数据映射操作, 数据就成功在GPU与CPU之间进行了交换, 达到了CPU数据格式与GPU图像数据格式的相互转换目的。
1.3 GPU、CPU计算流程对比
显式有限元问题求解过程是通过一定次数的迭代求解出结果, 在CPU中是在一个结束计算的条件限制下, 通过嵌套循环对每一个单元进行迭代使问题得到求解, 对CPU计算程序不同部分的计算时间测试研究表明, 要缩短计算时间的较理想状态是将时间积分开始后的全部循环都并行化。受到GPU程序本身特点的制约, 如果求解过程中多次出现以下两种情况会严重影响计算效率:①GPU编程对处理过程的一致性要求很高, 分支判断会严重影响计算效率;②GPU要求有较大的并发度来保证性能, 不适合小批量的计算任务。
通过测试发现, 内力求解过程中分支判断少, 而且内力求解是针对所有单元都必须进行的一个过程。单元内力计算部分的迭代过程花费的时间相对比较长, 有限元求解的大部分计算任务就是利用循环求解单元内力, 只有缩短求解每个单元内力所需时间, 才能提高整个求解过程计算效率。
从上述分析可以看出单元内力求解过程很适合并行计算, 因此本文就采用了只将内力求解过程并行化处理的方法。CPU程序计算与 GPU程序计算流程分别见图5、图6。对比图5和图6, 两者最大的区别就是单元内力计算方式不同, CPU是通过循环嵌套方式求解的, 而GPU是通过同时对所有单元求解内力增量然后再将计算结果传回到CPU的方式完成计算的, 通过这种GPU、CPU相互配合的方式, 利用GPU的编程特点, 将有限元内力增量求解过程实现了并行化。
1.4 内力增量并行求解及共节点问题处理
单元内力增量求解过程并行化示意图见图7, 一台PC机的GPU包含了N个流处理器 (相当于CPU) , 从图7中可以看出, 通过硬件自身设计, 内力求解过程利用GPU实现了并行计算, 利用GPU计算也涉及不同单元共节点的单元号、节点号等数据。从图7可以看出, 内力增量计算过程也可以人为地分成两部分, 一部分是计算过程并行进行, 所有计算任务完成后需要把计算结果传出到CPU中;第二部分就是GPU与CPU之间的数据交换过程, 这个过程只有当所有单元内力增量计算完成后才会开始, 也就是说在GPU的缓存中就实现了所有单元内力增量计算同步, 不同单元共节点所有信息被保留到了缓存不同位置, 当计算得到的数据被传到CPU后再利用原来的串行计算代码将所有单元节点信息更新, 这个更新过程完全是在CPU进行的, 不涉及GPU运算。
仿真过程中只要保证所有单元的计算能同步, 共节点的更新就不会引起误差。CG (C for Graphic) 这种开发工具本身有一项功能, 就是保证所有片元程序都全部完成后, 才会将计算结果从GPU的缓存区通过映射机制映射到CPU的缓存区, GPU同步机制见示意图8, 从图中可以看出, 只有当所有的片元计算程序全部完成后, 存储在GPU缓存的数据才会映射到CPU缓存中, 这个过程是由开发工具本身自动控制完成的, 不需要新加代码。从GPU传出的数据包括每个单元、节点信息, 节点内力增量等信息, 共节点同步更新也得到了保证, 避免了边界问题的出现。
2 算例
图9是某型号汽车顶盖板料成形示意图, 该零件是对称的, 取一半作为研究对象, 用湖南大学汽车车身设计及制造国家重点实验室设计的软件生成凹模、冲头、压边圈、板料, 分别利用GPU、CPU并行求解这一利用壳单元模拟板料成形的有限元计算问题, 在本文中利用前者计算时采用的开发工具语言是可编程序的着色渲染语言CG, 而利用后者计算时所采用的开发工具语言是C语言。
2.1 GPU求解过解
板料单元数量分别取不同值, 通过研究计算过程中变量中心地址, 本文设单元编号为in、节点号为gix、厚度方向的应力数值为gsig1～gsig6, 纹理大小设置成m0*n0;初始位移为gx、速度为gv, 纹理大小设置成m1*n1;考虑到输出计算结果的要求, 将视口大小设置成了m2*n2。
将单元节点的初始位移gx、速度gv、单元编号in、该单元包含的节点号gix、时间步长gdt、沙漏控制参数gqhg、杨氏模量gyms、泊松比gpro、厚度方向的应力数值gsig1～gsig6以及在计算过程中需要输出到CPU保存的中间变量都定义完成后按照前述的方法传入, 渲染过程中不同的单元根据这些变量各自的纹理中心坐标查找到相应的值, 完成片元渲染过程, 输出计算结果。
2.2 计算结果及分析
分别利用GPU和CPU模拟板料成形过程, 图10为板料冲压成形结果图, 图11为板料编号为41的节点在X、Y、Z三个方向位移计算结果对比图, 两者计算的结果基本一致, 相对误差最大不到5%, 基本能满足实际工程的要求, 两者误差产生的原因分析如下:
(1) 通过纹理向GPU传入数据时纹理格式只能是单精度浮点数, GPU计算完成后把计算结果传出到CPU中也有同样的问题, 也只能是单精度浮点数, 这会造成计算精度的损失。
(2) 利用GPU计算过程中凡是涉及开方、对数等运算时只能用单精度浮点数计算, 尽管涉及加、减、乘、除是可以利用双精度浮点数计算的, 这样也会造成精度的损失。
(3) 尽管最新的显卡NVDIAGTX285声称是双精度的, 实际上是不能完全满足双精度要求的, 是伪双精度, 这在计算中也会造成一定的误差。
CPU与GPU硬件型号分别为Intel Core (TM) 2 Quad CPU Q8200 2.33GHz和NVIDA GeForce GTX 285, CPU代码计算时只用到了CPU的一个核, 表1是同一个算例仿真成形计算完成后GPU、CPU分别消耗的时间及两者的比值对照表, 可以看出利用GPU的计算效率明显要比利用CPU计算的效率高很多。
3 展望
利用GPU加速计算还有一些问题需要进一步研究:
(1) GPU与CPU之间的数据通讯问题, 当单元数量不够大时, 这个时间对整个过程的影响往往起主导作用, 这可以从计算实例的结果看出, 这是设计数据结构时需要进一步研究的问题, 以达到将这种影响降低到最小的目的。
(2) 在利用GPU 的求解过程中, CPU与GPU每次循环都必须更新节点位移、速度、厚度方向的应力数值gsig1～gsig6等值, 计算完成后得到的中间结果又必须传回到CPU中参与接下来的计算, 相当于一次迭代循环中GPU与CPU之间发生了两次数据交换, 这也影响了计算速度。提高数据传输效率以及尽量减少两者之间的数据交换可以从硬件的改进和算法的优化两个方面着手, 而算法的优化应该是接下来考虑的重点。
(3) 如何提高GPU计算精度。要提高精度一方面是要从算法着手, 改进算法主要是考虑计算过程中大数和小数的处理。
参考文献
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