高强度钢板热冲压是一种基于水冷模具淬火的高温成形技术,在车身上使用热冲压零件能够同时实现汽车轻量化和提升被动安全性。成形良好且机械性能均匀的热冲压零件有利于保障车体焊装性能并提高整车强度,而采用传统的热冲压基础工艺流程和直冷却水道模具无法完全满足复杂形状零件对成形质量和机械性能均匀性的要求。因此,改进热冲压基础工艺,并考虑热冲压中温度场和流场的传热耦合过程,对热冲压模具进行随形冷却水道的优化设计,制造出适合工业化应用的随形冷却水道模具对于改善热冲压零件性能具有重要的意义。本文针对热冲压中的工艺流程、高温板料与模具的界面传热、温度场和流场的传热耦合仿真、模具随形冷却水道的优化设计及制造方法进行了系统的试验和仿真研究。主要研究工作包括:(1)设计开展了系统的热冲压工艺试验,研究了板料厚度、初始成形温度、保压压强和保压时间对U型件硬度和回弹的影响,分析了 U型件主要特征位置的降温规律。基于热冲压基础工艺试验研究,提出了一种热冲压急冷工艺,该工艺能改善热冲压零件的成形性,提高硬度及其分布均匀性并减小回弹,而且在保证与基础工艺同工况零件具有相近性能的前提下,还可以减少成形所需的保压压强和保压时间。通过分析板料入模前的冷却速率和马氏体相变开始后的二次冷却速率,结合高强度钢板的CCT曲线与微观组织的分析,揭示了热冲压急冷工艺的微观机理。进一步将急冷工艺应用在一款典型B柱的热冲压试验中,验证了该工艺对零件性能的改善作用。(2)设计开展了具有传热差异化的热冲压试验,基于有限元优化反算原理,建立了热冲压界面传热系数的求解方法,研究了边界类型、初始设计和优化算法对板料与上、下模界面传热系数的影响。结果表明,随板料温度降低,上、下模界面传热系数都呈现先增大后减小的规律。在传热初期,上模的传热系数大于下模的值,当板料降至一定温度后,下模的传热系数大于上模的值;由第一、二类边界求解的界面传热系数基本相同,由第三类边界求解的界面传热系数规律与由第一、二类边界所得结果相同,但数值整体偏小,这是由于使用第三类边界求解时引入了板料的传热属性所致;由梯度优化算法反算的界面传热系数对初始设计有较强的敏感性,从与实际物理规律相近的初始设计出发寻优,使用NLPQL、MOST和MISQP三种优化算法更有利于获得稳定的界面传热系数结果,综合考虑求解效率后,得出NLPQL是适合热冲压界面传热系数求解的最佳算法;将由第三类边界和NLPQL算法求解的等效界面传热系数代入U型热冲压仿真,零件硬度的仿真值与试验值误差小于6.5%。(3)基于离散-聚集原理,建立了热冲压模具随形冷却水道设计方法。通过流体传热仿真分析,结合全因素设计和多指标优劣距离综合评价法,研究了不同冷却水道设计方案的模具冷却性能,结果表明热冲压模具的冷却性能主要取决于冷却水道的设计形式和入口流量,冷却水流量处在低雷诺数工况时,蛇形随形冷却水道模具的冷却性能最好,而在高雷诺数工况时,纵向随形冷却水道模具的冷却性能最好。为获得更加准确的热冲压温度场,在热冲压模型和流体传热模型中引入节点时均热流密度并应用网格数据映射方法,同时考虑了热冲压过程中板料-模具的界面传热和模具-水流的对流传热对温度场的影响,实现了热冲压过程的传热耦合仿真。与单次热冲压仿真的温度场相比,采用传热耦合仿真时,U型凹、凸模和板料上的最大温度值分别升高了 80%、82%和75%,而且模具和板料的温度场亦不再对称分布,而是靠近水道入口处温度低,靠近出口处温度高。此外,连续节拍热冲压试验采集的温度值与传热耦合仿真的温度值误差小于10%。(4)建立了基于热冲压传热耦合仿真、最优拉丁超立方试验设计、响应曲面模型和多目标优化的热冲压模具随形冷却水道集成优化设计方法,对一款典型B柱热冲压模具内的纵向随形冷却水道进行了系统的优化设计,获得了随形冷却水道设计的Pareto最优前沿,选取某最优设计点,对比优化前、后的模具温度场可发现优化后模面平均温度和温度标准偏差分别下降了 11.7%和28.2%。为进一步实现随形冷却水道模具的制造,研究了陶瓷芯铸造和覆膜砂3D打印铸造两种方法,并分别制定了详细的铸型制作、浇注工艺和后续处理流程,结果表明两种方法都能成功制造出适用于工业应用的热冲压随形冷却水道模具。前者陶瓷芯抗钢水冲击能力强,铸造成品率高;后者能快速打印出任何形状的随形冷却水道的砂芯以及高精度易装配的铸型,可以制造具有复杂冷却系统的模具。进一步将具有最优纵向随形冷却水道设计的模具镶块应用到整套典型B柱的热冲压试验中,通过对比零件的截面硬度和微观组织,验证了随形冷却水道模具对零件性能的改善作用。