随着雾霾问题、能源紧张问题日益突出,汽车轻量化成为汽车制造业的一个重要发展方向。对于汽车轻量化而言,超高强度钢由于其强度高、硬度大的特点可以有效减小车身钢板厚度,且超高强度钢的应用进一步提高了车体结构的强度和抗冲击性能。然而,该钢板由于屈服强度和抗拉强度的提高,其冲压成形性能下降,使用冷冲压工艺容易导致很多成形缺陷。因此,超高强度钢热冲压成形技术开始被迅速应用。超高强度钢热冲压技术通过将钢板加热到再结晶温度以上,并保温一段时间实现完全奥氏体化后,再转移到带有冷却系统的模具中进行冲压成形,并在模具内保压淬火完成马氏体相变,从而得到超高强度钢冲压件。该技术有效解决了超高强钢成形性能和强度之间的矛盾。本文以22Mn85为研究材料,以U形零件作为研究对象,对热冲压模具设计、热冲压仿真、模具冷却系统优化、模具结构拓扑优化等进行了研究。利用CATIA对U形件热冲压模具进行了设计,设计内容包括模具材料的选择、模具整体结构设计、冷却系统设计以及密封装置设计。基于设计结果,利用有限元仿真软件ABAQUS建立热力耦合有限元模型,对超高强度硼钢U形件的热成形过程和淬火过程进行了数值仿真。为提高热冲压模具冷却系统的冷却能力,对其关键参数进行了优化。热冲压模具冷却系统的主要设计参数包括冷却管道直径D、相邻管道侧壁间距S、管道顶部与模具型面间的距离H、冷却水流速V。确定这4个参数的最优值是模具冷却系统设计的重点。本文对冷却系统中D、S、V、H这4个因素分别选取16个水平,建立均匀设计试验方案,并按照试验方案进行对应的热冲压有限元仿真。基于均匀设计试验的仿真结果和回归分析方法,建立淬火结束时刻凹模最高温度与这4个因素之间的二次型回归模型。利用遗传算法对该回归模型进行最优值求解,确定冷却系统关键参数的最优值,并通过有限元仿真模型验证了该优化结果。为提高模具材料利用率、减轻模具结构重量,本文对热冲压模具结构进行了拓扑优化设计。以凹模作为研究对象,以关键工况下凹模与板料间接触应力作为凹模结构分析模型的压力载荷,以最小化凹模体积作为目标,以凹模关键区域节点位移作为约束,以单元的相对密度作为设计变量,建立凹模结构拓扑优化模型,并对热冲压凹模结构进行拓扑优化设计。最终实现结构减重25.2%,且热冲压过程中凹模的变形与优化前的结果相差甚微,对热冲压模具结构拓扑优化研究具有一定参考价值。