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                    結構復雜的多工位級進沖壓模具結構優化設計

                    添加時間:2020/04/16 來源:華南理工大學 作者:王定強
                    我國汽車工業的快速發展,汽車模具日趨大型化,要求模具技術不斷進步。大型復雜多工位級進模具是汽車零部件制造的重要工具,減少模具成本對于控制汽車整車成本有重要意義。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      近年來我國汽車工業飛速發展,眾多汽車企業都在為縮短新車型研發周期、降低生產成本而努力。大型復雜多工位級進模作為生產汽車結構件的重要工藝裝備,其設計質量和成本對汽車的生產研發有著重要影響。多工位級進模向大型、復雜方向發展以及高強度鋼板的廣泛使用,往往導致模具過于厚重。采用傳統模具設計方法難以找到材料的合理分布,不易獲得既經濟又安全的理想設計方案,因此,加強對模具結構分析和模具結構優化設計的研究,實現模具結構輕量化設計,具有一定的實用價值與工程意義。

                      本文以某汽車行李箱支架多工位級進模為研究對象,分別對該汽車行李箱支架工藝設計、多工位級進沖壓工藝中成形工序和沖裁工序有限元模擬技術、多工位級進模模具母體結構分析方法、多工位級進模模具母體結構拓撲優化技術進行了研究。具體研究內容如下:

                     。1)對某汽車行李箱支架進行了零件結構和沖壓工藝性分析,完成了一步逆成形分析與坯料逆算,綜合某行李箱支架的結構特征、材料利用率和精度要求等情況,確定了單排、斜排、中間載體共 18 個工位的級進沖壓工藝方案,并最終設計了排樣圖及模具總體結構圖。

                     。2)以 Dynaform 為數值模擬平臺,對某行李箱支架多工位級進模沖壓工藝中成形工序進行數值模擬。進行完整的沖壓成形工序數值模擬后,得到符合工藝要求的模擬結果,獲得各沖壓成形工序中模具的受力情況并進行了分析。

                     。3)采用 Deform 軟件對模具上所有沖裁工序進行數值模擬。對模型中毛坯進行劃分及局部單元細化,以降低沖裁模擬有限元模型的規模;選取了 Normalized Cockcr oft&Latham 斷裂準則并通過沖裁實驗與模擬相結合的方法獲得零件材料斷裂因子,進而對模具中所有沖裁工序進行模擬以獲得沖壓過程中板料單元上的沖裁力。對各沖裁輪廓的理論沖裁力進行了計算,并與沖裁力數值模擬結果進行對比,結果顯示沖裁力模擬結果與理論計算結果相對誤差在 15%以內。

                     。4)采用載荷映射方法,分析模具沖壓過程的力學響應,將板料成形數值模擬獲得的變形板料和模面之間的接觸力映射到模具結構分析有限元模型上,建立了模具結構分析模型,獲得了模具在不同工況下的彈性變形情況。

                     。5)以沖壓模擬得到的板料成形力為荷載邊界條件,對某汽車行李箱支架多工位級進模模具結構進行優化。利用優化軟件 OptiSturct 在模具結構分析的基礎上,結合拓撲優化技術對模具結構進行優化。根據拓撲優化結果,利用 NX 對模具母體進行重構,得到新的模具結構,將與傳統模具同樣的載荷條件加載于優化后模具有限元模型上,分析優化后模具的變形情況,并與傳統模具進行對比分析。經結構分析驗證,優化后模具母體結構在不增加模具變形量的同時,相對傳統方法設計模具母體結構減重 22.4%左右。

                      關鍵詞:多工位級進模;數值模擬;沖壓載荷;模具結構分析;拓撲優化

                    ABSTRACT

                      In recently years, as the rapid development of automobile industry, many automobile enterprises are making great efforts to shorten development cycle and diminish production cost.Multi-position progressive die, as an important process equipment of automobile structure production, its cost and quality has a significant impact on r esearch and development. Because of progressive die develops in the direction of large-scale, complex and precise and wide use of high strength steel,the die often becomes too thick.It is difficult to find the reasonable distribution of materials, and it is not easy to obtain the ideal economic and safe design scheme when adopt the traditional die design method.So, it have certain practical value and engineering significance to strengthen the research on the structure analysis and optimization design of die structure and realize the lightweight design of die structure.

                      In this thesis, regarding multi-position progressive die of the car trunk bracket as the research object, the process design of automotive trunk bracket, the finite element simulation technology of forming and blanking procedure in multi-position progressive stamping process, the analytical method about matrix structure of progressive die, the topology optimization technology about matrix structure of progressive die were studied respectively.The main research contents and conclusions of this paper are summarized as follows:

                     。1)One-step formability analysis and blank design was accomplished by using inverse approach method. The 18-positions progressive stamping processes for manufacturing the part was determined, and the single-row layout with intermediate carrier of uniform width was finally designed. Then the overall structure of progressive die was designed.

                     。2)The numerical simulation of the forming process of the multi position progressive die stamping process for the part is carried out in Dynaform . The simulation results are obtained, which meet the requirements of the process. After the numerical simulation of the stamping forming process,then the force of the die in the process of stamping forming was obtained.

                     。3)Finite element numerical simulation for all the blanking process with Deform software.The blank is meshed and refined in order to reduce the scale of the model. The fracture factors of the parts are obtained by means of the combination of blanking experiments and simulation.And then the blanking process of the die was simulated to get the blanking force on the sheet.The blanking force is calculated and the results are compared with the numerical simulation results. The results show that the relative error between the simulation results and the theoretical calculation results is less than 15%.

                     。4) The die structure analysis model is established with the load mapping method, and the contact force between the deformation plate and the die surface was mapped to the finite element model of the die structure,and the elastic deformation of dies in different conditions was obtained.

                     。5)Based on the analysis of the structure of the die, the OptiSturct software was used to optimize the structure of the die. Reconstructed the initial results obtained after the iterative calculation, and get the new die structure, UG software was used to optimized reconstruction for die base structure.Weight loss is about 22.4% compared with the traditional die structure.

                      Keywords: Multi-position progressive die; Numerical simulation; Stamping force;Structure analysis; Topology optimization

                      汽車工業是我國國民經濟五大支柱產業之一,而汽車結構件模具是汽車制造技術的重要組成部分,也是形成汽車自主開發能力的一個關鍵環節[1]。隨著近年來汽車工業的迅猛發展,專門用于生產汽車結構件的多工位級進模被廣泛應用[2],但同時我國大型汽車模具的設計制造能力仍然不足,限制了汽車品質更進一步提高以及汽車開發周期持續縮短[3,4]。大型多工位級進模是我國重點發展的精密沖模,它是技術密集型模具的重要代表,標志著沖模技術先進水平[5,6]。

                      隨著大型復雜多工位級進模的發展,其結構設計日趨復雜,設計參數不斷增多。傳統模具結構設計過程中,模具工程師結合其工程設計經驗和用戶的需求進行結構模具設計,然后按理論公式校核模具結構的剛度、強度等性能。如果初始模具結構方案不符合安全、經濟的原則,則再對初始模具結構進行修改并重新校核模具結構。傳統的模具設計方法的一個主要缺點是很難找到一個合理的材料分布,因此難以作出既經濟又安全的結構設計方案。而大型復雜多工位級進模的沖壓成形工位多、各工位模具零件結構相對復雜,且各工位成形力及不同工位載荷中心計算難度較大,模具工作過程中常易導致模具和設備載荷上升并使模具在工作過程中產生一定的變形,從而影響沖壓成形的精度,導致產品成形質量達不到要求[7]。生產中為提高模具安全系數、減小模具工作過程變形量,單純的使用更多的模具材料,不但會增大模具的體積和厚度而造成模具成本的上升,反而有時沒有在模具最薄弱的位置增加材料,達不到預期效果[8,9]。

                      模具優化設計是指在模具設計中結合優化設計的理論和方法,根據模具結構類型、沖壓時的工況、模具材料和規范所規定的各種條件(如強度要求、剛度要求、尺寸限制等),提出包含目標函數、約束條件和設計變量的優化模型并進行迭代計算,以獲得在約束條件下的最優結構方案。將模具優化設計方法用于模具結構的輕量化中,能使模具材料的分布在約束條件下達到合理的狀態,從而使模具結構同時滿足經濟性與安全性的要求。對于大型復雜多工位級進模,由于工件尺寸大、工序沖壓部位分散,模具母體最多能占模具總質量 80%以上[2],對此部位進行基于安全系數約束下的減量化結構優化,能明顯降低模具材料成本。

                      本文針對體積大、結構復雜的多工位級進沖壓模具,改進沖壓模具傳統設計方法,通過載荷映射方法將板料成形數值模擬獲得的變形板料和模面之間的接觸力準確映射到模具結構分析有限元模型上,構建模具結構分析模型,分析模具變形情況,在此基礎上結合優化理論,以汽車沖壓模具結構參數為優化設計變量,以模具結構的剛度和強度為優化約束條件,以減少模具結構材料為優化目標,進行多工位級進模模具母體結構的拓撲優化設計,排除傳統模具設計方法盲目增加模具材料增強模具剛度的情況。根據優化結果,對模具母體結構進行輕量化重構設計,既滿足了零件沖壓成形對模具強度和模具剛度的要求,同時減少級進模模具母體材料,改善模具性能,具有較高的工程意義和實用價值。

                      目前,計算法和實驗法是確定模具沖壓力的主要方法,其中實驗法確定沖壓力比較繁瑣且成本過高,不適合推廣應用。而如果采用經驗公式法進行沖壓力的計算,則會忽略掉實際沖壓條件中模具結構參數、模具材料、壓邊力大小、潤滑條件等對沖壓力的影響,導致沖壓力計算結果與真實沖壓力存在較大的偏差。而且在模具沖壓過程中,沖壓力是隨沖壓行程變化而變化的,同時受到模具參數、潤滑情況等條件影響,而非一個定值,經驗公式計算法顯然無法全面的描述模具在沖壓過程中的受力情況。隨著數值模擬技術的快速發展和廣泛應用,已有一部分學者運用數值模擬的方法,對板材沖壓工藝中成形和沖裁工序的模具載荷曲線進行了分析預測。

                      王娟[10]對級進模進行了多步沖壓數值模擬,獲得了沖壓行程中沖壓力曲線,并探討了板料厚度、模具圓角半徑、拉伸高度等參數對沖壓力的影響。盧國清[11]采用 Dynaform軟件對薄板拉深過程進行了數模模擬,獲得了在不同工藝參數下凸模的載荷曲線,仿真計算得到的最大沖壓力與試驗獲得的最大沖壓力非常吻合。孫成智等[12]通過數值模擬的方法分析沖壓模具工作過程中不同結構形式壓邊圈的受力情況,分析結果與實驗測量數據比較接近。宋雪松等[13]基于顯式動力有限元算法對板材多點成形的成形力的進行了分析,得出了多點成形的成形力經驗計算公式,對材料性能不同、厚度不同時的圓柱面、球面及馬鞍面三種常見形狀曲面的成形過程進行了模擬獲得成形力,對成形力的影響因素及變化過程進行了研究。

                      傳統沖壓模具設計以沖壓工藝方案的實現為主要目的,因此為了增強沖壓生產的穩定性,關于沖壓工藝參數對板料成形性影響的研究很多,而對于模具結構的受力和變形情況則并沒有特別關注。隨著沖壓成形領域內復雜、精密模具的廣泛使用及高強度鋼板的廣泛應用,沖壓模具的受力狀況往往趨于惡劣,而傳統模具設計中缺乏定量、有效的方法來判斷模具結構設計方案的好壞,無法及時發現模具結構上存在的問題,造成后期巨大的修模工作量,有時甚至在試模階段或模具投入生產初期就發生非正常失效。為了解決這些問題,一些學者通過有限元模擬的方法,在沖壓模具結構分析方面進行了研究,他們的研究方法可以為沖壓模具結構分析及優化設計提供借鑒。

                      Firat[18]利用有限元分析了卡車駕駛室縱梁拉深過程,分析了模具變形量,并通過簡單的模具修改減小了模具表面變形量。Fugger 和 Nehl[19]采用有限元和實驗相結合的方法,分析了相同質量下六邊形蜂窩狀模具肋板結構和正方形模具肋板結構的剛度,研究表明相同質量下,不同的模具結構的差異會帶來模具剛度的差異。Becchio 等[20]運用限元技術,以整體個板料拉深模具為研究對象,分析了沖壓模具的應力和變形分布情況,表明模具結構分析可以確定載荷作用下的模具行為、校核傳統設計準則、設計標準組件、創新模具結構設計。

                      Pozo 等[21]認為模具結構剛度不足是模具發生較大的彈性變形主要原因,且模具的彈性變形會對板料成形質量造成很大的影響。如果能在設計階段分析模具結構,保證模具的剛度,可以有效縮短試模時間,減少手工修模的工作量。Keum 等[22]用有限元數值模擬方法對某汽車擋泥板面板的沖壓成形過程進行了板料成形-模具結構耦合分析,獲得了擋泥板面板沖壓模具凸模、凹模及壓邊圈在沖壓成形過程中的應力應變情況。

                      澳大利亞迪肯大學的Dingle[23]對某簡單拉深模具及壓力機在沖壓過程中受沖壓力作用時的彈性行為進行了有限元分析,研究了壓力機的剛度以及模具局部剛度對拉深模壓邊力的影響,并根據分析結果對模具結構進行優化調整。

                      通用汽車公司Aitharaju等[24]將汽車沖壓模具成形模擬和模具結構分析相結合,模擬板料成形過程得到模具受載情況,再把成形載荷作為邊界條件對模具結構進行分析獲得沖模在沖壓過程中的應力應變狀況,為模具結構減量化設計提供依據;美國福特汽車公司的Wang等[25]以降低模具重量和材料成本為目標,在保證沖壓剛度足夠前提下,通過沖壓實驗測量模具各位置的應變分布,并分析了拉延筋設置等參數在沖壓成形中對模具上應力、應變的影響。

                      陳亮[26]針對高強鋼板沖壓模具受力惡劣、易破裂等情況,采用數值模擬的方法預測高強鋼板模具沖壓過程的沖壓力,研究模具彈性變形,并通過沖壓實驗,測量模具載荷和表面應力,實測結果模擬數據吻合較好,說明了數值模擬結果的準確性和可行性。閆巍等[27]將板料沖壓數值模擬分析獲得的成形力結果加載到模具型面上后研究模具結構變形,模擬獲得的結果與實際測量結果一致,并以此變形結果為依據進行的模面補償設計,減少模具手工修模量。

                      張貴寶、陳軍等[28,29]以某高強鋼法蘭盒形件單工位深模的壓邊圈為研究對象,首先進行沖壓成形過程的有限元分析,獲取板坯在成形過程中與壓邊圈之間的力,借助相互作用力在不同單元間的映射插值運算,獲得作用在結構分析模型中壓邊圈表面單元上的載荷,以這些載荷作為力邊界條件,對壓邊圈進行了結構分析,并通過相關試驗驗證了結構分析結果的可靠性。

                      國內外學者主要以單工序模為研究對象進行沖模結構分析。與單工序模不同,多工位級進模具有沖壓工序種類多、數量多、位置分散的特點,其結構分析的復雜程度遠超單工位模,而沖壓生產中準確分析模具變形對于確保模具正常工作而不失效具有重要意義。本文對多工位級進模模具母體的結構分析方法的研究,具有一定的先進性及參考價值。

                    結構復雜的多工位級進沖壓模具結構優化設計:

                    模具下模板及墊腳形式
                    模具下模板及墊腳形式

                    下模墊腳可布置空間
                    下模墊腳可布置空間

                    模具優化前模具結構靜力分析結果
                    模具優化前模具結構靜力分析結果

                    單元密度閥值為 0.5 時的材料分布
                    單元密度閥值為 0.5 時的材料分布

                    目 錄

                      摘 要
                      ABSTRACT
                      第一章 緒論
                        1.1 引言
                        1.2 沖壓載荷分析研究現狀
                        1.3 沖壓模具結構分析研究現狀
                        1.4 沖壓模具結構優化研究現狀
                        1.5 課題來源、研究意義及研究內容
                          1.5.1 課題來源及研究意義
                          1.5.2 課題研究思路及研究內容
                        1.6 本章小結
                      第二章 某汽車行李箱支架沖壓工藝分析及模具設計
                        2.1 引言
                        2.2 零件沖壓工藝分析
                          2.2.1 沖裁工藝性分析
                          2.2.2 彎曲工藝性分析
                          2.2.3 一步逆成形分析與坯料逆算
                        2.3 沖壓工藝方案擬定及排樣設計
                          2.3.1 載體設計
                          2.3.2 確定步距和條料寬度
                          2.3.3 工序排樣設計
                        2.4 模具結構設計
                        2.5 本章小結
                      第三章 基于 Dynaform 的某汽車行李箱支架成形數值模擬
                        3.1 引言
                        3.2 基于 Dynaform 的多工位級進沖壓有限元數值模擬技術
                          3.2.1 工序間信息傳遞
                          3.2.2 網格劃分及自適應技術
                          3.2.3 毛坯結構及定位
                        3.3 某汽車行李箱支架成形工序數值模擬
                        3.4 汽車行李箱支架多工位級進沖壓試驗
                          3.4.1 沖壓實驗條件
                          3.4.2 沖壓實驗結果
                          3.4.3 沖壓成形數值模擬結果與實際對比
                        3.5 本章小結
                      第四章 基于 Deform 的某汽車行李箱支架沖裁數值模擬
                        4.1 引言
                        4.2 多工位級進模沖裁數值模擬關鍵技術
                          4.2.1 局部網格重劃分及其實現
                          4.2.2 板料一模具接觸摩擦條件
                          4.2.3 斷裂問題的處理
                        4.3 多工位級進模沖裁數值模擬
                          4.3.1 多工位級進模沖裁有限元模型建立
                          4.3.2 多工位級進模沖裁模擬結果
                        4.4 多工位級進模壓力中心計算
                          4.4.1 壓料成形過程模具壓力中心計算
                          4.4.2 沖裁成形過程模具壓力中心計算
                        4.5 本章小結
                      第五章 行李箱支架多工位級進模模具母體結構分析
                        5.1 引言
                        5.2 模具結構分析有限元建模關鍵技術
                          5.2.1 模具結構簡化
                          5.2.2 模具結構體離散單元選擇
                          5.2.3 模具結構分析載荷映射
                        5.3 多工位級進模模具母體結構分析模型
                        5.4 多工位級進模模具結構分析結果
                        5.5 本章小結
                      第六章 行李箱支架多工位級進模模具母體結構拓撲優化
                        6.0 引言
                        6.1 模具母體結構拓撲優化方法
                          6.1.1 連續體結構拓撲優化方法
                          6.1.2 級進模模具母體結構拓撲優設計流程
                        6.2 模具母體可設計區域
                        6.3 優化前模具結構靜力分析
                        6.4 模具母體結構拓撲優化建模及分析結果
                        6.5 模具母體結構重構
                        6.6 本章小結
                      結論與展望
                      參考文獻
                      攻讀碩士學位期間取得的研究成果
                      致 謝

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