摘要

　　近年來(lái)我國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速，如何研制出高安全性、節能環(huán)保的新型汽車(chē)產(chǎn)品已經(jīng)成為企業(yè)提高自身競爭力的關(guān)鍵。高強鋼板在減輕汽車(chē)重量和提高安全性能方面具有雙重優(yōu)勢，因此在汽車(chē)行業(yè)受到了廣泛的應用。高強鋼板零件沖壓生產(chǎn)時(shí)，模具結構受力大幅增加，給模具結構設計帶來(lái)了新的挑戰。由于設計理論的缺乏，傳統模具設計往往依賴(lài)經(jīng)驗準則，通過(guò)選取較高的安全系數來(lái)保證模具結構的剛度和強度，勢必造成了模具成本的增加。

　　為解決高強鋼板級進(jìn)模模具結構設計缺乏理論指導的問(wèn)題，本文對高強鋼板級進(jìn)模模具結構分析及優(yōu)化設計方法進(jìn)行了研究，旨在對模具結構定量分析，探索模具結構優(yōu)化設計新方法，具有重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。主要研究?jì)热萑缦拢?/p>

　　（1）以某高強鋼板汽車(chē)底梁加固件為研究對象，結合零件的特征進(jìn)行了沖壓成形工藝性分析、沖壓工藝方案擬定及排樣方案設計，并按照排樣方案對級進(jìn)模總體結構和關(guān)鍵部位結構進(jìn)行了設計。

　　（2）運用 Dynaform 軟件進(jìn)行了汽車(chē)底梁加固件的 12 工位級進(jìn)沖壓成形全工序有限元數值模擬，詳細分析了關(guān)鍵工位零件的成形質(zhì)量及模具受力情況；對汽車(chē)底梁加固件進(jìn)行了級進(jìn)沖壓試驗，結果表明數值模擬結果與試模效果比較吻合，并對比了零件實(shí)際沖壓成形后厚度分布與數值模擬結果，驗證了數值模擬結果的準確性。

　　（3）通過(guò)沖裁試驗和數值模擬相結合的方法，獲取了汽車(chē)底梁加固件材料的斷裂閾值；采用 Deform-3D 軟件對零件沖裁工序進(jìn)行了有限元數值模擬，獲得了沖裁成形時(shí)模具的受力情況，對沖裁力的數值模擬值與理論值進(jìn)行了分析比較，結果表明數值模擬結果較為可靠。

　　（4）采用載荷映射的方法將汽車(chē)底梁加固件板料沖壓成形數值模擬所獲取的節點(diǎn)力映射到模具的工作表面，構建了級進(jìn)模模具結構分析的力邊界條件；利用結構分析軟件 HyperWorks/Radioss 建立了汽車(chē)底梁加固件級進(jìn)模模具結構多工況結構分析有限元模型并對模具結構的變形量進(jìn)行了分析，以明確結構設計優(yōu)化的空間。

　　（5）采用 HyperWorks/Optistruct 軟件，以結構減重為目標，基于變密度法對汽車(chē)底梁加固件級進(jìn)模模具結構進(jìn)行了拓撲優(yōu)化迭代計算，獲取了不同單元密度閥值情況下的最佳材料分布。提出了改進(jìn)的優(yōu)化效益指標概念，探索了結構拓撲優(yōu)化單元密度閥值的選取方法。利用 UG 軟件對模具結構進(jìn)行二次設計。通過(guò)與按傳統方法設計的模具結構分析結果對比表明：1）重構后的下模模具結構相對于原結構重量減少了 13.22%，最大變形量減小了 13.73%；2）重構后的上模模具結構較原結構減重了 26.61%，最大變形量降低了 4.84%。

　　（6）對汽車(chē)連接器件級進(jìn)模模具結構進(jìn)行了拓撲優(yōu)化設計，與按傳統方法設計的模具相比，優(yōu)化重構后的模具在重量保持不變的情況下最大變形量減小了 36.49%，對重構后的級進(jìn)模在沖壓成形中的應變值進(jìn)行了測量，并與結構分析數值模擬結果進(jìn)行了比較；分析了模具結構優(yōu)化前后零件的成形質(zhì)量，驗證了連接器件級進(jìn)模模具拓撲優(yōu)化結果的準確性，進(jìn)一步說(shuō)明了本文所提出的多工位級進(jìn)模模具結構分析及優(yōu)化設計方法是切實(shí)可靠的。

　　關(guān)鍵詞：高強鋼板；汽車(chē)底梁加固件；級進(jìn)模；結構分析；拓撲優(yōu)化

　　多工位級進(jìn)模沖模是基于單工序沖壓模具發(fā)展起來(lái)的多工序集成模具，能夠在沖床的一次行程中同時(shí)完成多個(gè)工序的沖壓成形[1]。多工位級進(jìn)模能夠實(shí)現高速沖壓成形，滿(mǎn)足提高生產(chǎn)效率、減小生產(chǎn)成本的要求，廣泛應用于各個(gè)行業(yè)。以汽車(chē)行業(yè)為例，車(chē)身覆蓋件、結構加固件、結構支撐件、支架件等接近 60%~70%的零部件需要利用多工位級進(jìn)模沖壓成形[2]。

　　近年來(lái)，為了實(shí)現輕量化的目標，高強度鋼、超高強度鋼在汽車(chē)行業(yè)中得到了廣泛的應用。相比傳統的低強度鋼板，高強度鋼板的強度和硬度提高了若干倍，因而沖壓模具承受載荷會(huì )大幅增加[3]。模具的彈性變形已成為影響零件成形質(zhì)量的重要因素之一，給模具結構設計帶來(lái)了新的挑戰。傳統的模具結構設計往往以模具設計準則為依據，再結合工程師自身實(shí)際累積的模具設計經(jīng)驗進(jìn)行設計。為了避免模具的剛度不足對制件成形產(chǎn)生影響，模具工程師通常采用較高的安全系數來(lái)進(jìn)行模具設計從而造成了模具材料的浪費，提高了模具的成本。因此，如何根據模具的實(shí)際受力情況進(jìn)行合理的結構優(yōu)化設計就顯得非常重要。

　　計算機技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了 CAE 技術(shù)在模具行業(yè)的應用，CAE 技術(shù)可以精確地模擬板材成形過(guò)程，發(fā)現產(chǎn)品成形過(guò)程的質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)虛擬試模來(lái)指導模具結構設計，可以有效減小模具開(kāi)發(fā)成本。目前，有限元數值模擬技術(shù)在單工序模具結構分析及優(yōu)化方面得到了一定的應用。但是，多工位級進(jìn)模模具結構相對于單工序模具更加復雜，力學(xué)邊界條件精度不高、設計參數增加、計算規模加大等問(wèn)題使得多工位級進(jìn)模模具結構分析及優(yōu)化問(wèn)題變得更加復雜[4]。因此，本文以某高強鋼板汽車(chē)底梁加固件為對象，結合零件的結構特征進(jìn)行沖壓工藝性分析并設計出一副滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量要求的多工位級進(jìn)模。利用 CAE 技術(shù)對該零件沖壓成形進(jìn)行了全工序的數值模擬研究，對制件的成形質(zhì)量進(jìn)行了定量分析，獲得了模具在板材成形過(guò)程中的受力情況，并以此為基礎進(jìn)行了多工位級進(jìn)模模具結構分析及優(yōu)化，為多工位級進(jìn)模模具結構優(yōu)化設計提供了一種現實(shí)可行的方法。

　　傳統模具設計研究對象往往是普通低強度鋼零件，低強度鋼具有良好的成形性能，沖模的彈性變形較小，再加上傳統的模具設計往往選取較大的安全系數，所以國內外的專(zhuān)家學(xué)者并沒(méi)有特別關(guān)注沖壓模具的變形情況，更多地研究了成形工藝參數如壓邊力、凹凸模圓角、板坯的形狀和尺寸、潤滑條件等對板材成形質(zhì)量的影響[5-7]。

　　美國 Volvo 公司的 Anna Nilsson 通過(guò)有限元數值模擬技術(shù)獲得汽車(chē)覆蓋件的成形力并作為凹模結構分析的力學(xué)邊界條件，對凹模結構分析獲得了凹模結構的變形和應力情況，并以此為根據進(jìn)行了凹模結構減重設計[9]。韓國漢陽(yáng)大學(xué)的 Ahn 和 Keum 等人利用有限元分析對汽車(chē)翼子板沖壓模具進(jìn)行了結構分析，通過(guò)對比，在考慮模具結構的彈性變形情況下通過(guò)數值模擬獲得的制件成形質(zhì)量與實(shí)際生產(chǎn)情況更加接近[10]。美國福特公司的 Conle 和 Wang 等人通過(guò)試驗測量模具上應力應變的變化情況來(lái)研究不同工藝參數對沖壓模具結構耐久性的影響[11]。澳大利亞 Deakin 大學(xué)的 Dingle 通過(guò)有限元仿真技術(shù)研究了汽車(chē)沖壓生產(chǎn)中常用的機械雙動(dòng)壓力機的彈性變形，并以此為依據對模具結構進(jìn)行了優(yōu)化設計[12]。美國通用汽車(chē)模具制造中心的 Malcolm Liu 和 Venkat Aitharaju 等人提出了一種耦合沖壓模具結構分析和沖壓成形質(zhì)量分析的模具結構設計方法，縮短了模具設計周期[13]。

　　上汽集團的羅思成和孫成智等人通過(guò)埋入式應力測量方法研究了沖壓成形過(guò)程中壓邊圈結構的應力分布情況，同時(shí)對壓邊圈結構的應力進(jìn)行了有限元數值模擬，通過(guò)對比可知數值模擬結果與實(shí)際測量比較吻合[14]。華南理工大學(xué)的夏琴香教授等利用有限元分析軟件通過(guò)對沖裁成形的數值模擬獲得了模具的受力情況，并對某高強鋼板汽車(chē)結構件沖裁工位模具結構進(jìn)行了靜力分析，校核了模具的強度和剛度[15]。上海交通大學(xué)的張貴寶和陳軍等提出了一種針對復雜結構大型沖壓模具結構分析方法，該方法首先通過(guò)對板料沖壓成形數值模擬來(lái)獲得變形板料的節點(diǎn)力，然后將板料上的節點(diǎn)力載荷映射到結構分析模具網(wǎng)格表面作為結構分析的力邊界條件，并利用動(dòng)態(tài)應變采集儀對盒形件壓邊圈結構在拉深時(shí)的應力進(jìn)行了測量，數值模擬結果與試驗結果誤差較小，驗證了該結構分析方法是可靠的[16]。西安科技大學(xué)的徐自立在張貴寶博士的基礎上，模具結構分析采用與沖壓成形數值模擬相同的表面網(wǎng)格，通過(guò)格式轉換讀取沖壓荷載，降低了求解計算的規模，簡(jiǎn)單易行[17]。

　　結構優(yōu)化設計在機械結構設計中占有非常重要的地位，它是尋求機械結構在滿(mǎn)足既定的約束條件下按設定的目標（如剛度最強、重量最輕）的最優(yōu)化設計方案，并緊密地將機械結構設計與制造連接在一起，有利于提高機械結構設計水平[18]

　　。結構優(yōu)化設計可以避免過(guò)渡依賴(lài)設計人員的經(jīng)驗進(jìn)行機械結構設計，優(yōu)化設計的參數可根據需要進(jìn)行選擇且自動(dòng)向最優(yōu)方向調節。因此，結構優(yōu)化設計得出的結果不僅可行而且還是最優(yōu)的設計方案[19]。

　　隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，結構優(yōu)化設計理論與應用也得到了較快的發(fā)展，由低層次的尺寸優(yōu)化正在向更高層次的形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化發(fā)展；結構優(yōu)化設計正向著(zhù)多目標、不確定性、靜動(dòng)力性等更高層次方向發(fā)展[20]。

　　尺寸優(yōu)化主要是對零件的厚度、剛度以及截面尺寸等進(jìn)行優(yōu)化[21]。A.Kaveh 和M.Khayatazad 利用光線(xiàn)尋優(yōu)法針對桁架結構進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，使得桁架結構在滿(mǎn)足限制條件下重量達到最小，獲得了桁架結構的最優(yōu)尺寸[22]。太原科技大學(xué)的曾成奇利用有限元軟件中優(yōu)化模塊對伸縮臂的六邊形截面上、下槽板板厚和截面高寬尺寸分別進(jìn)行了尺寸優(yōu)化[23]。邢曉輝和王洪川等人以數控機床床身尺寸為目標，首先利用有限元模擬方法對床身結構進(jìn)行模態(tài)分析，然后對機床床身的設計尺寸進(jìn)行動(dòng)態(tài)靈敏度分析，最后對數控機床床身結構動(dòng)態(tài)性能影響較大的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設計，以最優(yōu)設計方案為依據對床身結構尺寸進(jìn)行改進(jìn)[24]。

ABSTRACT

　　In recently years, with the rapid development of automible industry, how to develop high security, environmental protection, and energy-saving products has become the key point for automotive enterprises to improve their competitiveness. High strength steel is applied more and more extensively in the automotive because of the dual advantage in reducing weight and improving security. However, application of HSS causes higher die load, bringing challenges to die structure design. The traditional die design criteria often rely on experience and choose a higher safety factor to ensure the strength and stiffness because of the lack of design theory, which will inevitably results in increasing die cost.

　　This thesis has done research on the key technologies of structure analysis and optimization of HSS multi-position progressive die as to solve the problem of lacking the theoretical guidance of die design, aimed at analyzing the structure of the die quantitatively and exploring the new ways of die structure design, which has great theoretical significance and practical value. The main research contents are summarized as follows:

　　1) Regarding the stiffener of automotive beam as the research object, the stamping process analysis based on its structure characteristics, the design of stamping process and layout scheme, the design of the total structure and the key processing structure of the die were studied respectively.

　　2) The whole 12-position progressive stamping process of the stiffener of automotive beam was simulated with Dynaform software, the forming quality of the key positions and die load were analyzed in detail. The progressive stamping test of the stiffener of automotive beam show that the numerical simulation results were consistent well with the test results.The piece thickness of the part measured values were compared with the simulated values, which verified the accuracy of the simulation results.

　　3) The critical value of the material of the stiffener of automotive beam was achieved according to the test of blanking and the simulation results. The die blanking forces were got by the simulation of blanking with Deform-3D software. Numerical simulation of blanking force and theoretical values were analyzed and compared, the results showed that the numerical simulation results were reliable.

　　4) According to the load mapping method, the node force acquired by the stamping simulation of the stiffener of automotive beam mapped to the working surface of the die, the force boundary conditions were offered for progressive die structure analysis. With the HyperWorks/Radioss software, the FE structural analysis models of the stiffener of automotive beam multi-position progressive die were established and the structure distortion were analyzed, the die structure design space were achieved.

　　5) With HyperWorks/Optistruct software, to decrease the structural weight, topology optimization iteration basing on variable density method was used in the stiffener of automotive beam multi-position progressive die to obtain the best unit material density distribution. The improved concept of optimization efficiency indicators was put forward, and the threshold value of the unit density acquired by structure topology optimization was explored. UG software was used to optimize reconstruction for die structure. Results of comparing with the original die structure analysis shows: 1) the optimized lower die structure saves 13.22% material, and the maximum deformation reduces by 13.73%. 2) The optimized upper die structure weight reduces by 26.61%, and the deformation reduces by 4.84%.

　　6) The connecting devices of automotive multi-position progressive die were optimized. Compared with the original die structure, under the condition that the weight of the optimized die keeps unchanged, the maximum deformation reduces by 36.49%. The actual strain of optimized reconstruction for progressive die was tested. The messurement results were compared with the simulation values. The qualities of the part before and after the die structure optimization were analyzed. The results verify that the result of the connecting devices of automotive die structure optimization is accurate, and further illustrates that the structure analysis methods and structure topology optimization method proposed in this thesis is effective and reliable.

　　Keywords: High strength steel; Stiffener of automotive beam; Multi-position progressive die;Structure analysis; Topology optimization

多工位級進(jìn)沖模模具結構技術(shù)研究：

汽車(chē)連接器件零件圖及級進(jìn)模模具的三維模型示意圖

汽車(chē)連接器件排樣圖

全工序有限元模型

沖壓成形數值模擬結果

連接器件級進(jìn)模結構分析有限元模型

連接器件級進(jìn)模下模結構分析位移云圖

連接器件級進(jìn)模結構優(yōu)化前位移云圖

單元密度大于 0.10 的單元

重構后的下模架結構示意圖

連接器件級進(jìn)模優(yōu)化重構后結構分析位移云圖

目 錄

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第一章 緒論
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 沖壓模具結構分析的研究現狀
　　　　1.3 結構優(yōu)化方法應用的研究現狀
　　　　1.4 沖壓模具結構優(yōu)化的研究現狀
　　　　1.5 課題研究的意義及研究?jì)热?br /> 　　　　　　1.5.1 課題研究的意義
　　　　　　1.5.2 課題的研究?jì)热?br /> 　　　　1.6 本章小結
　　第二章 某汽車(chē)底梁加固件多工位級進(jìn)模設計
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 多工位級進(jìn)模設計步驟
　　　　2.3 零件工藝分析
　　　　2.4 沖壓工藝方案擬定及排樣設計
　　　　　　2.4.1 一步逆成形分析與坯料反求
　　　　　　2.4.2 確定步距和條料寬度
　　　　　　2.4.3 排樣方案設計
　　　　2.5 模具結構設計
　　　　　　2.5.1 模具總體結構
　　　　　　2.5.2 模具關(guān)鍵部位結構
　　　　2.6 本章小結
　　第三章 某汽車(chē)底梁加固件級進(jìn)沖壓全工序數值模擬
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 板料沖壓成形數值模擬流程
　　　　3.3 級進(jìn)沖壓全工序有限元數值模擬
　　　　　　3.3.1 材料模型
　　　　　　3.3.2 級進(jìn)沖壓全工序有限元建模
　　　　　　3.3.3 級進(jìn)沖壓成形全工序數值模擬結果
　　　　3.4 數值模擬結果與試驗對比
　　　　　　3.4.1 級進(jìn)沖壓試模過(guò)程及結果
　　　　　　3.4.2 模擬結果與試模效果對比
　　　　　　3.4.3 沖壓成形后厚度分布對比
　　　　3.5 本章小結
　　第四章 某汽車(chē)底梁加固件級進(jìn)沖裁成形數值模擬
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 金屬成形過(guò)程韌性斷裂模擬理論基礎
　　　　　　4.2.1 韌性斷裂機理
　　　　　　4.2.2 斷裂準則
　　　　4.3 級進(jìn)沖裁成形過(guò)程有限元模型
　　　　　　4.3.1 斷裂準則閾值
　　　　　　4.3.2 沖裁成形有限元建模
　　　　4.4 沖裁成形過(guò)程數值模擬結果
　　　　4.5 本章小結
　　第五章 多工位級進(jìn)模模具結構分析及拓撲優(yōu)化
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 模具結構拓撲優(yōu)化設計流程
　　　　5.3 汽車(chē)底梁加固件級進(jìn)模模具結構分析
　　　　　　5.3.1 載荷映射工具
　　　　　　5.3.2 下模模具結構分析
　　　　　　5.3.3 上模模具結構分析
　　　　5.4 某汽車(chē)底梁加固件級進(jìn)模模具結構拓撲優(yōu)化
　　　　　　5.4.1 下模模具結構拓撲優(yōu)化
　　　　　　5.4.2 上模模具結構拓撲優(yōu)化
　　　　　　5.4.3 級進(jìn)模模具結構優(yōu)化后再設計
　　　　　　5.4.4 下模模具結構優(yōu)化前后性能對比分析
　　　　　　5.4.5 上模模具結構優(yōu)化前后性能對比分析
　　　　5.5 本章小結
　　第六章 模具結構分析及拓撲優(yōu)化模型驗證與結果分析
　　　　6.1 引言
　　　　6.2 某汽車(chē)連接器件級進(jìn)模模具結構拓撲優(yōu)化
　　　　　　6.2.1 級進(jìn)模模具結構分析
　　　　　　6.2.2 級進(jìn)模模具結構拓撲優(yōu)化
　　　　　　6.2.3 級進(jìn)模模具結構優(yōu)化前后性能對比分析
　　　　6.3 連接器件級進(jìn)模下模立板應變測量
　　　　　　6.3.1 電阻應變測量原理
　　　　　　6.3.2 測量點(diǎn)選取與應變花安裝
　　　　　　6.3.3 級進(jìn)模模具安裝及應變測量
　　　　6.4 試驗結果分析
　　　　　　6.4.1 應變實(shí)測結果與數值模擬結果對比
　　　　　　6.4.2 模具結構優(yōu)化前后零件成形質(zhì)量分析
　　　　6.5 本章小結
　　結論與展望
　　主要研究?jì)热菁敖Y論
　　論文主要創(chuàng )新點(diǎn)
　　進(jìn)一步研究展望
　　參考文獻
　　攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果
　　致 謝

（如您需要查看本篇畢業(yè)設計全文，請您聯(lián)系客服索取）