发动机罩内板整形模结构轻量化.doc

发动机罩内板整形模轻量化研究摘 要： 本文对发动机罩内板整形模进行有限元分析，并且在拓扑优化的指导下，对传统模具母体设计进行优化改进，再通过有限元分析，验证改进结果满足设计要求，从而实现模具轻量化要求。关键词：冲压模具 有限元分析 拓扑优化 轻量化0 前 言基于有限元分析的拓扑优化技术是一项新型的设计方法，它可以在方案设计阶段为设计者提供概念性设计，给出零部件甚至机构原型合理的材料布局，减轻结构质量，提高结构的强度和刚度。本文利用通用有限元分析及优化软件Hyperworks对发动机罩内板整形模的传统模具结构分析(强度分析和刚度分析及其稳定性分析)，根据传统设计结构的应力和位移分析结果以及约束情况，确定优化空间，定义优化参数，进行拓扑优化，得到优化后模具筋板的大致形状，在满足模具强度、刚度、稳定性的前提下，对模具结构进行改进，实现模具结构轻量化，减少模具制造过程中的材料利用，以达到降低模具制造成本，实现国家节能减排的目标。 1 加载方式的确定 现有模具结构设计方法及问题1.1 现有模具结构设计方法1.2 现有设计方法存在的问题2. 模具结构轻量化设计流程3. 结构强度计算方法的验证4. 算例4.1 加载方式确定4.2 现有设计结构强度计算4.3 优化计算5. 结论加载方式的选择直接影响计算的正确性和计算精度，冲压过程速度较慢，因此可以当成一个准静态过程，特别是对于整形工序来说，当机床完全压到位时压力达到最大压力，机床、模具、工件没有相对运动，因此完全可以按静态加载方式来模拟整形过程。冲压整形过程中，机床工作台可视为不变形体，即刚体；而模具则必须视为可变形体，即柔体；基本工作结构可用图1所示。图1 整形模具工作结构图仿真模型的加载方式可以分为两种：一是将下模固定，在上模顶面加载整形力，将上模座设定为刚体，这样可以保证上下模座贴紧机床工作台面，与实际工况相符，但这样将使得上模座各处出现相同的传力状态，导致力传递到整形刀块时为均匀载荷，这与整形刀块实际受力状态不符，导致计算出来的应力值出现偏差，如图2（a）所示。二是将下模固定，在上模顶面加载整形力，将上模座设定为柔体，这样将力传递到整形刀块时考虑到了上模座的受力变形，受力情况与实际吻合。但整形力将在上模座上产生一个弯矩M，使得上模座顶面产生变形，从而无法保证上模座顶面贴紧机床工作台面，计算所获得的变形量值将出现偏差，如图2（b）所示。 (a) (b)图2 整形仿真过程的加载及模具变形示意图为了确定上述两种加载方式的真实性，在本文中通过采用一与发动机罩内板整形模具相似的现有的汽车后轮罩整形模进行实验验证，通过有限元模型建立及其实验测量，得到第二种加载方式与实验测量更加贴合。因此在对发动机罩内板整形模分析过程中选择第二种加载方式（图2（b）所示），分析下模座时在上模座加载，下模座固定；分析上模座时在下模座加载，上模座固定。2 传统规范模具结构的有限元分析2.1 有限元模型的建立模具的受力状态大致可以分为工作状态的载荷（800T）、起吊、翻转、堆放变形，本文利用MSC/NASTRAN进行静力分析，在工作状态时通过上模座底座加载静载荷（800T），下模座底座约束分析下模受力、变形情况。在做起吊、翻转分析时为了准确反映结构受力和约束的实质情况，在吊耳一周单元节点通过刚性单元连接在一起，约束和载荷加载在主节点上。由于该结构巨大，但是结构对称，所以采用对称结构进行有限元分析。采用四面体单元进行结构离散这种单元的特点是网格发生和重划算法比较简单，对复杂形状边界表面协调性好，计算精度高网格划分时先将实体表面离散成三角形二维网格，然后将内部填充成四面体单元有限元模型共有高阶四面体单元2927798个，模具结构的有限元模型如图3所示图3 模具结构有限元模型2.2结果与分析对传统设计的模具结构进行有限元分析，得到上模最大位移为0.177mm，最大拉应力为77.72Mpa，最大压应力为171.3Mpa,如图4、图5所示。下模最大位移为0.151mm，最大拉应力为50.7Mpa，最大压应力为145.9Mpa。模具总重量为12292kg。由于该模具材料为HT300，抗拉强度许用值为300Mpa，抗压强度许用值为900Mpa，所以受力满足要求，但是存在优化空间。图4 传统设计上模Z向位移图（反面）图5 传统设计上模拉应力图（反面）3模具的拓扑优化拓扑优化的目标是寻找承载结构的最佳材料分配方案，得到结构的最佳形状即在一个给定的空间区域内，依据己知的负载或支承等约束条件，解决材料的分布问题，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等达到规定要求。拓扑优化过程包括3部分： 定义进行拓扑优化的区域； 定义优化参数； 进行拓扑优化定义优化参数包括定义约束、目标函数、收敛公差等，Hyperworks软件能够自动进行多次迭代运算，直到满足优化参数中所规定的收敛公差通过对传统模具的分析，确定模具结构中的筋板布局形式为主要的优化对象。由于优化的目标是为了求得材料的最佳分布，选用的Altair公司的Hyperworks软件下Optistruct模块作为分析工具，该工具是目前工程界使用最为广泛的拓扑优化计算工具，优化过程如下：优化过程中用体积作为优化目标，定义有体积分数，其表达式为：体积分数=（当前总体积-初始非设计体积）/初始总体积在进行拓扑优化计算时时，将采用应力约束方法来进行计算，设计目标为最大应力小于120Mpa，约束为体积分数最小，设计变量定义为空间材料的分布，优化对象为下模座筋板分布形状。根据如图6的模具的受力区域和边界区域建立加载模型如图7所示，得到结果如图8所示。 图6 模具下模CAD模型 图7 拓扑优化建模图图8 优化结果4模具结构改进与有限元分析4.1模具结构轻量化改进在CAD软件中根据优化得到的结构进行二次设计，得到新的模具造型结构。模具结构前后对比图如图9所示。上模结构改进前后CAD模型对比图压料板结构改进前后CAD模型对比图下模结构改进前后CAD模型对比图下模结构改进前后CAD模型对比图图9 模具改进前后CAD对比图4.2优化结构的有限元分析根据拓扑优化结果确定悬置支架结构新造型后，应对结构的强度和刚度进行有限元分析，从而确定结构的可靠性。按照对传统设计支架的分析过程，对优化支架在相同的边界条件下进行有限元分析。优化后模具结构进行有限元分析，得到上模最大位移为0.173mm，最大拉应力为53.4Mpa，最大压应力为145.7Mpa,如图10、图11所示。下模最大位移为0.14mm，最大拉应力为67.1Mpa，最大压应力为162Mpa。模具总重量为11817kg。图10 优化设计下模Z向位移图（正面）图11 优化设计下模拉应力图（正面）由于该模具材料为HT300，抗拉强度许用值为300Mpa，抗压强度许用值为900Mpa，从分析结果可以看出，改进后受力分布状况最好，能够很好的满足模具的强度和刚度要求，并使得模具的受拉减少的情况下，抗压能力能够更好的利用，共减轻重量为475kg。表1 性能对比上模下模总重量(kg)拉max压maxZMAX变形量拉max压maxZMAX变形量传统模型7772171.30.17750.7145.90.15112292优化后模型53.4145.70.17367.11620.14118175结论本文对一发动机罩内板整形模进行有限元分析及其拓扑优化设计，所优化的模具设计与原模具相比，具有如下特色：1）、对模具母体结构中的下模座、上模座和压料板三大铸铁材料件进行了改进设计， 如改变减轻孔的大小及其布置、筋板宽度的设置、筋板布置，其他如整形刀块和标准件等均按照保持原样。2）、模具外观上的加强筋、起吊吊耳端头部分的结构形式，从工作状态和运输状态的受力分析来看，已经具有足够的安全裕度（安全系数均大于3），仍有较大的减重空间，但为保持模具外观的统一协调性和稳定性，只对部分减轻孔进行了扩大，结构形式未作修改。建议可以进行适当修改。3）、模具工作时整形部分以内的主要承力部分加强筋的结构形式进行了拓扑优化和改进。通过拓扑优化我们可以得到最佳主筋及其副筋布置。4)、修改后的模具在总质量上减少了475Kg，模具强度方面，在稳定受力状态下安全系数为4.0，不稳定受力状态下安全系数为3.2。改进后的模具最大应力区小于80MPa（材料允许应力为300MPa），满足设计强度要求。并且在刚度方面，其变形安全系数足够大，能够满足其设计刚度要求。在优化的过程中运用到了计算机模拟板料冲压成型仿真技术，四面体网格划分技术，结构有限元分析技术。同时使用了HyperMesh、OptiStruct、UG等软件，应用基于迭代程序逼近求解的拓扑优化技术及UG三维实体造型分析技术完成了模具母体的结构优化。参考文献：1李德群, 张宜生. 模具企业数字制造技术的现状与发展J .CAD/ CAM 与制造业信息化, 2003 (7) : 10 - 15.2雷正保 汽车覆盖件冲压成形技术 长沙：国防科技大学出版社3 崔令江. 汽车覆盖件冲压成形技术. 机械工业出版社,2004.4 钟志华,李光耀. 薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用. 北京:北京理工大学出版社,19985 陈中奎. 金属板料冲压成形过程有限元数值模拟的研究与开发D . 北京航空航天大学. 2000.6赵丽红结构拓扑优化设计的发展、现状及展望J辽宁工学院学报，2004(24)：46497张荭蔚，顾力强基于有限元分析技术的大客车车门结构拓扑优化设计研究J机械设计与研究，2002(18)：46478刘齐茂，李春林某型载货车车架结构的拓扑优化J广西工学院学报，2004(15)：68- 欢迎下载资料，下面是附带送个人简历资料用不了的话可以自己编辑删除，谢谢！下面黄颜色背景资料下载后可以编辑删除X X X 个 人 简 历个人资料姓 名：xxxx婚姻状况：未婚照片出 生：1987-06-24政治面貌:团员性 别：男民 族：汉学 位：本科移动电话：专 业：英语电子邮件：地 址： 教育背景2006.9-2010.6吉林工程技术师范学院-外国语言文学系主修课程本科阶段主修大学英语精读，大学英语泛读，英语口语，英语听力，英语写作，英语口译，翻译学，词汇学，语法学，英美概况，英国文学，美国文学，语言学，日语，中外名胜。特长及兴趣爱好除了有专业的英语方面知识外，我在校生活部工作一年, 在系宣传部和秘书处各工作一年。为全面发展，大三上学期，我加入系文学社，参于了我系心韵杂志的创刊和编辑工作。在这些活动中锻炼了我的领导和团队协作能力，学会了更好的与人相处，这些在我以后的工作中一定会有很大的帮助。计算机能力能熟悉使用Office工具以及Photoshop、Flash等软件。获国家计算机二级等级资格证书。外语水平通过英语专业四级考试，能熟练进行听说读写译。奖励情况：2007-2008 优秀学生会干部 200807 师生合唱比赛一等奖普通话水平测试等级证书英语专业四级证书自我评价X X X 个 人 简 历个人资料姓 名： 婚姻状况：未婚出 生： 政治面貌：团员性 别： 民 族：汉学 位： 移动电话：专 业： 电子邮件：地 址：教育背景2006.9-2010.6吉林工程技术师范学院-外国语言文学系主修课程大学英语精读，大学英语泛读，英语口语，英语听力，英语写作，英语口译，翻译学，词汇学，语法学，英美概况，英国文学，美国文学，语言学，日语，中外名胜。能力及特长这要写你明你有什么样的能力及经验，最重要就是告诉用人单位，你会做什么？计算机能力能熟悉使用Office工具以及Photoshop、Flash等软件。获国家计算机二级等级资格证书。外语水平通过英语专业四级考试，能熟练进行听说读写译。奖励情况2007-2008 优秀学生会干部 200807 师生合唱比赛一等奖普通话水平测试等级证书英语专业四级证书实习经验（或实践经验或兼职经验）这里写上你的实习经验或实践经验或兼职经验等信息吧，标题自己起一个贴切的。自我评价本人性格开朗、稳重、有活力，待人热情、真诚。工作认真负责，积极主动，能吃苦耐劳。有较强的组织能力、实际动手能力和团体协作精神，能迅速的适应各种环境，并融入其中。我不是最优秀的，但我是最用功的；我不是太显眼，但我很踏实；希望我的努力可以让您满意。这里不要照抄哦，不会写自我评价的朋友，你可以访问http 这里有很多自我评价范文可以参考。（按住键盘的CTRL键，再用鼠标点链接就可以直接打开网站，不用复制到浏览器的。）本人性格热情开朗、待人真诚，善于沟通，应变能力较强。懂得珍惜拥有的一切。B内张型鼓式制动器C湿式多片制动器D浮钳盘式制动器289.零配件市场上的主要价格形式（ABC）A厂家指导价B市场零售价C配件厂价格290.油漆出险桔皮皱，即表面不光滑，可能的原因（ D ）A涂装间通风国强B稀释剂干燥速度过快C稀释剂干燥速度过快慢D一次喷涂过厚291.汽车的动力性能包括（ACD）A最高车速B平均车速C加速时间D能爬上的最大坡度292.车险定损核价运作规范规定事故车辆修复费用包括（ABCD）A事故损失部分维修工时B事故损失部分需更换的配件费C残值D税费293.车辆全损或推定全损案件， 在确定损失前，应该了解（ABD）汽车信息A了解车辆购置时间、价格B取得车辆的购置发票或其他证明C了解车辆的购置渠道D了解车辆的所有人294.机动车电器故障引起火灾的主要原因有（BC）A电瓶故障B线路故障C电器元件故障D日光聚集295. 车险定损核价运作规范规定对残值处理的原则（AB）BA所有残值归被保险人所有，保险人在维修费中扣除B事故车辆更换的配件由保险人收回后不计入残值之内C所有配件必须折旧卖给被保险人D所有配件必须折旧卖给维修厂或废品收购站296.从火灾原因调查的角度，汽车火灾的原因分（ABCD）A机械故障类（如发动机过热）B电器类（线路老化短路）C人为类（纵火）D交通事故类（碰撞、倾覆、货物引起）297.对汽车整车进行测量非常重要的平面（D）?A基本面B中心面C零平面D下平面298.机械配件的基本维修原则（ABCD）A超过配合尺寸，通过加工也无法得到装配技术要求B变形通过矫正无法保证使用性能和安全技术要求C断裂无法焊接或焊接后无法保证使用性能和安全技术要求D转向等涉及到安全的所有发生变形的配件299.被保险人可依据哪些有效证明作为领取赔款的凭证（A）ACA居民身份证B有效驾驶本C户口薄300.驾驶员未取得驾驶资格包括哪些情况（ABCD）ABCA无驾驶证B驾驶车辆与准驾车型不符C公安交关部门规定的其他属于非有效驾驶的情况D驾驶证丢失301.车险网上理赔系统录入的要求有哪些（ABCDE）A查勘时间照片最佳大小为60-80kB扫描仪设置方档最佳大小100-150kC索赔申请书应当由当事驾驶员在第一时间亲笔填写D车损照片的拍摄必须符合车险定损核价运作规范的相关规定E驾驶证，行驶证应尽量在查勘环节第一时间采取原件拍摄 判断题 1. 185/65R14，其中R代表Radial：表达轮胎纹络为放射状的又称“子午线”() 2. 检查安全气囊系统故障时，必须先拆下蓄电池负极，再使用仪器读出故障代码。() 3. 路面附着性能越好，汽车抗热衰退性能越好。() 4. 废气再循环的作用是减少HC、CO和NOX的排放量() 5. 机动车辆保险条款（2005版）中,保险车辆发生事故,应当由第三者负责赔偿但确实无法找到第三者的,赔偿处理时实行30%绝对免赔率（） 6. 受害人无固定收入的，按照其最近二年的平均收入计算；() 7. 营运机动车在规定检验期限内经安全技术检验合格的，不再重复进行安全技术检验() 8. 本公司与被保险人就赔款金额协商确定并赔偿结案后，受害人又就同一事故向被保险人提出赔偿请求的，本公司可二次追加赔付（） 9. 维修车辆竣工结帐后,驾驶员驾驶车辆从修理厂开出时与一辆车辆相撞,因碰撞地点还在修理厂内,我司不负赔偿责任.（） 10. 机动车辆保险条款（2005版）基本险有四个独立险种（）11用于支付公安交管部门逃逸案件处理费用的特殊案件可视金额参照本机构核赔权限进行审核（）12.四冲程发动机的做工冲程中，曲轴带动活塞从上支点向下至点运动，此时进气门关闭（）13.当汽车在一般条件下行使时，应选用双速主减速器中的高速档，而在行使条件较差时，则采用低速档（）14.评价汽车制动性的指标制动效能、制动效能的恒定值、制动时的方向稳定性（）15.热塑性材料件损伤以修复为主，热固性塑性件损伤需更换（）16.投保人对投保标的具有保险利益，不具有保险利益的，保险合同无效（）17. 道路交通安全法实施条例有关高速公路应当标明车道行使速度，最高120公里小时，最低70公里小时（）18.暴风指风速28.5米/以上的大风（）19.刚性万向节是靠零件的铰链式联结来传递动力的，而挠性万向节则是靠弹性零件来传递动力的（）20.查勘案件查勘完毕后，只能点击发送按钮发送案件，不能通过 点击申请核价或申请核损按钮直接到达目的平台（）21.双片离合器中间压盘的前后，都需设有限位装置（）22.各种车身的修复，