（机械工程专业论文）成形力的求解及其在模具结构优化中的应用.pdf

c a l c u l a t i o no fs h e e t m e t a lf o r m i n g s t r u c t u r a l f o r c ea n di t sa p p l i c a t i o no nd i e d e s i g n b y d e n gc h a o b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n g x u ji n g m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：叉子恶 日期：矽7 年歹月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：砷1 1 年岁月、1 日 日期：为【1 年岁月) 日 成形力的精确计算及其柏：模具结构优化设计中的戍用 摘要 面对汽车冲压模具竞争激烈的现状，缩短产品的设计周期，提升设计质量， 降低模具成本具有非常重要的意义，然而随着模具结构越来越复杂，结构参数不 断增多，求解规模不断扩大，传统方法已不能满足产品设计的效率及精度要求。 因此，在汽车冲压模具结构设计过程中迫切需要引入实时计算方法，提升复杂结 构的分析精度，进而实现结构参数的优化设计。众多学者对实时计算方法进行了 研究，寻找计算精度与效率较高的算法，已取得诸多成果，但仍有较多问题值得 进一步探索。本文针对金属薄板冲压成形过程中成形力在板料与模具之间传递的 关系，提出一种不同网格类型之间的载荷映射计算方法。该方法通过映射单元的 精确定位，在板料壳单元与模具实体的单元之间建立了一种对应关系，构建板料单 元节点上的成形力与模具网格之间载荷映射的关系模型，从而得到模具表面的精 确的载荷分布。将该方法应用于模具结构的优化中，在精确计算模具各部分所受 载荷的基础上进行结构优化，得到了满足强度要求的优化结构模型，实现了模具 的轻量化。 围绕载荷映射法以及在汽车冲压模具中的应用这一主题，本论文主要开展了 以下几方面的研究内容： ( 1 ) 对板料成形力精确求解进行研究。在对冲压成形相关理论阐述的基础上， 结合工程实例，研究了不同工艺参数及不同单元尺寸对成形力的影响； ( 2 ) 基于成形力的求解对模具载荷映射方法进行研究。映射方法研究包括映 射方向的选择，节点的精确定位，成形力的插值计算，并对其进行实例分析及其 通过实验对比确定方法的正确性。 ( 3 ) 结合载荷映射及板料成形力的求解对模具结构进行优化分析。利用成形 力的精确传递计算方法，得到后续模具结构优化分析的边界条件，对模具进行结 构优化设计，从而合理改进模具承载母体结构，使得模具母体达到满足刚强度要 求又实现轻量化的目的。 关键词：冲压模具；成形力；载荷映射；结构优化 硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ef i e r yc o m p e t i t i o ni na u t o m o b i l e s t a m p i n gd i ei n d u s t r y , i ti s i m p o r t a n tt os h o r t e np r o d u c td e s i g nc y c l e ，i m p r o v eq u a l i t ya n dr e d u c et h ec o s t f u r t h e r m o r e ，t h e r ea r em a n yo t h e rc h a l l e n g e s ，s u c ha sm o r ec o m p l e xd i es t r u c t u r e ， i n c r e a s i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，a n de x p a n d i n gs o l v i n gs c a l e s h e n c e ，t h et r a d i t i o n a l m e t h o d sc a nn o tk e e pu pw i t ht h er e q u i r e m e n t so f d e s i g ne f f i c i e n c ya n da c c u r a c yi n s o m ee x t e n t t h e r e f o r e ，i ti s u r g e n tt oi n t r o d u c et h er e a l t i m ec a l c u l a t i o nm e t h o d s w h i c hc a ni m p r o v et h ea n a l y s i sa c c u r a c yo fc o m p l e xs t r u c t u r ea n do b t a i nt h eo p t i m a l p a r a m e t e r so fs t r u c t u r a ld e s i g n w i t hr e a l t i m ec a l c u l a t i o nm e t h o d s ，m a n ys c h o l a r sh a v ed e v e l o p e dn u m e r o u s r e s e a r c h e st of i n dh i g ha c c u r a c ya n de f f i c i e n c ya l g o r i t h m s ，b u tt h e r ea r es t i l lm a n y f u r t h e re x p l o r a t i o n s w i t hl o a dm a p p i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rc a r r i e so u to p t i m i z a t i o n a n a l y s i st od i es t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fo p t i m i z a t i o na n a l y s i s ，t h ed i e s t r u c t u r ei si m p r o v e dv a l i d l y m o r ed e t a i l sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s 1 p r e c i s es o l u t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n gf o r c ei s p r o p o s e di nt h i sp a p e r w i t h s t a m p i n gf o r m i n gt h e o r i e sa n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ，v a r i o u si n f l u e n c ef a c t o r so f f o r m i n gf o r c ea r es t u d i e d 2 t h el o a dm a p p i n gm e t h o di s i n v e s t i g a t e db a s e do nt h es o l u t i o no ff o r m i n g f o r c e s o m ek e yi s s u e si sd i s c u s s e di nt h i sm e t h o d ，s u c ha st h ec h o i c eo fm a p p i n g d i r e c t i o n ，t h e a c c u r a t e p o s i t i o no fn o d e s ，t h ei n t e r p o l a t i o no ff o r m i n gf o r c e a d d i t i o n a l l y ，s o m ep r a c t i c a lc a s e sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na r ep r e s e n t e d 3 t h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i si s p r o p o s e dt od i es t r u c t u r eb a s e do nt h el o a d m a p p i n gm e t h o da n ds o l u t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n gf o r c e t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s o ft h ed i es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n a l y s i sc a nb eo b t a i n e d t h r o u g ht h em e t h o do f p r e c i s e l yt r a n s f e rt h ef o r m i n gf o r c e t h e no p t i m i z et h ed e s i g no ft h ed i es t r u c t u r et o m a k et h ed i em e e tt h e r e q u i r e ds t r e n g t ha n dr e a l i z et h ep u r p o s eo fl i g h t w e i g h tb a s e d o nt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：s t a m p i n gd i e ；f o r m i n gf o r c e ；l o a dm a p p i n g ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i l l 成形力的精确计算及其在模具结构优化设计中的应用 目录 学位论文版权使用授权书i 摘 要一：i i a b s t r a c t i i i 目录i v 插图索引v i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 冲压成形力研究发展现状1 1 3 冲压模具结构优化分析及优化研究现状3 1 4 本文研究主要内容4 第2 章板料成形力的求解6 2 1 引言一6 2 2 冲压成形数值模拟相关理论6 2 2 1 板料成形的特点6 2 2 2 弹塑体本构关系6 2 2 3 算法的选择8 2 2 4 接触和摩擦处理8 2 3 成形力仿真计算9 2 3 1 模具表面法向载荷计算9 2 3 2 板料成形力的确定9 2 3 3 仿真平台选择1 1 2 3 4 板料成形力的计算1 2 2 4 本章小结2 0 第3 章基于板料成形的节点载荷映射一2 1 3 1 引言2l 3 。2 映射法的理论基础2 l 3 3 载荷映射方法选择2 1 3 3 1 映射方向选择2 1 3 3 2 节点的精确定位2 2 3 3 3 单元成形力映射计算2 3 3 4 载荷实例分析2 4 硕士学位论文 3 5 载荷映射在模具结构分析上的应用及实验验证一2 6 3 5 1 实验常温静态应变测量方法一2 7 3 5 2 确定应变片的位置2 9 3 5 3 实验数据的采集3 0 3 5 4 实验模具的结构分析3 l 3 5 5 数据与仿真计算数据比较分析3 2 3 6 本章小结3 3 第4 章基于成形力映射的模具结构优化设计及验证3 5 4 1 引。言3 5 4 2 模具结构优化设计3 5 4 2 1 结构优化技术3 5 4 2 2 基于s i m p 理论拓扑优化的数学模型3 6 4 2 3 最小柔度拓扑优化问题的优化准则设计3 7 4 2 4 模具结构优化分析4 0 4 2 5 模具结构轻量化改进4 4 4 3 模具结构分析4 5 4 3 1 刚强度分析有限元理论4 5 4 3 2 模具结构分析仿真平台选择一4 8 4 3 3 传统模型结构分析4 8 4 - 3 4 优化模型结构分析5 1 4 3 5 对比分析5 4 4 4 ，j 、结5 6 结论与展望5 7 5 1 论文的工作总结5 7 5 2 展望：5 7 参考文献5 9 致j 射6 3 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录6 5 附录b 攻读硕士学位期间从事的主要研究工作6 7 v 成形力的精确计算及其在模具结构优化设计中的麻用 插图索引 图2 1 板料成形过程受力示意图1 2 图2 2 凸缘部分的径向应力：1 2 图2 3 p a m s t a m p 模拟基本流程1 4 图2 4 某汽车后门内板工艺补充模型一1 5 图2 5 前门内板p a m s t a m p 仿真模型一1 7 图2 6 不同的摩擦系数对应成形力的曲线图1 7 图2 7 前门内板p a m s t a m p 仿真模型18 图2 8 不同压边力对应成形力曲线图1 9 图2 9 不同的硬化指数n 对应的成形力曲线图1 9 图2 1 0 不同的硬化系数对应成形力的曲线图2 0 图2 1 l 不同虚拟冲压速度对应的成形力曲线图。2 1 图2 1 2 前门内板p a m s t a m p 仿真模型2 2 图2 1 3 不同最小单元尺寸对应的成形力的曲线图2 2 图3 1 映射方向2 4 图3 2 全局空间格的建立2 5 图3 3 载荷的插值计算2 6 图3 4 模型网格大小对比2 8 图3 5 映射前后模型成形力对比2 8 图3 6 三向应变片测量一点处主应力3 0 图3 7 上模座底面6 个测试点3 3 图3 8 整形刀块1 0 个测试点一3 3 图3 9 下模座底面16 个测试点3 3 图3 1 0 下模座1 3 个测试点一3 3 图3 1 1 应变片点示例3 3 图3 1 2 冲压测试过程3 4 图3 1 3 上模座拉应力3 5 图3 1 4 上模座压应力3 5 图3 1 5 下模座拉应力3 5 图3 1 6 下模座压应力3 5 图4 1 传统的栅格式结构3 7 图4 2 基于人工材料密度的拓扑优化流程图4 2 v l 硕：上学位论文 图4 3 结构优化有限元模型4 4 图4 4 结构优化云图4 5 图4 5 改进模型对比图4 6 图4 6 上模z 方向的变形量一5 0 图4 7 上模x 方向的变形量5 0 图4 8 上模y 方向的变形量。5 l 图4 9 上模拉应力图5 1 图4 1 0 上模压应力图5 l 图4 1 1 下模z 方向的变形量5 2 图4 1 2 下模x 方向的变形量5 2 图4 1 3 下模y 方向的变形量5 2 图4 1 4 下模拉应力图5 3 图4 1 5 下模压应力图5 3 图4 1 6 上模x 方向的位移5 3 图4 1 7 上模y 方向的位移一5 3 图4 1 8 上模z 方向的位移5 4 图4 19 上模拉应力图5 4 图4 2 0 上模压应力图5 4 图4 2 l 下模x 方向的位移5 4 图4 2 2 下模y 方向的位移5 5 图4 2 3 下模z 方向的位移5 5 图4 2 4 下模拉应力图5 5 图4 2 5 下模压应力图5 5 v i l 硕i = 学位论文 1 1 引言 第l 章绪论 汽车覆盖件模具是整个汽车模具的重要组成部分，同时是加工难度最大、技 术最密集的部分i l 】。与一般冲压件相比，汽车覆盖件材料结构尺寸大、形状复杂、 相对厚度小、尺寸精度和表面质量要求较高1 2 】，成形时坯料上各部分的变形复杂、 差别较大，各处受力很不均匀，因此覆盖件模具设计和制造难度大、质量和精度 要求高。这导致在汽车制造费用方面汽车覆盖件模具的制造费用占整个汽车制造 费用的很大部分1 3 j 。随着汽车轻量化要求不断提高，车身材料强度的要求越来越 高，高强度钢板的使用导致冲压成形性能更加恶劣，对汽车冲压模具的设计提出 了更高的要求。模具结构设计问题越来越复杂，设计参数不断增多，计算规模也 在不断扩大，尽管计算机水平在飞速提高，但面对大规模计算问题采用传统计算 方法( 如有限元法、无网格法) 进行计算仍需消耗大量的时间。对模具结构进行 优化设计时边界条件的精确度不高、计算效率低下是制约优化理论在复杂结构设 计中应用的瓶颈。本文针对冲压模具传统设计方法进行了改进，即通过载荷映射 方法将板料成形力转化为模具结构优化的边界条件，在此基础上对模具进行优化 分析。以汽车冲压模具的刚度、强度为约束条件，以结构参数为设计变量进行轻 量化为目标的优化设计。根据优化结果，对模具结构进行轻量化设计，排除了传 统设计方法的盲目性，不仅满足高强度钢板成形过程中对模具的刚度、强度要求， 也提高了设计效率与设计质量，具有极高的实用价值与工程意义。 1 2 冲压成形力研究发展现状 成形力是由压机提供的，使得模具板料能够冲压成形的最小力，压机的吨位 由成形力与压边力之和决定。通常工程所用的经验公式是根据模具周长和板料厚 度进行计算计算，这样的话很难得到精确结果，需对模具进行多次试冲才能确定 成形力的大小。通过成形力的仿真计算可以比较准确的预算得到成形力的值。 许多专家学者对成形力的求解做了大量研究。y a n gj b 和j e o nb h 等1 4 j 采用 软件p a m s t a m p ，对某汽车管材零件拉杆的绕弯和压弯过程进行了三维弹塑性 有限元模拟，获得了壁厚变薄率和横截面形状变化与成形参数之间的关系。模拟 过程中采用库仑摩擦模型，并将选择各向同性材料。研究发现管材和防皱块之间 的间隙是影响起皱的主要因素，随着拉杆弯曲半径的减小，壁厚减薄率和截面畸 变将会增大。同济大学孙东继1 5 l 等作了金属板料幂指型硬化模型应变强化系数k 成形力的精确计算及其在模具结构优化设计中吩厢用 值研究，通过研究应变强化系数k 值与抗拉强度和应变强化指数n 值之间的关系 得出，k 值可作为衡量板料成形性能的综合指标。其不仅能反映n 值所能反映的 材料性能，还反映材料均匀塑性变形范围内所能承受的局部极限拉伸载荷大小。 上海交通大学黄海锋【6 】作了基于u gn x 平台的汽车覆盖件冲压方向优化。分 析冲压方向在汽车覆盖件拉延工艺中的作用，阐述了冲压方向的确定原则。建立 并通过编程实现了冲压方向的优化模型。对c a d 软件u g 进行二次开发，集成 优化程序，实现冲压方向的自动优化。以汽车加强板零件为例，对该优化功能进 行了验证，效果较佳。 湖南大学谢晖，杨旭静【7 】等作了计算机仿真中板料冲压成形压边力的优化。 通过运用板料拉伸、压缩失稳理论和有限元计算方法，提出了新的起皱临界应力 计算方法，对板料冲压成形中各处的稳定性进行数值化描述，从而确定冲压工艺 的合理性，并优化压边力。有效地防止拉裂和起皱的发生，解决了工程分析中的 一个难题。 湖南大学成艾国，钟志华1 8 】等作了面向设计的车门内板拉延成型分析。由于 车门内板形状结构复杂，特征多，拉延深度大，因此，根据同步工程的理念，在 车身设计阶段，采用有限元数值模拟方法，对车门内板拉延工序进行成形性预测， 根据分析结果，反馈指导设计，从而在设计阶段尽量避免模具制造过程中可能出 现的风险。该研究以其中的一个循环分析为例，阐明整个成型分析的过程，根据 初次分析结果，通过改变材料，增加几何特征，增大倒角，得到了比较好的仿真结 果，优化了结构设计。 南昌大学黄菊花1 9 】等作了冲压件成形计算机模拟工艺参数优化方法研究。分 析了常规有限元金属板料成形模拟的不足，提出了参数化有限元分析的概念，在对 人工神经网络、遗传算法进行深入分析研究的基础上，采用参数化有限元分析方法 进行分析，得到了训练样本。提出了采用人工神经网络技术建立冲压件成形多参数 映射关系模型，采用遗传算法进行多参数组合优化，实现冲压件成形计算机模拟工 艺参数优化的方法。 吉林大学宋雪松，蔡中义，李明哲【l o 】作了板材多点成形过程中成形力的数值 模拟。基于显式动力有限元算法，求解了多点成形中成形力的计算经验公式。对 不同材料、不同厚度的圆柱面、球面及马鞍面三种典型形状的成形力进行了数值 模拟，分析了成形力的变化过程及影响因素。结果表明：在成形过程中，随着基 本体与板料接触数目的增多，成形力会越来越大。厚板成形、硬质材料成形时都 将需要较大的成形力。由于变形的复杂性，成形双向曲率的目标面时所需的成形 力明显高于单向曲率。这些结果对于选择多点成形设备、更好地控制板材多点成 形过程以减少成形缺陷具有重要的指导作用。 成形力的准确预测和控制是该领域学术界和工程界的研究热点和共同面临的 2 硕士学位论文 难题。 1 3 冲压模具结构优化分析及优化研究现状 传统的冲压模具结构设计是依据各企业的压力设备、设计规范和准则，结合 模具设计员的经验，并没有特别关注模具母体结构的受力和变形情况。工程实际 中低碳钢冲压模具受力情况不十分恶劣，并且传统模具设计得比较保守，常把安 全系数取得较大，再加上传统低强度钢板的成形性好，模具的微小变形对材料成 形影响很小，所以国内外关于冲压模具结构分析的研究并不多见。现有的关于模 具结构优化研究多集中在对模具成形性工艺参数的优化上，如优化板料形状和尺 寸、压边力大小、压边圈形状、拉延筋的布置、凸凹模具圆角1 3 1 ，对模具母体 结构形式进行优化设计的研究工作很少。但在锻造、挤压领域，模由于具受力非 常恶劣，模具的变形会直接影响制件的成形精度，所以一些学者对这一领域的模 具结构进行了研究。他们研究的方法可以作为冲压模具研究的借鉴。 实验研究方面，k o j i m a l l 4 1 等率先测量了棒拉拔过程中模具上的压力分布。 m a t s u b a r a i t s 等设计了一种传感器测量模具和工件接触面上的压力，并先后用这种 传感器研究了纯铝平面应变冷挤压过程【l6 j 中、铝罐轴对称反挤压过程【l 7 l 中和轴对 称冷锻过程【l 引中，模具和变形工件接触界面间的压力分布和特性。m u r a t a i l 9 j 等采 用电容式位移传感器测量锻造过程中模具的变形。h i l l e r y l 2 0 】等用嵌入式应变片研 究了棒材拉拔中的应力。m a c c o r m a c k i 2 1 等用有限元法分析了冷锻中的工件破裂 过程。英国b a l e n d r a 教授领导的研究小组从上世纪9 0 年代开始就采用分析、实 验和数值模拟的方法对锻模的变形进行了深入研究1 2 2 之”。b a l e n d r a 教授分析了锻 件尺寸偏差的来源并指出净成形工艺中制件尺寸误差的模拟、预测和补偿的关键 因素是预先得出成形过程中模腔内的压力分布。由于板料件和模具的变形相互耦 合，对计算机软硬件水平要求较高，而当时的计算机软硬件水平还不足以处理如 此复杂的问题。因此，直至本世纪初，b a l e n d r a 研究小组主要采用基于实验实测 接触力的研究模型。他们采用压电陶瓷材料开发了一种三轴力传感器，利用该传 感器采集到模腔内的压力作为载荷输入，用有限元法分析模具的弹性变形，为净 成形制件尺寸补偿模具设计提供指导。b a l e n d r a 研究小组的l u t 2 6 】等1 9 9 6 年提 出了三种有限元模型：将模具视为弹性体、工件视为弹塑性体的弹塑性有限元 模型，对模具和工件进行整体耦合分析；刚塑性模型，即将模具视为理想刚性 体，工件视为弹塑性体进行仿真分析；基于实验实测接触力的分离模型，即建 立模具的线弹性模型和工件的弹塑性模型，将实验测得的接触力分别施加到模具 和工件上对他们分别进行分析。但第一种模型过于复杂，超出了当时计算机的求 解能力；第三种方法要先制造出模具，这个过程耗资、费时。l u 等【2 7 2 8 】采用刚 塑性模型成功地模拟了锻造成形中模具模腔压力分布。在当时的计算机水平下， 3 成形力的精确计算及其在模具结构优化设计中的应用 他们提出一种解耦合的两步模拟法，使用分离的模型来预测制件的尺寸误差。结 果表明，解耦的两步模拟法具有足够的精度。随着有限元软硬件水平的发展， l e e 2 9 0 l j 等同时通过实验方法和数值模拟方法研究了冷锻模具的弹性变形。实验 中利用应变仪测量了模具的弹性应变；数值模拟运用d e f o r m 2 d ，在成形分析 中分别把模具视为刚性体和弹性体，工件分别采用刚塑性和弹塑性模型。通过不 同组合与实验对比发现：将模具视为变形体，采用耦合方法分析得到的模具上的 应变与实验更符合，但是耦合分析方法耗时长的多。冲压模具，特别是汽车覆盖 件冲压模具通常体积大而且结构复杂，冲压模具结构分析面临如下难题p 2 j ： ( 1 ) 在建模方面，冲压模具尺寸大、结构复杂，所以，在对其模具母体结构 进行分析时，有限元模型的精度和求解规模的矛盾是一个大问题，必须综合考虑， 进行合理的建模； ( 2 ) 由于冲压过程，随着冲压速度、压边力、变形温度等影响，冲压成形过 程中变形板料和模具之间的接触状态复杂，冲压模具实际受到的载荷信息难以准 确获得； ( 3 ) 在有限元模型确认方面，由于冲压模具价格昂贵，实验耗时长久、耗资 巨大，不能够根据实际模型对有限元模型进行验证，而且到目前为止没有切实可 行的测量方法： ( 4 ) 由于实际生产中人为因素、随机因素不可避免，工艺设置波动对模具结 构受力的影响复杂。 张贵宝、陈军【3 3 。3 5 】等借鉴l u 等提出的解耦合两步模拟法思想，先通过板料 成形数值模拟得到板料变形对模具的作用力，然后通过边界力的映射算法将作用 力施加到模具的有限元模型上，代替板料对模具的作用力对模具进行结构分析。 应用这种方法模拟底面为曲面的带法兰盒形件拉深成形过程，材料为高强度钢板 d p 6 0 0 。实验中在模具上开3 m m s m m 的浅槽，在槽内贴三轴应变花测量模具受 力，计算关键部位的等效应力。经过对比验证，数值模拟和实验结果等效应力最 大误差为1 4 8 1 。说明数值模拟方法得到冲压模具受力是可信的，而且兼顾了 计算效率。 1 4 本文研究主要内容 伴随汽车轻量化要求逐步提高，高强度钢板广泛应用于汽车覆盖件零件，这 导致模具载荷偏高，从而引起的模具应力升高，成为冲压模具母体结构失效和非 正常损毁的直接原因。由于高强度钢板的成形性差，即使模具冲压过程受到的载 荷不足以使模具结构破坏，但因此引起的模具母体变形可能已经严重影响板料的 成形性，同时实际冲压过程中各种工艺参数波动的影响是不可避免的，工艺参数 波动会影响板料的成形性和模具结构的受力及变形。针对上述问题，本文着重研 4 硕十学位论文 究汽车覆盖件模具在冲压过程中的力学响应，并在此基础上优化传统的模具结构 形式，实现模具结构轻量化。具体内容安排如下： 1 汽车覆盖件冲压成形的有限元模拟。通过冲压模拟得到冲压过程中板料对 模具表面的作用力。以p a m s t a m p 2 g 2 0 0 8 为数值模拟平台，对某典型外覆盖件 零件的拉深成形过程进行模拟，获取冲压过程中板料对模具的作用力。讨论板料 成形模拟中几个关键问题：算法选择、材料模型、单元类型和接触与摩擦处理。 通过对不同工艺参数及不同单元尺寸等影响因素的研究，精确成形力的求解参数， 为模面载荷映射做好基础。 2 载荷映射方法研究。覆盖件模具结构大且复杂，导致在有限元求解时在求 解精度和求解规模之间难以取舍，针对此问题，推导了一种载荷映射方法，将板 料成形数值模拟获得的变形板料和模面之间的接触力高效的映射到模具结构分析 有限元模型上。并对该载荷映射方法进行试验验证。 一， 3 冲压模具的结构优化方法。以冲压模拟得到的板料成形力为荷载边界条件， 对模具结构进行优化。利用著名的优化软件o p t i s t u r c t 在模具结构分析的基础 上，采用拓扑优化技术对模具结构进行优化。并针对某典型的覆盖件模具，在 c a d 系统u g 中改进得到新的模具结构。 4 冲压模具结构分析方法。分析模具冲压过程的力学响应，了解模具在整个 冲压过程中的受力变化规律。将板料成形模拟得到的模具受力情况施加到模具有 限元模型上，利用有限元求解器n a s t r a n 分析传统模具和优化后模具的受力情 况，并作出对比性分析。 s 成形力的精确计算及其在模具结构优化设计中的应用 2 1 引言 第2 章板料成形力的求解 在冲压生产中高强度钢逐渐得到广泛应用，导致冲压模具受力恶劣，甚至出 现了模具损毁、失效问题，并且高强度钢的成形性差、回弹严重、模具母体刚度 不足，导致高强度钢冲压模具调试、修模困难，需要对成形力进行精确计算，本 章在对板料成形相关理论介绍的基础上，对成形力的仿真计算影响因素进行研究， 为得到较精确的板料成形力提供较合适的工艺参数。 2 2 冲压成形数值模拟相关理论 2 2 1 板料成形的特点 板料成形过程是一个同时包含材料非线性( 应力与应变之间的非线性) 、边界 条件非线性( 模具与工件产生的接触摩擦引起的非线性) 和几何非线性( 应变与位 移之间的非线性) 的非常复杂的高度非线性问题，具有以下特点： ( 1 ) 板料成形过程中，板料的主要变形是塑性变形，但也必须加以考虑和计算 弹性变形和回弹，因此，一般不宜采用刚塑性材料模型； ( 2 ) 薄板材料通常具有各向异性，所以屈服函数应该具有材料各向异性的特 点； ( 3 ) 针对板料成形小应变、大变形的特点，变形过程应采用有限变形理论来描 述； ( 4 ) 板料成形模拟过程中，单元一般采用膜单元或壳单元； ( 5 ) 对板料成形过程存在的拉伸失稳引起的局部变薄) 和压缩失稳引起的皱曲 现象，应加以关注改正； ( 6 ) 板料成形过程实际是一个准静态变形过程，但在模拟变形过程中应采用显 示动力算法。 2 2 2 弹塑体本构关系 塑性变形时应力和应变的关系叫做本构关系。在塑性变形时，应力与应变之 间有如下特点：( 1 ) 应变与应力之间是非线性的：( 2 ) 塑性变形时可认为体积不变； ( 3 ) 对于应变硬化材料，卸载后重新加载时的屈服应力就是卸载时的屈服应力，比 初始屈服应力要高。 增量理论是指材料处于塑性状态时，应力和应变增量或应变速率之间关系的 6 硕十学位论文 蟛“五若 ( 2 2 ) 嵋= d 菇= q 乞卅彰) = p 乞。五考) ( 2 3 ) 盖”舌咖。 ( 2 5 ) 要毗t f l a d 毒口 8 6 i ? 一 以2 磊荨器 q 石 嘴蚜一 亿8 ， 呼驴藜若蠡 q 名 7 成形力的精确计算及其在模具结构优化设计中的麻用 2 2 3 算法的选择 为了得到加载过程中应力和变形的演变历史及保证求解的精度和稳定，通常 采用增量法对其进行数值分析求解【3 4 】。利用全l a g r a n g e 形式建立系统离散后的 有限元方程为 m 西+ c 西卜k = ：p ( 2 9 ) 式2 9 中m 、c 、k 、p 分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点力向 量，、d 、u 分别为节点加速度、速度和位移向量。 对于板料成形的数值仿真，算法选择主要有静力隐式算法( s t a t i ci m p l i c i t a l g o r i t h m ，s i ) 、静力显式算法( s t a t i ce x p l i c i ta l g o r i t h m ，s e ) 和动力显式算法 ( d y n a m i ce x p l i c i ta l g o r i t h m ，d e ) 。对于可以采用较大的时间步长，处理规模不大， 非线性不是很强的问题时常采用静力隐式法，其能比较快地得到收敛解。但对于 复杂的冲压成形过程，计算规模很大时，隐式算法中整体刚度矩阵的形成和求逆 所需时间较长，并且成形过程中摩擦接触条件不断变化，所造成的强非线性使迭 代计算难以收敛，与之相比，动力显式法从系统的动力平衡方程出发，利用中心 差分法对时间进行显式积分求解运动方程，即以开始时间段的t 时刻系统状态变 量为己知的条件下，计算得到结束时间段的t + a t 时刻的系统状态，计算过程中无 需整体刚度矩阵的形成和分解，在相同的条件下，比隐式方法需要的空间和内存 少，计算的精度高，是解决冲压和碰撞有限元仿真的最佳方法。 2 2 4 接触和摩擦处理 接触处理是有限元数值模拟分析中的关键技术之一，接触面之间相互作用的 准确模拟是c a e 分析结果的可靠性和准确性的一个重要前提条件。零件毛坯在成 形过程中的加载过程必须通过模具与毛坯之间的接触实现。模具冲压过程中，与 接触相关的模具特征包含凹凸模型面、压边圈( 压料面) 、拉延筋等。接触处理中 的基本问题包括接触点的搜寻、接触力的计算、接触应力的计算等p 7 1 。 ( 1 ) 接触点的搜寻 接触点的搜寻一般分为接触前搜寻和接触后搜寻，是指通过计算找出所有应 作为已接触点处理的