多工位級進沖模模具結構技術研究

摘要

　　近年來我國汽車工業發展迅速，如何研制出高安全性、節能環保的新型汽車產品已經成為企業提高自身競爭力的關鍵。高強鋼板在減輕汽車重量和提高安全性能方面具有雙重優勢，因此在汽車行業受到了廣泛的應用。高強鋼板零件沖壓生產時，模具結構受力大幅增加，給模具結構設計帶來了新的挑戰。由于設計理論的缺乏，傳統模具設計往往依賴經驗準則，通過選取較高的安全系數來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模模具結構設計缺乏理論指導的問題，本文對高強鋼板級進模模具結構分析及優化設計方法進行了研究，旨在對模具結構定量分析，探索模具結構優化設計新方法，具有重大的理論意義和實用價值。主要研究內容如下：

　�。�1）以某高強鋼板汽車底梁加固件為研究對象，結合零件的特征進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�？傮w結構和關鍵部位結構進行了設計。

　�。�2）運用 Dynaform 軟件進行了汽車底梁加固件的 12 工位級進沖壓成形全工序有限元數值模擬，詳細分析了關鍵工位零件的成形質量及模具受力情況；對汽車底梁加固件進行了級進沖壓試驗，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）通過沖裁試驗和數值模擬相結合的方法，獲取了汽車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行了有限元數值模擬，獲得了沖裁成形時模具的受力情況，對沖裁力的數值模擬值與理論值進行了分析比較，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底梁加固件板料沖壓成形數值模擬所獲取的節點力映射到模具的工作表面，構建了級進模模具結構分析的力邊界條件；利用結構分析軟件 HyperWorks/Radioss 建立了汽車底梁加固件級進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行了分析，以明確結構設計優化的空間。

　�。�5）采用 HyperWorks/Optistruct 軟件，以結構減重為目標，基于變密度法對汽車底梁加固件級進模模具結構進行了拓撲優化迭代計算，獲取了不同單元密度閥值情況下的最佳材料分布。提出了改進的優化效益指標概念，探索了結構拓撲優化單元密度閥值的選取方法。利用 UG 軟件對模具結構進行二次設計。通過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）對汽車連接器件級進模模具結構進行了拓撲優化設計，與按傳統方法設計的模具相比，優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%，對重構后的級進模在沖壓成形中的應變值進行了測量，并與結構分析數值模擬結果進行了比較；分析了模具結構優化前后零件的成形質量，驗證了連接器件級進模模具拓撲優化結果的準確性，進一步說明了本文所提出的多工位級進模模具結構分析及優化設計方法是切實可靠的。

　　關鍵詞：高強鋼板；汽車底梁加固件；級進模；結構分析；拓撲優化

　　多工位級進模沖模是基于單工序沖壓模具發展起來的多工序集成模具，能夠在沖床的一次行程中同時完成多個工序的沖壓成形[1]。多工位級進模能夠實現高速沖壓成形，滿足提高生產效率、減小生產成本的要求，廣泛應用于各個行業。以汽車行業為例，車身覆蓋件、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模沖壓成形[2]。

　　近年來，為了實現輕量化的目標，高強度鋼、超高強度鋼在汽車行業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大幅增加[3]。模具的彈性變形已成為影響零件成形質量的重要因素之一，給模具結構設計帶來了新的挑戰。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際累積的模具設計經驗進行設計。為了避免模具的剛度不足對制件成形產生影響，模具工程師通常采用較高的安全系數來進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，如何根據模具的實際受力情況進行合理的結構優化設計就顯得非常重要。

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

　　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，所以國內外的專家學者并沒有特別關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量的影響[5-7]。

　　美國 Volvo 公司的 Anna Nilsson 通過有限元數值模擬技術獲得汽車覆蓋件的成形力并作為凹模結構分析的力學邊界條件，對凹模結構分析獲得了凹模結構的變形和應力情況，并以此為根據進行了凹模結構減重設計[9]。韓國漢陽大學的 Ahn 和 Keum 等人利用有限元分析對汽車翼子板沖壓模具進行了結構分析，通過對比，在考慮模具結構的彈性變形情況下通過數值模擬獲得的制件成形質量與實際生產情況更加接近[10]。美國福特公司的 Conle 和 Wang 等人通過試驗測量模具上應力應變的變化情況來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 大學的 Dingle 通過有限元仿真技術研究了汽車沖壓生產中常用的機械雙動壓力機的彈性變形，并以此為依據對模具結構進行了優化設計[12]。美國通用汽車模具制造中心的 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埋入式應力測量方法研究了沖壓成形過程中壓邊圈結構的應力分布情況，同時對壓邊圈結構的應力進行了有限元數值模擬，通過對比可知數值模擬結果與實際測量比較吻合[14]。華南理工大學的夏琴香教授等利用有限元分析軟件通過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結構件沖裁工位模具結構進行了靜力分析，校核了模具的強度和剛度[15]。上海交通大學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，該方法首先通過對板料沖壓成形數值模擬來獲得變形板料的節點力，然后將板料上的節點力載荷映射到結構分析模具網格表面作為結構分析的力邊界條件，并利用動態應變采集儀對盒形件壓邊圈結構在拉深時的應力進行了測量，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格，通過格式轉換讀取沖壓荷載，降低了求解計算的規模，簡單易行[17]。

　　結構優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]

　　。結構優化設計可以避免過渡依賴設計人員的經驗進行機械結構設計，優化設計的參數可根據需要進行選擇且自動向最優方向調節。因此，結構優化設計得出的結果不僅可行而且還是最優的設計方案[19]。

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

　　尺寸優化主要是對零件的厚度、剛度以及截面尺寸等進行優化[21]。A.Kaveh 和M.Khayatazad 利用光線尋優法針對桁架結構進行了尺寸優化，使得桁架結構在滿足限制條件下重量達到最小，獲得了桁架結構的最優尺寸[22]。太原科技大學的曾成奇利用有限元軟件中優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行了尺寸優化[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行模態分析，然后對機床床身的設計尺寸進行動態靈敏度分析，最后對數控機床床身結構動態性能影響較大的尺寸進行優化設計，以最優設計方案為依據對床身結構尺寸進行改進[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

多工位級進沖模模具結構技術研究：

汽車連接器件零件圖及級進模模具的三維模型示意圖

汽車連接器件排樣圖

全工序有限元模型

沖壓成形數值模擬結果

連接器件級進模結構分析有限元模型

連接器件級進模下模結構分析位移云圖

連接器件級進模結構優化前位移云圖

單元密度大于 0.10 的單元

重構后的下模架結構示意圖

連接器件級進模優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 結構優化方法應用的研究現狀
　　　　1.4 沖壓模具結構優化的研究現狀
　　　　1.5 課題研究的意義及研究內容
　　　　　　1.5.1 課題研究的意義
　　　　　　1.5.2 課題的研究內容
　　　　1.6 本章小結
　　第二章 某汽車底梁加固件多工位級進模設計
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 多工位級進模設計步驟
　　　　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 模具關鍵部位結構
　　　　2.6 本章小結
　　第三章 某汽車底梁加固件級進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 級進沖壓全工序有限元數值模擬
　　　　　　3.3.1 材料模型
　　　　　　3.3.2 級進沖壓全工序有限元建模
　　　　　　3.3.3 級進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 級進沖壓試模過程及結果
　　　　　　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 某汽車底梁加固件級進沖裁成形數值模擬
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 金屬成形過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 級進沖裁成形過程有限元模型
　　　　　　4.3.1 斷裂準則閾值
　　　　　　4.3.2 沖裁成形有限元建模
　　　　4.4 沖裁成形過程數值模擬結果
　　　　4.5 本章小結
　　第五章 多工位級進模模具結構分析及拓撲優化
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 模具結構拓撲優化設計流程
　　　　5.3 汽車底梁加固件級進模模具結構分析
　　　　　　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 某汽車底梁加固件級進模模具結構拓撲優化
　　　　　　5.4.1 下模模具結構拓撲優化
　　　　　　5.4.2 上模模具結構拓撲優化
　　　　　　5.4.3 級進模模具結構優化后再設計
　　　　　　5.4.4 下模模具結構優化前后性能對比分析
　　　　　　5.4.5 上模模具結構優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化模型驗證與結果分析
　　　　6.1 引言
　　　　6.2 某汽車連接器件級進模模具結構拓撲優化
　　　　　　6.2.1 級進模模具結構分析
　　　　　　6.2.2 級進模模具結構拓撲優化
　　　　　　6.2.3 級進模模具結構優化前后性能對比分析
　　　　6.3 連接器件級進模下模立板應變測量
　　　　　　6.3.1 電阻應變測量原理
　　　　　　6.3.2 測量點選取與應變花安裝
　　　　　　6.3.3 級進模模具安裝及應變測量
　　　　6.4 試驗結果分析
　　　　　　6.4.1 應變實測結果與數值模擬結果對比
　　　　　　6.4.2 模具結構優化前后零件成形質量分析
　　　　6.5 本章小結
　　結論與展望
　　主要研究內容及結論
　　論文主要創新點
　　進一步研究展望
　　參考文獻
　　攻讀碩士學位期間取得的研究成果
　　致 謝

（如您需要查看本篇畢業設計全文，請您聯系客服索�。�