汽车覆盖件冲压模具的结构优化与分析

摘 要

　　近年来我国汽车工业飞速发展，众多汽车企业都在为缩短新车型研发周期、降低生产成本而努力。冲压模具作为生产汽车覆盖件的重要工艺装备，其设计质量和成本对汽车的生产研发有着重要影响。随着能源和钢铁价格不断上涨，控制模具成本显得尤为重要。另外，高强度钢板等新材料、伺服压力机等新设备的应用，对传统的冲压模具提出了新的问题和挑战。要解决这些问题就必须加强对模具结构优化设计和模具结构分析的研究。

　　本文在总结原有模具结构分析方法的基础上，从覆盖件模具入手，提出了基于板料成形模拟的冲压模具结构优化方法和分析方法。采用冲压成形模拟和结构优化分析解耦的思路，运用拓扑优化技术，以某行李箱盖外板和后备箱盖外板为例，设计出新的冲压模具结构，并对其在冲压过程中的受力和变形规律进行了分析。

　　结构优化方面，首先运用专业的成形模拟软件 PAM STAMP 2G 对板料冲压成形过程进行模拟，得到冲压过程中板料对模具的作用力。这些荷载通过笔者编写的FORTRAN 程序 Pam2OptiStruct.exe 转换后直接施加到模具结构优化模型上。然后利用OptiStruct 的拓扑优化技术，对模具结构进行优化，最后借助 CAD 系统 CATIA 在优化结果的基础上设计出新的模具结构。经结构分析验证，新结构相对传统结构减重 15%左右，而柔度降低 5%左右，同时保证变形和等效应力在许可的范围内。这说明新设计的模具结构优于传统模具结构。

　　结构分析方面，板料冲压成形过程看作一个准静态过程。本文将连续的冲压过程用n 个时间点的静态结构分析序列来近似，通过分析一系列的模具受力和变形，得到整个冲压过程中模具的受力和变形规律。

　　关 键 词：覆盖件；冲压模具；结构优化；模具结构分析；数值模拟

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. Stamping die, as an important process equipment of automobile panel production, its cost and quality has a significant impact on R&D (Research and Development). With the prices rising of energy and iron, saving cost of die has become more and more important. On the other hand, traditional auto panel die are facing new challenges because of the application of new materials and new equipments such as high-strength steel and servo press. All of these need further research on its structural optimization and analysis.

　　This paper summarized the existing methods of die structure analysis. Starting with automobile panel die, the structural optimization and analysis methods for stamping die were proposed based on the sheet metal forming simulation. With the though of decoupling the stamping simulation and structure analysis, using topology optimization techniques, the new stamping-die structures for a hood and a decklid outer panel were designed as an example.And then the law of stress and deformation during stamping process was analyzed.

　　In structural optimization, PAM STAMP 2G was used to get the forces that blank acted on die surface by simulating the stamping process. These forces were transformed and directly applied on finite element model by a FORTRAN program: Pam2OptiStruct.exe. Then an optimization process of die structure was made using topology optimization techniques of OptiStruct. Based on the optimized result, a new-style structure was designed using CAD system CATIA. The new structure has a batter performance than traditional, this is confirmed by comparing structure responses. It has a weight reduction effect about 15% and a stiffness increasing effect about 5%. At the same time, the deformation and equivalent stress are in the permitted range.=As the respect of structure analysis, the sheet metal forming process is quasi static. This continuous stamping process was approximated by a sequence of static structure analysis at n(n is an integer) time points. By this way, the law of deformation and stress during the stamping process was described.

　　Key Words: Automobile Panel Stamping Die Structural Optimization Die Structure Analysis Numerical Simulation

　　国家十一五规划提出了“发挥骨干企业作用，提高自主品牌乘用车市场占有率”[1]的发展战略。进入 21 世纪，中国汽车工业蓬勃发展。有关统计数据显示：1994 年至 2009年的 15 年间，中国汽车产量增长将近 10 倍（见图 1.1）。2010 年 1-3 月，中国汽车产销分别达到 455.45 万辆和 461.06 万辆，同比增长 76.99%和 71.78%。在国家宏观政策调整和国民经济的发展下，中国汽车必将继续保持强劲的增长势头。

　　汽车产业竞争激烈，突出表现在新车型的开发和制造能力方面，要求做到新车型能及时推向市场、广泛适应客户需求和低生产成本[2]，在很短的时间内研究、开发并制造出高质量的汽车。为了缩短新车型开发周期、降低研发成本，汽车厂商大多在同一个底盘上修改汽车外表件而产生新的车型，因此汽车的更新换代在很大程上取决于车身。这就要求加快汽车覆盖件模具的设计和制造。构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件称之为汽车覆盖件[3]。一般车身的覆盖件达70～110 件[2]，在“车型设计→模具设计与调试→汽车批量生产”的整个周期中，覆盖件模具的设计与制造工作约占 2/3 的时间[4]。在制造费用上，汽车覆盖件占整个汽车制造费用的 70%以上[5]。新车型的快速推出需要有大量的覆盖件模具重新开发。

　　在美国、日本等汽车制造业发达的国家，汽车模具在整个模具产业中占有 50%左右的份额。而在我国，仅有 1/3 左右的模具产品服务于汽车制造业。因此，汽车模具市场有相当大的发展空间。汽车覆盖件模具是整个汽车模具的重要组成部分，也是技术最密集、加工难度最大的部分[6]。与一般冲压件相比：汽车覆盖件材料相对厚度小、结构尺寸大、形状复杂、尺寸精度和表面质量要求较高[7]，成形时坯料上各部分的变形复杂、差别较大，各处应力很不均匀，所以覆盖件模具设计和制造难度大、质量和精度要求高。

　　国外模具企业大量采用 CAD/CAE/CAM 一体化技术，CAD 应用中 3D 设计的比例高达 70%~90%，普遍采用高速切削加工技术。CAD/CAE/CAM 技术的采用，保守地估计，可使模具设计与制造周期缩短 2/5，模具生产成本降低 1/3，进而大大降低整车成本，增强市场的竞争力[8]。计算机仿真技术也已经得到汽车界的广泛重视和应用。如福特公司第一辆样车定型之前，已经完成了全部仿真分析的 95%以上，可以在工程开发阶段节省四千多万美元，在制造阶段节省超过十亿美元。通用公司由于在轿车设计开发过程中全面采用了计算机仿真技术，使得开发时间由原来的 39 个月减少到 24 个月[9]。CAX技术的广泛、深入应用是模具设计制造的必然趋势。经过近几年的迅速发展，我国的汽车覆盖件模具技术有了长足的发展，生产能力大为提高。原来行业中公认的四大模具厂（一汽模具制造有限公司、东风汽车模具有限公司、天津汽车模具有限公司和四川成飞集成科技股份有限公司）都已有了生产大中型汽车覆盖件模具 200 万元左右工时的能力，模具年产值都超过 1 亿元，有的还超过了 2 亿元。这与 2000 年相比，能力已增加一倍以上[6]。部分模具企业也逐渐开始使用大型CAD/CAE/CAM 软件 UG、CATIA、Pro/E 进行模具的三维结构设计，利用板料成形仿真软件 Dynaform、AutoForm、PAM-STAMP 等进行冲压仿真以指导覆盖件模具的型面设计，然而大部分企业的 CAD/CAE/CAM 技术还处在较低的水平，我国覆盖件模具在设计、制造、标准、管理等方面与国际先进水平有很大差距。目前，覆盖件模具普遍存在的问题是：模具设计的科学性差，对经验的依赖性强，试模周期长，重新设计的次数多，需要反复修改试制才能满足要求，增加了成本，降低了企业竞争力。

　　在整个汽车工业中，冲压模具的发展至关重要。应用 CAX、CAPP(ComputerAidedProcess Planning) 、 PLM(Products Lifecycle Management) 、 VPD(Virtual ProductDevelopment)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems)技术，建立敏捷制造系统[10]，向智能化、信息化方向发展是汽车和模具工业的必然趋势。长期以来，国内外学者和工程技术人员在板料成形数值模拟和模具的分析优化方面作了大量的工作。但是对于复杂、质量要求高的覆盖件模具，设计出来的模具很大程度上取决于设计人员的经验和水平，往往不能满足产品的技术要求，特别是成形质量要求高的高级轿车外覆盖件更是如此。因此目前我国在大型汽车覆盖件模具的设计制造方面仍部分依赖外国的技术支持。其次，由于汽车工业对轻量化、安全、低排放、低成本及燃料经济性的要求越来越高，高强度钢板将更多的应用到汽车车身上来。根据美国新一代 ULSAB－AVC（国际钢铁协会 1994 开始提出的超轻概念车项目）轿车车身的用材情况看，高级高强度钢板将占 80%以上。高强度钢板的使用将给汽车冲压模具的设计、制造和使用带来诸多问题：

　　模具破裂、模具磨损、零件的精度、成形质量等等[11]。再者，冲压设备方面重型压力机、高速压力机和伺服压力机[12, 13]也正在或即将投入冲压生产线，模具在新型设备下和传统油压机的力学性态有何不同；各大汽车模具公司纷纷建立自己的 CAD/CAM 系统，大力发展研究 CBD(Case-Based Design)技术[14]，特征技术[15]和参数化设计，这些技术能否推动产生出新型的模具。综上所述，对覆盖件模具进行力学分析，研究模具结构的优化形式，探索新的模具结构模式有非常重要的实际意义和应用价值。

传统的“栅格式”结构

大桥的拓扑优化 (a)荷载 (b)拓扑优化结果

某 SUV 车架的优化设计

SIMP 材料插值模型(p=1,2,3,4,10)

Pam2OptiStruct.exe 运行界面

模面上选择的关键节点

1~5 6~10节点的荷载曲线

模具优化设计模型

目 录

　　1 绪论
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 板料成形模拟的研究现状
　　　　1.3 冲压模具结构分析及优化研究现状
　　　　1.4 本文研究的思路及主要内容
　　　　　　1.4.1 研究思路
　　　　　　1.4.2 研究的主要内容
　　2 板料成形的数值模拟
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 计算平台的选择
　　　　2.3 板料成形的塑性力学概念
　　　　　　2.3.1 真实应力和真实应变
　　　　　　2.3.2 材料的厚向异性系数
　　　　　　2.3.3 板料的成形极限图
　　　　2.4 冲压成形模拟的关键问题
　　　　　　2.4.1 算法选择
　　　　　　2.4.2 材料模型
　　　　　　2.4.3 单元类型
　　　　　　2.4.4 接触和摩擦
　　　　2.5 实例分析
　　　　　　2.5.1 行李箱盖外板冲压成形模拟
　　　　　　2.5.2 引擎盖外板冲压成形模拟
　　　　2.6 小结
　　3 模具结构拓扑优化
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 OptiStruct 的结构优化技术
　　　　3.3 拓扑优化的数学模型
　　　　3.4 优化模型的数值算法
　　　　　　3.4.1 收敛准则
　　　　　　3.4.2 灵敏度分析
　　　　　　3.4.3 优化准则算法
　　　　3.5 模具结构的拓扑优化
　　　　　　3.5.1 模具荷载的转换
　　　　　　3.5.2 荷载工况选择
　　　　　　3.5.3 目标函数和约束条件
　　　　3.6 模具拓扑优化实例
　　　　　　3.6.1 行李箱盖外板模具的拓扑优化
　　　　　　3.6.2 引擎盖外板模具的拓扑优化
　　　　3.7 小结
　　4 模具结构分析
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 行李箱盖外板模具结构的分析
　　　　　　4.2.1 传统模具结构分析
　　　　　　4.2.2 优化后模具结构分析
　　　　　　4.2.3 对比分析
　　　　4.3 引擎盖外板模具结构分析
　　　　　　4.3.1 传统模具结构分析
　　　　　　4.3.2 优化后的模具结构
　　　　　　4.3.3 对比分析
　　　　4.4 冲压过程的模具结构分析
　　　　4.5 小结
　　5 结论
　　致 谢
　　参考文献
　　附 录

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