结构复杂的多工位级进冲压模具结构优化设计

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。大型复杂多工位级进模作为生产汽车结构件的重要工艺装备，其设计质量和成本对汽车的生产研发有着重要影响。多工位级进模向大型、复杂方向发展以及高强度钢板的广泛使用，往往导致模具过于厚重。采用传统模具设计方法难以找到材料的合理分布，不易获得既经济又安全的理想设计方案，因此，加强对模具结构分析和模具结构优化设计的研究，实现模具结构轻量化设计，具有一定的实用价值与工程意义。

　　本文以某汽车行李箱支架多工位级进模为研究对象，分别对该汽车行李箱支架工艺设计、多工位级进冲压工艺中成形工序和冲裁工序有限元模拟技术、多工位级进模模具母体结构分析方法、多工位级进模模具母体结构拓扑优化技术进行了研究。具体研究内容如下：

　　（1）对某汽车行李箱支架进行了零件结构和冲压工艺性分析，完成了一步逆成形分析与坯料逆算，综合某行李箱支架的结构特征、材料利用率和精度要求等情况，确定了单排、斜排、中间载体共 18 个工位的级进冲压工艺方案，并最终设计了排样图及模具总体结构图。

　　（2）以 Dynaform 为数值模拟平台，对某行李箱支架多工位级进模冲压工艺中成形工序进行数值模拟。进行完整的冲压成形工序数值模拟后，得到符合工艺要求的模拟结果，获得各冲压成形工序中模具的受力情况并进行了分析。

　　（3）采用 Deform 软件对模具上所有冲裁工序进行数值模拟。对模型中毛坯进行划分及局部单元细化，以降低冲裁模拟有限元模型的规模；选取了 Normalized Cockcr oft&Latham 断裂准则并通过冲裁实验与模拟相结合的方法获得零件材料断裂因子，进而对模具中所有冲裁工序进行模拟以获得冲压过程中板料单元上的冲裁力。对各冲裁轮廓的理论冲裁力进行了计算，并与冲裁力数值模拟结果进行对比，结果显示冲裁力模拟结果与理论计算结果相对误差在 15%以内。

　　（4）采用载荷映射方法，分析模具冲压过程的力学响应，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映射到模具结构分析有限元模型上，建立了模具结构分析模型，获得了模具在不同工况下的弹性变形情况。

　　（5）以冲压模拟得到的板料成形力为荷载边界条件，对某汽车行李箱支架多工位级进模模具结构进行优化。利用优化软件 OptiSturct 在模具结构分析的基础上，结合拓扑优化技术对模具结构进行优化。根据拓扑优化结果，利用 NX 对模具母体进行重构，得到新的模具结构，将与传统模具同样的载荷条件加载于优化后模具有限元模型上，分析优化后模具的变形情况，并与传统模具进行对比分析。经结构分析验证，优化后模具母体结构在不增加模具变形量的同时，相对传统方法设计模具母体结构减重 22.4%左右。

　　关键词：多工位级进模；数值模拟；冲压载荷；模具结构分析；拓扑优化

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.Multi-position progressive die, as an important process equipment of automobile structure production, its cost and quality has a significant impact on r esearch and development. Because of progressive die develops in the direction of large-scale, complex and precise and wide use of high strength steel,the die often becomes too thick.It is difficult to find the reasonable distribution of materials, and it is not easy to obtain the ideal economic and safe design scheme when adopt the traditional die design method.So, it have certain practical value and engineering significance to strengthen the research on the structure analysis and optimization design of die structure and realize the lightweight design of die structure.

　　In this thesis, regarding multi-position progressive die of the car trunk bracket as the research object, the process design of automotive trunk bracket, the finite element simulation technology of forming and blanking procedure in multi-position progressive stamping process, the analytical method about matrix structure of progressive die, the topology optimization technology about matrix structure of progressive die were studied respectively.The main research contents and conclusions of this paper are summarized as follows:

　　（1）One-step formability analysis and blank design was accomplished by using inverse approach method. The 18-positions progressive stamping processes for manufacturing the part was determined, and the single-row layout with intermediate carrier of uniform width was finally designed. Then the overall structure of progressive die was designed.

　　（2）The numerical simulation of the forming process of the multi position progressive die stamping process for the part is carried out in Dynaform . The simulation results are obtained, which meet the requirements of the process. After the numerical simulation of the stamping forming process,then the force of the die in the process of stamping forming was obtained.

　　（3）Finite element numerical simulation for all the blanking process with Deform software.The blank is meshed and refined in order to reduce the scale of the model. The fracture factors of the parts are obtained by means of the combination of blanking experiments and simulation.And then the blanking process of the die was simulated to get the blanking force on the sheet.The blanking force is calculated and the results are compared with the numerical simulation results. The results show that the relative error between the simulation results and the theoretical calculation results is less than 15%.

　　（4） The die structure analysis model is established with the load mapping method, and the contact force between the deformation plate and the die surface was mapped to the finite element model of the die structure,and the elastic deformation of dies in different conditions was obtained.

　　（5）Based on the analysis of the structure of the die, the OptiSturct software was used to optimize the structure of the die. Reconstructed the initial results obtained after the iterative calculation, and get the new die structure, UG software was used to optimized reconstruction for die base structure.Weight loss is about 22.4% compared with the traditional die structure.

　　Keywords: Multi-position progressive die; Numerical simulation; Stamping force;Structure analysis; Topology optimization

　　汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，而汽车结构件模具是汽车制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一个关键环节[1]。随着近年来汽车工业的迅猛发展，专门用于生产汽车结构件的多工位级进模被广泛应用[2]，但同时我国大型汽车模具的设计制造能力仍然不足，限制了汽车品质更进一步提高以及汽车开发周期持续缩短[3,4]。大型多工位级进模是我国重点发展的精密冲模，它是技术密集型模具的重要代表，标志着冲模技术先进水平[5,6]。

　　随着大型复杂多工位级进模的发展，其结构设计日趋复杂，设计参数不断增多。传统模具结构设计过程中，模具工程师结合其工程设计经验和用户的需求进行结构模具设计，然后按理论公式校核模具结构的刚度、强度等性能。如果初始模具结构方案不符合安全、经济的原则，则再对初始模具结构进行修改并重新校核模具结构。传统的模具设计方法的一个主要缺点是很难找到一个合理的材料分布，因此难以作出既经济又安全的结构设计方案。而大型复杂多工位级进模的冲压成形工位多、各工位模具零件结构相对复杂，且各工位成形力及不同工位载荷中心计算难度较大，模具工作过程中常易导致模具和设备载荷上升并使模具在工作过程中产生一定的变形，从而影响冲压成形的精度，导致产品成形质量达不到要求[7]。生产中为提高模具安全系数、减小模具工作过程变形量，单纯的使用更多的模具材料，不但会增大模具的体积和厚度而造成模具成本的上升，反而有时没有在模具最薄弱的位置增加材料，达不到预期效果[8,9]。

　　模具优化设计是指在模具设计中结合优化设计的理论和方法，根据模具结构类型、冲压时的工况、模具材料和规范所规定的各种条件（如强度要求、刚度要求、尺寸限制等），提出包含目标函数、约束条件和设计变量的优化模型并进行迭代计算，以获得在约束条件下的最优结构方案。将模具优化设计方法用于模具结构的轻量化中，能使模具材料的分布在约束条件下达到合理的状态，从而使模具结构同时满足经济性与安全性的要求。对于大型复杂多工位级进模，由于工件尺寸大、工序冲压部位分散，模具母体最多能占模具总质量 80%以上[2]，对此部位进行基于安全系数约束下的减量化结构优化，能明显降低模具材料成本。

　　本文针对体积大、结构复杂的多工位级进冲压模具，改进冲压模具传统设计方法，通过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准确映射到模具结构分析有限元模型上，构建模具结构分析模型，分析模具变形情况，在此基础上结合优化理论，以汽车冲压模具结构参数为优化设计变量，以模具结构的刚度和强度为优化约束条件，以减少模具结构材料为优化目标，进行多工位级进模模具母体结构的拓扑优化设计，排除传统模具设计方法盲目增加模具材料增强模具刚度的情况。根据优化结果，对模具母体结构进行轻量化重构设计，既满足了零件冲压成形对模具强度和模具刚度的要求，同时减少级进模模具母体材料，改善模具性能，具有较高的工程意义和实用价值。

　　目前，计算法和实验法是确定模具冲压力的主要方法，其中实验法确定冲压力比较繁琐且成本过高，不适合推广应用。而如果采用经验公式法进行冲压力的计算，则会忽略掉实际冲压条件中模具结构参数、模具材料、压边力大小、润滑条件等对冲压力的影响，导致冲压力计算结果与真实冲压力存在较大的偏差。而且在模具冲压过程中，冲压力是随冲压行程变化而变化的，同时受到模具参数、润滑情况等条件影响，而非一个定值，经验公式计算法显然无法全面的描述模具在冲压过程中的受力情况。随着数值模拟技术的快速发展和广泛应用，已有一部分学者运用数值模拟的方法，对板材冲压工艺中成形和冲裁工序的模具载荷曲线进行了分析预测。

　　王娟[10]对级进模进行了多步冲压数值模拟，获得了冲压行程中冲压力曲线，并探讨了板料厚度、模具圆角半径、拉伸高度等参数对冲压力的影响。卢国清[11]采用 Dynaform软件对薄板拉深过程进行了数模模拟，获得了在不同工艺参数下凸模的载荷曲线，仿真计算得到的最大冲压力与试验获得的最大冲压力非常吻合。孙成智等[12]通过数值模拟的方法分析冲压模具工作过程中不同结构形式压边圈的受力情况，分析结果与实验测量数据比较接近。宋雪松等[13]基于显式动力有限元算法对板材多点成形的成形力的进行了分析，得出了多点成形的成形力经验计算公式，对材料性能不同、厚度不同时的圆柱面、球面及马鞍面三种常见形状曲面的成形过程进行了模拟获得成形力，对成形力的影响因素及变化过程进行了研究。

　　传统冲压模具设计以冲压工艺方案的实现为主要目的，因此为了增强冲压生产的稳定性，关于冲压工艺参数对板料成形性影响的研究很多，而对于模具结构的受力和变形情况则并没有特别关注。随着冲压成形领域内复杂、精密模具的广泛使用及高强度钢板的广泛应用，冲压模具的受力状况往往趋于恶劣，而传统模具设计中缺乏定量、有效的方法来判断模具结构设计方案的好坏，无法及时发现模具结构上存在的问题，造成后期巨大的修模工作量，有时甚至在试模阶段或模具投入生产初期就发生非正常失效。为了解决这些问题，一些学者通过有限元模拟的方法，在冲压模具结构分析方面进行了研究，他们的研究方法可以为冲压模具结构分析及优化设计提供借鉴。

　　Firat[18]利用有限元分析了卡车驾驶室纵梁拉深过程，分析了模具变形量，并通过简单的模具修改减小了模具表面变形量。Fugger 和 Nehl[19]采用有限元和实验相结合的方法，分析了相同质量下六边形蜂窝状模具肋板结构和正方形模具肋板结构的刚度，研究表明相同质量下，不同的模具结构的差异会带来模具刚度的差异。Becchio 等[20]运用限元技术，以整体个板料拉深模具为研究对象，分析了冲压模具的应力和变形分布情况，表明模具结构分析可以确定载荷作用下的模具行为、校核传统设计准则、设计标准组件、创新模具结构设计。

　　Pozo 等[21]认为模具结构刚度不足是模具发生较大的弹性变形主要原因，且模具的弹性变形会对板料成形质量造成很大的影响。如果能在设计阶段分析模具结构，保证模具的刚度，可以有效缩短试模时间，减少手工修模的工作量。Keum 等[22]用有限元数值模拟方法对某汽车挡泥板面板的冲压成形过程进行了板料成形-模具结构耦合分析，获得了挡泥板面板冲压模具凸模、凹模及压边圈在冲压成形过程中的应力应变情况。

　　澳大利亚迪肯大学的Dingle[23]对某简单拉深模具及压力机在冲压过程中受冲压力作用时的弹性行为进行了有限元分析，研究了压力机的刚度以及模具局部刚度对拉深模压边力的影响，并根据分析结果对模具结构进行优化调整。

　　通用汽车公司Aitharaju等[24]将汽车冲压模具成形模拟和模具结构分析相结合，模拟板料成形过程得到模具受载情况，再把成形载荷作为边界条件对模具结构进行分析获得冲模在冲压过程中的应力应变状况，为模具结构减量化设计提供依据；美国福特汽车公司的Wang等[25]以降低模具重量和材料成本为目标，在保证冲压刚度足够前提下，通过冲压实验测量模具各位置的应变分布，并分析了拉延筋设置等参数在冲压成形中对模具上应力、应变的影响。

　　陈亮[26]针对高强钢板冲压模具受力恶劣、易破裂等情况，采用数值模拟的方法预测高强钢板模具冲压过程的冲压力，研究模具弹性变形，并通过冲压实验，测量模具载荷和表面应力，实测结果模拟数据吻合较好，说明了数值模拟结果的准确性和可行性。闫巍等[27]将板料冲压数值模拟分析获得的成形力结果加载到模具型面上后研究模具结构变形，模拟获得的结果与实际测量结果一致，并以此变形结果为依据进行的模面补偿设计，减少模具手工修模量。

　　张贵宝、陈军等[28,29]以某高强钢法兰盒形件单工位深模的压边圈为研究对象，首先进行冲压成形过程的有限元分析，获取板坯在成形过程中与压边圈之间的力，借助相互作用力在不同单元间的映射插值运算，获得作用在结构分析模型中压边圈表面单元上的载荷，以这些载荷作为力边界条件，对压边圈进行了结构分析，并通过相关试验验证了结构分析结果的可靠性。

　　国内外学者主要以单工序模为研究对象进行冲模结构分析。与单工序模不同，多工位级进模具有冲压工序种类多、数量多、位置分散的特点，其结构分析的复杂程度远超单工位模，而冲压生产中准确分析模具变形对于确保模具正常工作而不失效具有重要意义。本文对多工位级进模模具母体的结构分析方法的研究，具有一定的先进性及参考价值。

结构复杂的多工位级进冲压模具结构优化设计：

模具下模板及垫脚形式

下模垫脚可布置空间

模具优化前模具结构静力分析结果

单元密度阀值为 0.5 时的材料分布

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第一章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 冲压载荷分析研究现状
　　　　1.3 冲压模具结构分析研究现状
　　　　1.4 冲压模具结构优化研究现状
　　　　1.5 课题来源、研究意义及研究内容
　　　　　　1.5.1 课题来源及研究意义
　　　　　　1.5.2 课题研究思路及研究内容
　　　　1.6 本章小结
　　第二章 某汽车行李箱支架冲压工艺分析及模具设计
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 零件冲压工艺分析
　　　　　　2.2.1 冲裁工艺性分析
　　　　　　2.2.2 弯曲工艺性分析
　　　　　　2.2.3 一步逆成形分析与坯料逆算
　　　　2.3 冲压工艺方案拟定及排样设计
　　　　　　2.3.1 载体设计
　　　　　　2.3.2 确定步距和条料宽度
　　　　　　2.3.3 工序排样设计
　　　　2.4 模具结构设计
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 基于 Dynaform 的某汽车行李箱支架成形数值模拟
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 基于 Dynaform 的多工位级进冲压有限元数值模拟技术
　　　　　　3.2.1 工序间信息传递
　　　　　　3.2.2 网格划分及自适应技术
　　　　　　3.2.3 毛坯结构及定位
　　　　3.3 某汽车行李箱支架成形工序数值模拟
　　　　3.4 汽车行李箱支架多工位级进冲压试验
　　　　　　3.4.1 冲压实验条件
　　　　　　3.4.2 冲压实验结果
　　　　　　3.4.3 冲压成形数值模拟结果与实际对比
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 基于 Deform 的某汽车行李箱支架冲裁数值模拟
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 多工位级进模冲裁数值模拟关键技术
　　　　　　4.2.1 局部网格重划分及其实现
　　　　　　4.2.2 板料一模具接触摩擦条件
　　　　　　4.2.3 断裂问题的处理
　　　　4.3 多工位级进模冲裁数值模拟
　　　　　　4.3.1 多工位级进模冲裁有限元模型建立
　　　　　　4.3.2 多工位级进模冲裁模拟结果
　　　　4.4 多工位级进模压力中心计算
　　　　　　4.4.1 压料成形过程模具压力中心计算
　　　　　　4.4.2 冲裁成形过程模具压力中心计算
　　　　4.5 本章小结
　　第五章 行李箱支架多工位级进模模具母体结构分析
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 模具结构分析有限元建模关键技术
　　　　　　5.2.1 模具结构简化
　　　　　　5.2.2 模具结构体离散单元选择
　　　　　　5.2.3 模具结构分析载荷映射
　　　　5.3 多工位级进模模具母体结构分析模型
　　　　5.4 多工位级进模模具结构分析结果
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 行李箱支架多工位级进模模具母体结构拓扑优化
　　　　6.0 引言
　　　　6.1 模具母体结构拓扑优化方法
　　　　　　6.1.1 连续体结构拓扑优化方法
　　　　　　6.1.2 级进模模具母体结构拓扑优设计流程
　　　　6.2 模具母体可设计区域
　　　　6.3 优化前模具结构静力分析
　　　　6.4 模具母体结构拓扑优化建模及分析结果
　　　　6.5 模具母体结构重构
　　　　6.6 本章小结
　　结论与展望
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间取得的研究成果
　　致 谢

（如您需要查看本篇毕业设计全文，请您联系客服索取）