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                        汽車覆蓋件沖壓模具的結構優化與分析

                        添加時間:2018/10/30 來源:西安科技大學 作者:徐自立
                        隨著能源和鋼材價格的不斷上升,減少模具成本對控制整車成本有重要意義;另一方面傳統的模具結構是一成不變的“柵格式”結構,隨著高強度鋼板等新材料、伺服壓力機等新的沖壓設備應用于汽車覆蓋件的生產,對傳統的覆蓋件模具提出了新的問題和挑戰。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          近年來我國汽車工業飛速發展,眾多汽車企業都在為縮短新車型研發周期、降低生產成本而努力。沖壓模具作為生產汽車覆蓋件的重要工藝裝備,其設計質量和成本對汽車的生產研發有著重要影響。隨著能源和鋼鐵價格不斷上漲,控制模具成本顯得尤為重要。另外,高強度鋼板等新材料、伺服壓力機等新設備的應用,對傳統的沖壓模具提出了新的問題和挑戰。要解決這些問題就必須加強對模具結構優化設計和模具結構分析的研究。

                          本文在總結原有模具結構分析方法的基礎上,從覆蓋件模具入手,提出了基于板料成形模擬的沖壓模具結構優化方法和分析方法。采用沖壓成形模擬和結構優化分析解耦的思路,運用拓撲優化技術,以某行李箱蓋外板和后備箱蓋外板為例,設計出新的沖壓模具結構,并對其在沖壓過程中的受力和變形規律進行了分析。

                          結構優化方面,首先運用專業的成形模擬軟件 PAM STAMP 2G 對板料沖壓成形過程進行模擬,得到沖壓過程中板料對模具的作用力。這些荷載通過筆者編寫的FORTRAN 程序 Pam2OptiStruct.exe 轉換后直接施加到模具結構優化模型上。然后利用OptiStruct 的拓撲優化技術,對模具結構進行優化,最后借助 CAD 系統 CATIA 在優化結果的基礎上設計出新的模具結構。經結構分析驗證,新結構相對傳統結構減重 15%左右,而柔度降低 5%左右,同時保證變形和等效應力在許可的范圍內。這說明新設計的模具結構優于傳統模具結構。

                          結構分析方面,板料沖壓成形過程看作一個準靜態過程。本文將連續的沖壓過程用n 個時間點的靜態結構分析序列來近似,通過分析一系列的模具受力和變形,得到整個沖壓過程中模具的受力和變形規律。

                          關 鍵 詞:覆蓋件;沖壓模具;結構優化;模具結構分析;數值模擬

                        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

                          國家十一五規劃提出了“發揮骨干企業作用,提高自主品牌乘用車市場占有率”[1]的發展戰略。進入 21 世紀,中國汽車工業蓬勃發展。有關統計數據顯示:1994 年至 2009年的 15 年間,中國汽車產量增長將近 10 倍(見圖 1.1)。2010 年 1-3 月,中國汽車產銷分別達到 455.45 萬輛和 461.06 萬輛,同比增長 76.99%和 71.78%。在國家宏觀政策調整和國民經濟的發展下,中國汽車必將繼續保持強勁的增長勢頭。

                          汽車產業競爭激烈,突出表現在新車型的開發和制造能力方面,要求做到新車型能及時推向市場、廣泛適應客戶需求和低生產成本[2],在很短的時間內研究、開發并制造出高質量的汽車。為了縮短新車型開發周期、降低研發成本,汽車廠商大多在同一個底盤上修改汽車外表件而產生新的車型,因此汽車的更新換代在很大程上取決于車身。這就要求加快汽車覆蓋件模具的設計和制造。構成汽車車身或駕駛室、覆蓋發動機和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內部零件稱之為汽車覆蓋件[3]。一般車身的覆蓋件達70~110 件[2],在“車型設計→模具設計與調試→汽車批量生產”的整個周期中,覆蓋件模具的設計與制造工作約占 2/3 的時間[4]。在制造費用上,汽車覆蓋件占整個汽車制造費用的 70%以上[5]。新車型的快速推出需要有大量的覆蓋件模具重新開發。

                          在美國、日本等汽車制造業發達的國家,汽車模具在整個模具產業中占有 50%左右的份額。而在我國,僅有 1/3 左右的模具產品服務于汽車制造業。因此,汽車模具市場有相當大的發展空間。汽車覆蓋件模具是整個汽車模具的重要組成部分,也是技術最密集、加工難度最大的部分[6]。與一般沖壓件相比:汽車覆蓋件材料相對厚度小、結構尺寸大、形狀復雜、尺寸精度和表面質量要求較高[7],成形時坯料上各部分的變形復雜、差別較大,各處應力很不均勻,所以覆蓋件模具設計和制造難度大、質量和精度要求高。

                          國外模具企業大量采用 CAD/CAE/CAM 一體化技術,CAD 應用中 3D 設計的比例高達 70%~90%,普遍采用高速切削加工技術。CAD/CAE/CAM 技術的采用,保守地估計,可使模具設計與制造周期縮短 2/5,模具生產成本降低 1/3,進而大大降低整車成本,增強市場的競爭力[8]。計算機仿真技術也已經得到汽車界的廣泛重視和應用。如福特公司第一輛樣車定型之前,已經完成了全部仿真分析的 95%以上,可以在工程開發階段節省四千多萬美元,在制造階段節省超過十億美元。通用公司由于在轎車設計開發過程中全面采用了計算機仿真技術,使得開發時間由原來的 39 個月減少到 24 個月[9]。CAX技術的廣泛、深入應用是模具設計制造的必然趨勢。經過近幾年的迅速發展,我國的汽車覆蓋件模具技術有了長足的發展,生產能力大為提高。原來行業中公認的四大模具廠(一汽模具制造有限公司、東風汽車模具有限公司、天津汽車模具有限公司和四川成飛集成科技股份有限公司)都已有了生產大中型汽車覆蓋件模具 200 萬元左右工時的能力,模具年產值都超過 1 億元,有的還超過了 2 億元。這與 2000 年相比,能力已增加一倍以上[6]。部分模具企業也逐漸開始使用大型CAD/CAE/CAM 軟件 UG、CATIA、Pro/E 進行模具的三維結構設計,利用板料成形仿真軟件 Dynaform、AutoForm、PAM-STAMP 等進行沖壓仿真以指導覆蓋件模具的型面設計,然而大部分企業的 CAD/CAE/CAM 技術還處在較低的水平,我國覆蓋件模具在設計、制造、標準、管理等方面與國際先進水平有很大差距。目前,覆蓋件模具普遍存在的問題是:模具設計的科學性差,對經驗的依賴性強,試模周期長,重新設計的次數多,需要反復修改試制才能滿足要求,增加了成本,降低了企業競爭力。

                          在整個汽車工業中,沖壓模具的發展至關重要。應用 CAX、CAPP(ComputerAidedProcess Planning) 、 PLM(Products Lifecycle Management) 、 VPD(Virtual ProductDevelopment)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems)技術,建立敏捷制造系統[10],向智能化、信息化方向發展是汽車和模具工業的必然趨勢。長期以來,國內外學者和工程技術人員在板料成形數值模擬和模具的分析優化方面作了大量的工作。但是對于復雜、質量要求高的覆蓋件模具,設計出來的模具很大程度上取決于設計人員的經驗和水平,往往不能滿足產品的技術要求,特別是成形質量要求高的高級轎車外覆蓋件更是如此。因此目前我國在大型汽車覆蓋件模具的設計制造方面仍部分依賴外國的技術支持。其次,由于汽車工業對輕量化、安全、低排放、低成本及燃料經濟性的要求越來越高,高強度鋼板將更多的應用到汽車車身上來。根據美國新一代 ULSAB-AVC(國際鋼鐵協會 1994 開始提出的超輕概念車項目)轎車車身的用材情況看,高級高強度鋼板將占 80%以上。高強度鋼板的使用將給汽車沖壓模具的設計、制造和使用帶來諸多問題:

                          模具破裂、模具磨損、零件的精度、成形質量等等[11]。再者,沖壓設備方面重型壓力機、高速壓力機和伺服壓力機[12, 13]也正在或即將投入沖壓生產線,模具在新型設備下和傳統油壓機的力學性態有何不同;各大汽車模具公司紛紛建立自己的 CAD/CAM 系統,大力發展研究 CBD(Case-Based Design)技術[14],特征技術[15]和參數化設計,這些技術能否推動產生出新型的模具。綜上所述,對覆蓋件模具進行力學分析,研究模具結構的優化形式,探索新的模具結構模式有非常重要的實際意義和應用價值。

                        傳統的“柵格式”結構
                        傳統的“柵格式”結構

                        大橋的拓撲優化 (a)荷載 (b)拓撲優化結果
                        大橋的拓撲優化 (a)荷載 (b)拓撲優化結果

                        某 SUV 車架的優化設計
                        某 SUV 車架的優化設計

                        SIMP 材料插值模型(p=1,2,3,4,10)
                        SIMP 材料插值模型(p=1,2,3,4,10)

                        Pam2OptiStruct.exe 運行界面
                        Pam2OptiStruct.exe 運行界面

                        模面上選擇的關鍵節點
                        模面上選擇的關鍵節點

                        1~5 6~10節點的荷載曲線
                        1~5 6~10節點的荷載曲線

                        模具優化設計模型
                        模具優化設計模型

                        目 錄

                          1 緒論
                            1.1 研究背景
                            1.2 板料成形模擬的研究現狀
                            1.3 沖壓模具結構分析及優化研究現狀
                            1.4 本文研究的思路及主要內容
                              1.4.1 研究思路
                              1.4.2 研究的主要內容
                          2 板料成形的數值模擬
                            2.1 引言
                            2.2 計算平臺的選擇
                            2.3 板料成形的塑性力學概念
                              2.3.1 真實應力和真實應變
                              2.3.2 材料的厚向異性系數
                              2.3.3 板料的成形極限圖
                            2.4 沖壓成形模擬的關鍵問題
                              2.4.1 算法選擇
                              2.4.2 材料模型
                              2.4.3 單元類型
                              2.4.4 接觸和摩擦
                            2.5 實例分析
                              2.5.1 行李箱蓋外板沖壓成形模擬
                              2.5.2 引擎蓋外板沖壓成形模擬
                            2.6 小結
                          3 模具結構拓撲優化
                            3.1 引言
                            3.2 OptiStruct 的結構優化技術
                            3.3 拓撲優化的數學模型
                            3.4 優化模型的數值算法
                              3.4.1 收斂準則
                              3.4.2 靈敏度分析
                              3.4.3 優化準則算法
                            3.5 模具結構的拓撲優化
                              3.5.1 模具荷載的轉換
                              3.5.2 荷載工況選擇
                              3.5.3 目標函數和約束條件
                            3.6 模具拓撲優化實例
                              3.6.1 行李箱蓋外板模具的拓撲優化
                              3.6.2 引擎蓋外板模具的拓撲優化
                            3.7 小結
                          4 模具結構分析
                            4.1 引言
                            4.2 行李箱蓋外板模具結構的分析
                              4.2.1 傳統模具結構分析
                              4.2.2 優化后模具結構分析
                              4.2.3 對比分析
                            4.3 引擎蓋外板模具結構分析
                              4.3.1 傳統模具結構分析
                              4.3.2 優化后的模具結構
                              4.3.3 對比分析
                            4.4 沖壓過程的模具結構分析
                            4.5 小結
                          5 結論
                          致 謝
                          參考文獻
                          附 錄

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