高強度鋼板沖壓模具偏載分析及拓撲優(yōu)化設計.pdf

1、輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，近年來國際上主要的汽車輕量化項目，如ULSAB-AVC、ABC、NSC等的研究成果表明，高強度鋼板在車身結構中的廣泛應用是實現(xiàn)汽車減重和提高安全性能的有效途徑。但與此同時，由于高強度鋼屈服強度、抗拉強度高，沖壓模具受力惡劣，因此模具設計時往往會憑借經(jīng)驗，人為放大安全系數(shù)以保證模具安全，造成模具整體重量增加，間接造成其制造成本和使用成本上升。為了解決高強度鋼板沖壓模具過于厚重的問題，本文在國家863項目（編

2、號：2007AA04Z130）的支持下對階梯形底面盒形件拉伸模具中壓邊圈的結構分析及拓撲優(yōu)化方法進行了探索，提出了一種以減重為目的的模具結構優(yōu)化方法，其核心是以板料成形數(shù)值模擬和模具結構分析為載體，以模具結構拓撲優(yōu)化為實現(xiàn)手段，此方法通用性強，可推廣到該模具其他結構的分析和優(yōu)化中。主要的研究內容及相關成果如下： 選用階梯形底面盒形件拉伸模具作為研究對象，將偏載因素的影響引入沖壓模具結構分析及結構優(yōu)化中。通過敏感性分析闡明了導板結

3、構在模具中的作用，揭示了偏載產(chǎn)生的原因。 如何在板料成形模擬中獲取凸模導板與壓邊圈導板之間的側向接觸力是研究中的一個難點。由于傳統(tǒng)成形模擬中的工具剛性-板料彈塑性有限元模型難以獲得剛性工具體之間的接觸力，故考慮利用LS-DYNA建立工具部分彈性-板料彈塑性的成形有限元模型來實現(xiàn)側向接觸力的獲取。模擬結果證明該方法是有效的。 在壓邊圈結構分析的研究中，通過載荷映射的方法，將成形模擬中提取的節(jié)點載荷加載到壓邊圈結構分析有限元

4、模型上，以力的邊界條件的形式來處理復雜的接觸問題，避免了漫長的迭代計算。實踐證明該方法大大提高了計算的效率?；趬哼吶Y構分析的結果，深入剖析了壓邊圈在整個拉深過程中的受力特點，明確了側向接觸力對壓邊圈結構的影響，為拓撲優(yōu)化的順利進行打下堅實的基礎。 基于以上研究，建立了考慮多個關鍵載荷步的壓邊圈拓撲優(yōu)化有限元模型，并采用結構優(yōu)化求解器OptiStruct進行求解，獲得了較為全局的優(yōu)化結果。利用NX對迭代計算后得到的壓邊圈拓撲優(yōu)

5、化初始結果進行CAD重構，確定最終的壓邊圈結構。該優(yōu)化結果實現(xiàn)了在性能下降不多的情況下整體減重約28％。比較是否考慮側向接觸力的壓邊圈拓撲優(yōu)化結果，指出考慮側向接觸力的必要性。 最后，用物理試驗的方法獲取了壓邊圈優(yōu)化前后各關鍵點處的等效應力變化曲線，并將試驗結果與模擬結果進行對比，兩者變化趨勢較為吻合，證明了所提出的模擬方法是可靠的。此外，通過壓邊圈優(yōu)化前后的試驗結果對比可以確認壓邊圈的拓撲優(yōu)化結果達到了初始設計目標，即在保證安