发动机罩内板整形模结构轻量化1

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1、发动机罩内板整形模轻量化研究摘要：本文对发动机罩内板整形模进行有限元分析，并且在拓扑优化的指导下，对传统模具母体设计进行优化改进，再通过有限元分析，验证改进结果满足设计要求，从而实现模具轻量化要求。关键词：冲压模具有限元分析拓扑优化轻量化0前言基于有限元分析的拓扑优化技术是一项新型的设计方法，它可以在方案设计阶段为设计者提供概念性设计，给出零部件甚至机构原型合理的材料布局，减轻结构质量，提高结构的强度和刚度。本文利用通用有限元分析及优化软件Hyperworks对发动机罩内板整形模的传统模具结构分析(强度分析和刚度分析及其稳定性分析)，根据传统设计结构的应力和位移分析结果以及约束

2、情况，确定优化空间，定义优化参数，进行拓扑优化，得到优化后模具筋板的大致形状，在满足模具强度、刚度、稳定性的前提下，对模具结构进行改进，实现模具结构轻量化，减少模具制造过程中的材料利用，以达到降低模具制造成本，实现国家节能减排的目标。1加载方式的确定现有模具结构设计方法及问题1.1现有模具结构设计方法1.2现有设计方法存在的问题2.模具结构轻量化设计流程3.结构强度计算方法的验证4.算例4.1加载方式确定4.2现有设计结构强度计算4.3优化计算5.结论加载方式的选择直接影响计算的正确性和计算精度，冲压过程速度较慢，因此可以当成一个准静态过程，特别是对于整形工序来说，当机床完全压

3、到位时压力达到最大压力，机床、模具、工件没有相对运动，因此完全可以按静态加载方式来模拟整形过程。冲压整形过程中，机床工作台可视为不变形体，即刚体；而模具则必须视为可变形体，即柔体；基本工作结构可用图1所示。图1整形模具工作结构图仿真模型的加载方式可以分为两种：一是将下模固定，在上模顶面加载整形力，将上模座设定为刚体，这样可以保证上下模座贴紧机床工作台面，与实际工况相符，但这样将使得上模座各处出现相同的传力状态，导致力传递到整形刀块时为均匀载荷，这与整形刀块实际受力状态不符，导致计算出来的应力值出现偏差，如图2（a）所示。二是将下模固定，在上模顶面加载整形力，将上模座设定为柔体，

4、这样将力传递到整形刀块时考虑到了上模座的受力变形，受力情况与实际吻合。但整形力将在上模座上产生一个弯矩M，使得上模座顶面产生变形，从而无法保证上模座顶面贴紧机床工作台面，计算所获得的变形量值将出现偏差，如图2（b）所示。(a)(b)图2整形仿真过程的加载及模具变形示意图为了确定上述两种加载方式的真实性，在本文中通过采用一与发动机罩内板整形模具相似的现有的汽车后轮罩整形模进行实验验证，通过有限元模型建立及其实验测量，得到第二种加载方式与实验测量更加贴合。因此在对发动机罩内板整形模分析过程中选择第二种加载方式（图2（b）所示），分析下模座时在上模座加载，下模座固定；分析上模座时在下

5、模座加载，上模座固定。2传统规范模具结构的有限元分析2.1有限元模型的建立模具的受力状态大致可以分为工作状态的载荷（800T）、起吊、翻转、堆放变形，本文利用MSC/NASTRAN进行静力分析，在工作状态时通过上模座底座加载静载荷（800T），下模座底座约束分析下模受力、变形情况。在做起吊、翻转分析时为了准确反映结构受力和约束的实质情况，在吊耳一周单元节点通过刚性单元连接在一起，约束和载荷加载在主节点上。由于该结构巨大，但是结构对称，所以采用对称结构进行有限元分析。采用四面体单元进行结构离散．这种单元的特点是网格发生和重划算法比较简单，对复杂形状边界表面协调性好，计算精度高．网

6、格划分时先将实体表面离散成三角形二维网格，然后将内部填充成四面体单元．有限元模型共有高阶四面体单元2927798个，模具结构的有限元模型如图3所示．图3模具结构有限元模型2.2结果与分析对传统设计的模具结构进行有限元分析，得到上模最大位移为0.177mm，最大拉应力为77.72Mpa，最大压应力为171.3Mpa,如图4、图5所示。下模最大位移为0.151mm，最大拉应力为50.7Mpa，最大压应力为145.9Mpa。模具总重量为12292kg。由于该模具材料为HT300，抗拉强度许用值为300Mpa，抗压强度许用值为900Mpa，所以受力满足要求，但是存在优化空间。图4传统设

7、计上模Z向位移图（反面）图5传统设计上模拉应力图（反面）3模具的拓扑优化拓扑优化的目标是寻找承载结构的最佳材料分配方案，得到结构的最佳形状．即在一个给定的空间区域内，依据己知的负载或支承等约束条件，解决材料的分布问题，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等达到规定要求。拓扑优化过程包括3部分：①定义进行拓扑优化的区域；②定义优化参数；③进行拓扑优化．定义优化参数包括定义约束、目标函数、收敛公差等，Hyperworks软件能够自动进行多次迭代运算，直到满足优化参数中所规定的收敛公差．通过