高强度钢板冲压模具偏载分析及拓扑优化设计

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1、摘要高强度钢板冲压模具偏载分析及拓扑优化设计摘要轻量化是汽车工业发展的必然趋势，近年来国际上主要的汽车轻量化项目，如ULSAB-AVC、ABC、NSC等的研究成果表明，高强度钢板在车身结构中的广泛应用是实现汽车减重和提高安全性能的有效途径。但与此同时，由于高强度钢屈服强度、抗拉强度高，冲压模具受力恶劣，因此模具设计时往往会凭借经验，人为放大安全系数以保证模具安全，造成模具整体重量增加，间接造成其制造成本和使用成本上升。为了解决高强度钢板冲压模具过于厚重的问题，本文在国家863项目（编号：2007AA04Z130）的支持下对阶梯形底面盒形件拉伸模具中压边圈的结

2、构分析及拓扑优化方法进行了探索，提出了一种以减重为目的的模具结构优化方法，其核心是以板料成形数值模拟和模具结构分析为载体，以模具结构拓扑优化为实现手段，此方法通用性强，可推广到该模具其他结构的分析和优化中。主要的研究内容及相关成果如下：选用阶梯形底面盒形件拉伸模具作为研究对象，将偏载因素的影响引入冲压模具结构分析及结构优化中。通过敏感性分析阐明了导板结构在模具中的作用，揭示了偏载产生的原因。如何在板料成形模拟中获取凸模导板与压边圈导板之间的侧向接触力是研究中的一个难点。由于传统成形模拟中的工具刚性-板料弹塑性有限元模型难以获得刚性工具体之间的接触力，故考虑利

3、用LS-DYNA建立工具部分弹性-板料弹塑性的成形有限元模型来实现侧向接触力的获取。模拟结果证明该方法是有效的。在压边圈结构分析的研究中，通过载荷映射的方法，将成形模拟中提取的节点载荷加载到压边圈结构分析有限元模型上，以力的边界条件的形式来处理复杂的接触问题，避免了漫长的迭代计算。实践证明该方法大大提高了计算的效率。基于压边圈结构分析的结果，深入剖析了压边圈在整个拉深过程中的受力特点，明确了侧向接触力对压边圈结构的影响，为拓扑优化的顺利进行打下坚实的基础。第I页摘要基于以上研究，建立了考虑多个关键载荷步的压边圈拓扑优化有限元模型，并采用结构优化求解器Opti

4、Struct进行求解，获得了较为全局的优化结果。利用NX对迭代计算后得到的压边圈拓扑优化初始结果进行CAD重构，确定最终的压边圈结构。该优化结果实现了在性能下降不多的情况下整体减重约28%。比较是否考虑侧向接触力的压边圈拓扑优化结果，指出考虑侧向接触力的必要性。最后，用物理试验的方法获取了压边圈优化前后各关键点处的等效应力变化曲线，并将试验结果与模拟结果进行对比，两者变化趋势较为吻合，证明了所提出的模拟方法是可靠的。此外，通过压边圈优化前后的试验结果对比可以确认压边圈的拓扑优化结果达到了初始设计目标，即在保证安全且性能没有明显下降的情况下，实现压边圈的减重。

5、本文的主要创新点：（1）通过建立工具部分弹性-板料弹塑性的成形有限元模型，成功获取了冲压模具间的侧向接触力；（2）在冲压模具结构分析中，通过载荷映射的方法，将复杂的接触问题转化为力的边界条件进行处理；（3）在冲压模具结构拓扑优化中，考虑了多个关键载荷步的综合影响，得到了更为全局的优化结果。关键词：高强度钢，冲压模具，模具偏载，结构分析，拓扑优化第II页ABSTRACTOFFSETLOADANALYSISANDTOPOLOGYOPTIMIZATIONFORHIGH-STRENGTHSTEELSTAMPINGDIEABSTRACTLightweightisthe

6、inevitabletrendofautomobileindustrydevelopment.Researchresultsofautomobilelightweightfrommaininternationalprojects,suchasULSAB-AVC,ABCandNBC,indicatethatextensiveuseofhigh-strengthsteel(HSS)isaneffectivewayforvehiclestoachievemassreductionandimprovesafetyperformance.However,working

7、conditionsofstampingdiebecomeevenworseatthesametimebecauseofthemuchhigheryieldstrengthandtensilestrengthofHSS.Accordingtothissituation,engineersusuallytendtoenlargethesafetyfactortoguaranteethenormaloperationofstampingdie,however,whichincreasestheoverallweightofdiedirectlyandrisesu

8、pthemanufacturingcostsando