高强钢冲压模具的疲劳寿命分析与结构拓扑优化

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1、学校代号10532学号S1224W125分类号TG76密级公开工程硕士学位论文高强钢冲压模具的疲劳寿命分析与结构拓扑优化学位申请人姓名吴任培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称谢晖教授、陈惠滨高工学科专业车辆工程研究方向轻量化车身制造工艺及装备研发论文提交日期2015年5月15日学校代号：10532学号：S1224W125密级：公开湖南大学工程硕士学位论文高强钢冲压模具的疲劳寿命分析与结构拓扑优化学位申请人姓名：吴任导师姓名及职称：谢晖教授、陈惠滨高工培养单位：机械与运载工程学院专业名称：车辆工程论文提交日期：2015年5月15日论文答辩日期：2015年5月

2、24日答辩委员会主席：龚金科教授FatiguelifeanalysisandtopologystructuraloptimizationonstampingdieofhighstrengthsteelsbyWURenB.E.(ShenyangAerospaceUniversity)2010AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofScienceinVehicleEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversit

3、ySupervisorProfessorXIEHuiMay,2015湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加Ｗ标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名；／日期：三ｗｉ；年《月日豕也＾学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论

4、文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１、保密□年解密后适用本授权书。，在２、不保密囚。’‘４’（请在上相应方框内打＾）作者签名Ｊ。＇又＾：曰期：年月曰＾导师签名：：日期２ＷＳ年＾月／０日高强钢冲压模具的疲劳寿命分析与结构拓扑优化摘要随着汽车的大量普及，由汽车工业及相关配套产业所带来的社会问题成为人们关注的焦点。为实现可持续发展的目标，汽车企业纷纷推出节能环保战略，大力研发

5、低油耗、低排放的产品。高强度钢以其较高的机械强度、良好的成形性能和成熟的制造加工工艺，在车身轻量化以及提高车身强度方面实现了广泛的应用，成为目前实现汽车节能减排的主要方法，但同时也给模具的材料选用和结构设计带来了新的挑战。相比于传统低强度钢板，高强钢在冲压过程中需要更高的成形力，冲压模具长期处于循环加载的大载荷和高冲击力环境下，很容易发生磨损、破裂等疲劳破坏失效。为避免疲劳现象的产生，很多模具企业通过进一步加大安全系数来提高模具的疲劳寿命，可结果往往是增加了生产成本，却没能改善模具的性能。因此，研究高强钢冲压模具的疲劳寿命和结构优化具有重要的意义。本文以高强钢

6、冲压模具中受力最为恶劣的凸模作为研究对象，通过结构受力分析、疲劳寿命估算和结构拓扑优化三方面对凸模的疲劳性能和拓扑结构进行了研究。由结构受力有限元分析结果可知，在冲压过程中的不同时刻，凸模的等效应力分布并不均匀，大部分集中在圆角和起伏相对明显的凹凸特征处，这些部位也是容易发生疲劳破坏的危险位置。选择应力最大位置作为疲劳分析对象，通过疲劳寿命估算发现凸模的理论寿命远大于设计使用寿命，所以凸模的结构存在优化空间。再利用拓扑优化技术对凸模结构进行了优化设计，获得了更为合理的凸模拓扑结构。通过一系列的分析优化，重新设计的凸模质量降幅超过20%，对其进行结构受力分析和疲

7、劳寿命估算，在整个冲压过程中，虽然凸模的最大等效应力平均值略有增大，但整体与优化前相比仍处于同一水平。同时，凸模的峰值应力得到了降低，使其理论疲劳寿命有所增加。基于以上研究分析结果，提出了针对小型高强钢冲压模具凸模结构的优化设计方法与部分关键参数的设计标准，为高强钢冲压模具的设计开发提供了可借鉴的参考依据。关键字：高强钢；冲压；有限元分析；疲劳寿命；拓扑优化II工程硕士学位论文AbstractWiththepopularizationofcars,thesocialproblemscausedbytheautomotiveindustryandrelatedi

8、ndustrieshavebecome