高强度薄板拉深模具结构分析关键技术研究及应用

论文摘要

轻量化的要求使汽车用钢板的强度等级越来越高,高强度钢板的广泛应用给冲压生产带来一系列问题:高强度钢冲压模具非正常损毁频繁,高强度钢冲压模具安装调试困难,冲压生产对工艺参数波动敏感。针对困扰企业的问题,本文围绕改进的冲压模具设计流程,在目前模面设计的基础上,将模具结构分析加入流程,并且在进行板料成形分析和模具结构分析时,考虑冲压生产中常见的噪声因素和波动,尝试从冲压模具结构分析的角度,对高强度钢冲压生产中困扰企业的问题进行分析。论文取得的研究成果如下:在目前软硬件水平下,针对结构复杂的冲压成形模具,提出了一种基于板料成形数值模拟的冲压模具结构分析方法,有效地解决了有限元求解精度和求解规模之间的矛盾,可以求解整个冲压过程中模具上的应力、变形以及部件之间接触作用的演化规律。系统推导了实现该方法的关键技术——载荷映射算法,将板料成形数值模拟获得的,整个成形过程中,变形板料和模面之间的接触力准确高效地映射移置到模具结构分析有限元模型上。针对板料成形数值模拟获得的变形板料和模面之间的接触力存在明显波动问题,分析了波动产生的原因和波动的特点,针对性地使用数字信号处理领域的滤波技术对此波动接触力进行处理。对比了数字信号处理领域的几种滤波器,发现FFT低通滤波器处理此波动接触力效果好、鲁棒性强。采用滤波后的接触力进行模具结构分析,获得的模具应力和变形等结果与实际吻合更好,而且模具结构分析有限元求解时间大大缩短。在理论研究的基础上,开发了冲压模具结构分析载荷映射和建模辅助工具,设计开发了冲压模具动态应力应变采集系统。分析了高强度钢DP600双曲底面盒形件拉深过程中模具上的应力和变形情况,利用冲压模具动态应力应变采集系统进行了实验验证。进一步分析了高强度钢DP600阶梯底面盒形件冲压模具导板对成形过程中偏载的吸收作用,设计加工模具进行了实验验证。针对某高强度钢DP600轿车侧底板件拉深模具,实现了大型复杂冲压模具的结构分析,分析出的模具危险部位与实际模具破裂位置一致,证明了所提方法的有效性和实际应用价值。针对高强度钢冲压生产对工艺条件敏感、冲压模具安装调试困难的问题,分析了压边力压边(BHF)和间隙压边(BHG)两种压边方式下、两类典型冲压件(第一类以拉深为主,第二类以胀形为主)的成形性和模具结构受力特点,发现:①第二类冲压件对压边力波动不敏感,②第一类冲压件的成形性对压边间隙很敏感;③BHF压边方式下,一定范围内变化的压边力对两类冲压件凸模成形载荷的影响都不太显著;④BHG压边方式下,稍大或稍小的压边间隙都使凸模成形载荷升高;⑤BHF压边方式下,压边力越大,压边力在压料面上的分布越均匀,但压边力变化对凸模成形载荷在成形模面上的分布影响很小;⑥BHG压边方式下,稍大或稍小的压边间隙都使压边力在压料面上的分布更不均匀,但压边间隙变化对凸模载荷在成形模面上的分布影响很小;⑦压边圈上的最大等效应力出现在法兰增厚最严重部位,比按照名义单位压边力计算出的值要大的多,凸模上的最大等效应力出现在凸模圆角处,但并不一定在凸模成形载荷最大的时刻;⑧BHF压边方式下改变压边力,或者BHG压边方式下改变压边间隙,两类冲压件模具凸模和凹模上的最大等效应力变化不大,但是压边圈上的最大等效应力变化显著。针对高强度钢冲压生产对噪声因素敏感、冲压件质量不稳定的问题,分析了坯料初始厚度波动、压边力变化、坯料定位误差以及模具安装定位误差对DP600双曲底面盒形件拉深模具成形载荷、变形和应力的影响,发现:①凸模安装定位绕X(Y)轴转动误差对凸模沿Y(X)方向偏载影响最显著;②在较小变动范围内,凸模沿Z方向的最大成形载荷基本与坯料初始厚度成正比,凸模沿Z方向的最大成形载荷随压边力增大而增大,但是显著性较坯料初始厚度波动引起的小的多;③凸模上的最大应力不仅取决于成形过程中的凸模最大载荷,还取决于载荷在凸模成形模面上的分布;④偏载对凸模的变形影响很显著。利用本文提出的基于板料成形数值模拟的冲压模具结构分析方法,可以在模具制造前,对其进行强度刚度校核和寿命预测,并使进一步的模具结构优化和成形质量控制成为可能。研究结果可为高强度钢冲压模具设计、安装调试和冲压生产工艺控制提供有益指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 汽车轻量化的要求导致汽车板强度等级提高
• 1.1.2 汽车轻量化用典型高强度钢及其在车身中的具体应用
• 1.1.3 高强度钢应用于冲压生产带来的新问题
• 1.1.4 高强度钢冲压模具结构分析的重要意义
• 1.2 冲压模具结构分析研究现状
• 1.2.1 冲压模具设计流程研究现状
• 1.2.2 模具结构分析方法研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 本章参考文献
• 第二章 基于板料成形数值模拟的冲压模具结构分析方法研究
• 2.1 概述
• 2.2 基于板料成形数值模拟的冲压模具结构分析流程
• 2.3 板料成形分析和模具结构分析有限元算法的选取
• 2.3.1 三维成形、结构分析数值模拟有限元求解方程
• 2.3.2 系统方程求解的数值算法
• 2.3.3 板料成形分析和模具结构分析有限元算法选取
• 2.4 板料成形数值模拟有限元建模关键技术
• 2.4.1 模具表示方法
• 2.4.2 板料单元选择
• 2.4.3 板料网格离散与质量控制技术
• 2.4.4 材料屈服应力模型
• 2.4.5 压边力施加方式
• 2.5 模具结构有限元分析建模关键技术
• 2.5.1 单元类型选择
• 2.5.2 模具结构简化
• 2.5.3 冲压模具结构分析模型设置
• 2.6 冲压模具结构分析载荷映射方法
• 2.6.1 载荷点到模具表面单元的移动
• 2.6.2 载荷到模具表面节点的插值
• 2.6.3 形成载荷——时间曲线
• 2.6.4 算法的优越性
• 2.6.5 载荷映射工具
• 2.7 实例分析
• 2.8 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 板料成形数值模拟获得的波动接触力的数字滤波处理
• 3.1 概述
• 3.2 数字信号处理常用滤波算法及对应滤波器
• 3.2.1 衡量滤波器性能的指标
• 3.2.2 时域滑动点算法及对应滤波器
• 3.2.3 频域离散傅立叶变换及快速傅立叶变换滤波器
• 3.3 波动载荷处理滤波器选择
• 3.4 FFT低通滤波器在冲压模具结构分析接触力处理中的应用
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 基于板料成形数值模拟的冲压模具结构分析方法应用及实验验证
• 4.1 概述
• 4.2 冲压模具动态应力应变采集系统
• 4.3 冲压模具结构分析方法应用及实验验证
• 4.3.1 双曲底面盒形件拉深模具应力分析
• 4.3.2 偏载明显的阶梯底面盒形件冲压模具结构分析
• 4.3.3 某轿车侧底板零件拉深模具结构分析
• 4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 两种压边方式下两类典型冲压件成形性和模具结构分析
• 5.1 概述
• 5.2 板料冲压成形的两种压边方式
• 5.3 两类典型的冲压成形件
• 5.3.1 双曲底面盒形件及其拉深模具
• 5.3.2 阶梯底面盒形件及其冲压模具
• 5.4 两种压边方式下两类典型冲压件成形性和模具受力特点
• 5.4.1 板料成形数值模拟和模具结构分析有限元模型
• 5.4.2 数值模拟结果与讨论
• 5.4.3 结论
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 噪声因素对高强度钢拉深模具结构受力的影响
• 6.1 概述
• 6.2 噪声因素对模具载荷、变形和应力的影响
• 6.2.1 板料成形数值模拟和模具结构分析有限元模型
• 6.2.2 噪声因素和波动参数
• 6.2.3 结果与讨论
• 6.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 结论与展望
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的专利
• 致谢
• 上海交通大学学位论文答辩决议书