缩减基法及其在汽车冲压模具设计中的应用

论文摘要

汽车轻量化要求车身使用强度更高的材料,高强度钢在汽车车身零件中的广泛应用对冲压模具提出了更高的设计标准。冲压模具的传统设计方法基于已有经验与企业标准,利用有限元进行结构分析作为辅助参考,整个过程具有较大的盲目性。面对汽车冲压模具市场竞争激烈的现状,缩短产品的设计周期,提升设计质量具有非常重要的意义。然而随着模具结构越来越复杂,结构参数不断增多,求解规模不断扩大,仅仅依靠计算机硬件技术的提高已不能满足产品设计的效率要求。因此,在汽车冲压模具结构设计过程中迫切需要引入实时计算方法,提升复杂结构的分析效率,实现对结构参数的优化设计。近几十年来众多学者对实时计算方法进行了深入的研究,寻找计算效率与精度较高的算法,已经取得诸多成果,但是仍有较多问题值得进一步探索。本文对缩减基法基本原理与计算过程进行了研究,并基于缩减基法实现汽车冲压模具快速结构分析,最终结合遗传算法对模具结构参数进行优化设计。围绕缩减基法以及在汽车冲压模具中的应用这一主题,本论文主要开展了以下几方面的研究内容:1.对缩减基法基本原理进行研究。缩减基法核心难点在于通过参数提取将计算过程划分为在线与离线两个阶段,本文结合仿射变换实现线性参数的提取,并进行误差分析,最后通过计算实例对该方法的计算效率与计算精度进行验证;2.本文基于缩减基法实现对汽车冲压模具结构的快速分析,将该方法推广至三维工程结构分析。分析过程包括对高强度钢零件成形工艺的获取,将成形力映射至模具表面实现精确加载,通过仿射变换进行参数提取,最后选取样本空间、构造减基矩阵完成缩减基法求解;3.结合遗传算法对模具筋板厚度进行优化设计。优化迭代过程中采用缩减基法进行模具结构分析,参数改动时不仅无需对模型进行重建,并且结构分析速度快,大大提高优化效率,缩短产品的设计周期,提升产品竞争力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本文研究背景与意义
• 1.2.1 汽车轻量化与高强度钢的应用
• 1.2.2 汽车冲压模具设计现状
• 1.2.3 有限单元法
• 1.3 基于缩减基法的实时计算方法
• 1.4 研究内容
• 第2章 缩减基法
• 2.1 引言
• 2.2 缩减基法
• 2.2.1 缩减基法基本原理
• 2.2.2 缩减基法的计算过程
• 2.2.3 在线阶段与离线阶段
• 2.3 基于仿射变换的线性算子分离
• 2.3.1 仿射变换
• 2.3.2 设计参数的分离
• 2.4 误差分析
• 2.5 基于缩减基法的计算实例
• 2.5.1 有限元模型建立
• 2.5.2 三角形等参单元
• 2.5.3 分析结果及误差分析
• 2.6 小结
• 第3章 基于缩减基法的汽车冲压模具分析
• 3.1 引言
• 3.2 板料成形分析有限元方法
• 3.2.1 分析流程及数值方法选取
• 3.2.2 有限元模型建立
• 3.2.3 板料成形分析
• 3.3 汽车冲压模具模型建立
• 3.3.1 冲压模具结构分析方法
• 3.3.2 模型几何清理与简化
• 3.3.3 仿射变换及单元划分
• 3.3.4 冲压模具结构分析载荷加载
• 3.4 基于缩减基法的结构分析
• 3.4.1 四面体等参单元
• 3.4.2 线性算子分离
• 3.4.3 基于缩减基法的结构分析
• 3.5 小结
• 第4章 基于缩减基法的模具结构快速优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 遗传算法基本理论
• 4.3 冲压模具结构参数的快速优化计算
• 4.3.1 优化设计流程
• 4.3.2 优化结果与对比分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表的学术论文