汽车覆盖件冲压模具的结构优化与分析

论文摘要

近年来我国汽车工业飞速发展,众多汽车企业都在为缩短新车型研发周期、降低生产成本而努力。冲压模具作为生产汽车覆盖件的重要工艺装备,其设计质量和成本对汽车的生产研发有着重要影响。随着能源和钢铁价格不断上涨,控制模具成本显得尤为重要。另外,高强度钢板等新材料、伺服压力机等新设备的应用,对传统的冲压模具提出了新的问题和挑战。要解决这些问题就必须加强对模具结构优化设计和模具结构分析的研究。本文在总结原有模具结构分析方法的基础上,从覆盖件模具入手,提出了基于板料成形模拟的冲压模具结构优化方法和分析方法。采用冲压成形模拟和结构优化分析解耦的思路,运用拓扑优化技术,以某行李箱盖外板和后备箱盖外板为例,设计出新的冲压模具结构,并对其在冲压过程中的受力和变形规律进行了分析。结构优化方面,首先运用专业的成形模拟软件PAM STAMP 2G对板料冲压成形过程进行模拟,得到冲压过程中板料对模具的作用力。这些荷载通过笔者编写的FORTRAN程序Pam2OptiStruct.exe转换后直接施加到模具结构优化模型上。然后利用OptiStruct的拓扑优化技术,对模具结构进行优化,最后借助CAD系统CATIA在优化结果的基础上设计出新的模具结构。经结构分析验证,新结构相对传统结构减重15%左右,而柔度降低5%左右,同时保证变形和等效应力在许可的范围内。这说明新设计的模具结构优于传统模具结构。结构分析方面,板料冲压成形过程看作一个准静态过程。本文将连续的冲压过程用n个时间点的静态结构分析序列来近似,通过分析一系列的模具受力和变形,得到整个冲压过程中模具的受力和变形规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 板料成形模拟的研究现状
• 1.3 冲压模具结构分析及优化研究现状
• 1.4 本文研究的思路及主要内容
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 研究的主要内容
• 2 板料成形的数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 计算平台的选择
• 2.3 板料成形的塑性力学概念
• 2.3.1 真实应力和真实应变
• 2.3.2 材料的厚向异性系数
• 2.3.3 板料的成形极限图
• 2.4 冲压成形模拟的关键问题
• 2.4.1 算法选择
• 2.4.2 材料模型
• 2.4.3 单元类型
• 2.4.4 接触和摩擦
• 2.5 实例分析
• 2.5.1 行李箱盖外板冲压成形模拟
• 2.5.2 引擎盖外板冲压成形模拟
• 2.6 小结
• 3 模具结构拓扑优化
• 3.1 引言
• 3.2 OptiStruct 的结构优化技术
• 3.3 拓扑优化的数学模型
• 3.4 优化模型的数值算法
• 3.4.1 收敛准则
• 3.4.2 灵敏度分析
• 3.4.3 优化准则算法
• 3.5 模具结构的拓扑优化
• 3.5.1 模具荷载的转换
• 3.5.2 荷载工况选择
• 3.5.3 目标函数和约束条件
• 3.6 模具拓扑优化实例
• 3.6.1 行李箱盖外板模具的拓扑优化
• 3.6.2 引擎盖外板模具的拓扑优化
• 3.7 小结
• 4 模具结构分析
• 4.1 引言
• 4.2 行李箱盖外板模具结构的分析
• 4.2.1 传统模具结构分析
• 4.2.2 优化后模具结构分析
• 4.2.3 对比分析
• 4.3 引擎盖外板模具结构分析
• 4.3.1 传统模具结构分析
• 4.3.2 优化后的模具结构
• 4.3.3 对比分析
• 4.4 冲压过程的模具结构分析
• 4.5 小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录