38000字硕士毕业论文高强度钢冲压回弹控制及模具弹性变形的结构拓扑改进

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：38000字

论点：模具,冲压,板料

论文概述：

针对 AHSS 导致的模具受力恶劣，本文利用数值模拟分析和实验结合的方法，研究了模具弹性变形、结构拓扑优化与冲压回弹的关系，提出了耦合 AHSS 冲压成形工艺优化与模具结构拓扑优化的多目

论文正文：

第一章导言

1.1课题研究的背景和意义
目前，解决这一问题的有效方法主要包括新能源技术和汽车轻量化技术。研究数据表明，如果车辆质量降低10%，燃油效率可提高6 ~ 8%。每减少100公斤车辆设备，每100公里油耗可减少(0.3 ~ 0.6)升，二氧化碳排放量可减少约5克/公里。车身约占汽车总质量的30%。空负荷时，约70%的燃油消耗用于身体质量。从驾驶的角度来看，汽车的加速性能在减重后得到改善。同时，车辆控制稳定性、振动和噪声也得到改善。考虑到碰撞的安全性，碰撞惯性减小，制动距离减小，安全系数增大。轻量化将成为未来汽车车身的主要发展趋势。
1994年至1998年，世界钢铁协会(IISI国际钢铁研究所)推动了汽车轻量化项目，涉及超轻钢车身。ULSAB)、超轻钢自动关闭(ULSAC)、超轻悬架(ULSAS)和超轻钢车身——基于它们的先进车辆概念(ULSAB-AVC)。文件
第三章不等高不等宽AHSS弯曲............................34-52
3.1非等高非等宽AHSS弯曲零件............................34-35
3.2成型............................35-40
3.2.1模拟设置............................35-37
适用于非等高和非等宽AHSS冲压件3.2.2模拟分析............................37-40 [/BR/] 3.3拉延筋概述............................40-42
3.3.1拉延筋原则............................40-41
3.3.2拉延筋表单............................41 [/BR/] 3.3.3拉延筋效应............................41-42
3.4基于拉延筋和近似模型............................42-51
3.4.1拉延筋布置和结构形式............................42-43 [/BR/] 3.4.2近似模型构造............................43-49
3.4.3优化搜索............................49-51
3.5本章概述............................51-52
第四章模具与结构的耦合弹性变形............................52-70
4.1反弹............................52-57
考虑压边机弹性变形4.2压边机结构拓扑优化............................57-65
4.3压边结构回弹拓扑优化............................65-69
4.4本章概述............................69-70
第五章DP780钢板冲压回弹试验研究............................70-86
5.1实验目的............................70
5.2实验设备和模具............................70-73
5.2.1实验设备............................70-71
5.2.2实验模具............................71-73
5.3回弹实验数据采集............................73-76
5.4实验数据分析............................76-85
5.5本章概述............................85-86指出，使用高强度钢(HSS)和高级高强度钢(AHSS)可以有效降低汽车质量，提高碰撞安全性能。根据文件[6]中的数据，到2008年，德国梅赛德斯C汽车约70%的车身和结构部件由HSS生产，20%由AHSS/UHSS生产。目前，AHSS已被广泛使用，主要包括双相(DP)、相变诱发塑性(TRIP)、复合相(CP)和马氏体钢(马氏体、MART)。

1.2冲压模具弹性变形分析的研究现状
在传统的低强度钢冲压中，冲压模具的应力状况不是很差，弹性变形很小，损伤和失效很少，对板料成形质量的影响也很小。在板料成形的数值模拟中，由于没有考虑模具的弹性变形，模具通常被设定为理想的刚体。随着AHSS的广泛应用，冲压模具的应力状况趋于恶化。其弹性变形对整个模具结构和板料成形质量的影响已经成为不可忽视的重要因素。辊[20]在论文NUMISHEET\'2008中明确指出，考虑模具的弹性变形是板料成形数值模拟中值得关注和研究的方向。
国外学者研究了模具弹性变形对板料成形的影响。Shulkin等人认为，考虑模具的弹性变形行为是提高数值模拟预测精度的有效途径。但是，在一定程度上，压边环本身的弹性变形可以使压边力在法兰边缘的分布趋于合理，材料流动趋于理想，最终达到提高工件成形质量的效果。实验和仿真结果表明，压边力变形小，压边力分布变化大。张把凸模和凹模分别看作刚体和弹性体，研究了板料在平面应变和平面应力作用下的回弹机理。结果表明，凹模的弹性变形是影响回弹的重要因素。Doege等人[23]为了获得更合理的压边力分布，薄板结构的压边环被设计成使其弹性变形更显著。实验和数值模拟结果表明，采用刚性压边力时，压边力的不均匀分布是由于板料在凸缘区域局部增厚造成的。然而，当使用更容易弹性变形的压边力时，结构的弹性变形和片材厚度的不均匀分布相互协调，最终压边力的分布更加均匀。此外，当刀具倾斜时，可变形压边机比传统的刚性压边机具有更好的适应性，可以最大限度地保证板材的成型质量。凌贝克等人[24]将十字形箱形零件的拉伸模设定为弹性体，更全面地分析了模具弹性变形对工件成形的影响。
在实验研究方面，高等人[30]利用传感器测量模具与金属板接触表面上离散点的接触压力，并结合薄板样条(TPS)插值技术，提出了一种在线检测成形过程中刀具与金属板之间接触压力分布(CPD)的新方法。近年来，国内一些学者也开始关注模具在冲压过程中的弹性变形行为。孙承志等人[31]研究了带顶杆的冲压模具的压边力(不考虑金属板的厚度变化)。模拟得到的压边力分布趋势与实验结果吻合良好。张桂宝等人[32，33]提出了一种基于板料成形数值模拟的复杂结构大型汽车冲压件模具结构分析方法，并通过实验验证了该方法的有效性。针对高速钢冲压生产对噪声因素敏感的问题，[34号文件分析了初始坯料厚度波动、压边力变化、坯料定位误差和模具安装定位误差对DP600双曲底盒拉伸模成形载荷、变形和应力分布的影响。

第二章冲压模具结构分析和拓扑优化的理论基础

2.1基于板料成形数值模拟的结构分析理论基础
AHSS在冲压生产中的广泛应用加剧了冲压模具的应力状况。与传统的低强度钢冲压生产相比，模具损坏和失效问题明显增加。由于AHSS成形性差，回弹严重，冲压模具刚性不足，AHSS冲压模具调试难度较大。传统低强度钢冲压模具的设计标准和规格已不能满足AHSS冲压模具设计的要求。AHSS冲压模具问题只能通过增加模具厚度和体积，选择高硬度模具材料来解决，从而增加模具材料成本和生产能力。
模具异常损坏给模具企业造成了巨大的经济损失。模具的频繁调试和修改不仅会影响生产进度，延长产品的交货期，还会导致产品质量不稳定，降低企业的信用等级。随着AHSS的广泛应用，冲压模具的强度和刚度校核、寿命预测以及进一步的结构优化问题越来越受到企业和学术界的重视。为了检测冲压模具的强度和刚度，预测其使用寿命，优化其结构，首先要分析冲压模具在整个冲压过程中的应力和变形。根据整个冲压过程中模具的最大应力，检查强度。最大应力不得超过模具材料的屈服应力，并应有一定的安全裕度。然而，当在整个冲压过程中根据模具的最大变形来检查模具的刚性时，压边环和冲压模具的凹形模制表面的弹性变形将影响压边力在压边力表面上的分布，从而显著影响金属板的可成形性。在模具寿命预测方面，应根据模具在整个冲压过程中的应力历史进行模具疲劳寿命预测。优化模具结构时，可以根据模具在整个冲压过程中的应力和变形分布进行优化，从而在保证模具安全系数的基础上减轻模具重量[63-65]。

[6]

结论

主要工作内容和研究成果如下:选择冲压模具压边圈的关键位置，研究板料成形过程中压边圈弹性变形的分布和变化，分析压边圈弹性变形与压边圈力的相互作用，分析拉延筋对压边圈弹性变形和压边圈力分布的影响。揭示了压边环弹性变形与冲压回弹的关系。分析了拉延筋、压边力等冲压工艺参数对冲压回弹的影响，提出了一种基于拉延筋、压边力等参数的冲压工艺优化方案。
试验表明，优化后的冲压件回弹量从2.217毫米降低到1.933毫米，降低了13%。针对冲压模具压边环的应力变化，应用载荷映射算法将成形仿真中的节点载荷加载到结构分析的力边界条件中，实现了板料成形分析和模具结构分析的无缝连接，提高了结构分析的准确性。根据压边力在冲压过程中的变化，利用关键载荷步骤的节点载荷进行结构分析，获得更准确的全局拓扑优化结果，提高结构分析的鲁棒性和效率。在结构分析的基础上，利用Altair OptiStruct软件建立了冲压模具压边圈的拓扑优化模型。在控制压边环弹性变形的基础上，对压边环进行拓扑优化，以减轻模具重量。优化后，压边设计空之间的体积减小了70.2%，压边的弹性变形增加了26.2%，板料在Z方向的最大回弹增加了18.9%。
基于压边拓扑优化的单元密度阈值，调整压边结构，建立压边拓扑结构与冲压回弹之间的关系，将冲压工艺优化与模具结构拓扑优化相结合，实现板料冲压回弹与压边结构的多目标优化。仿真结果表明，拓扑阈值为0.783时，目标值最优，压边设计空之间的重量降低52.2%，板料在Z方向的最大回弹值降低4.0%。