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1、发动机罩内板整形模轻量化研究摘 要： 本文对发动机罩内板整形模进行有限元分析，并且在拓扑优化的指导下，对传统模具母体设计进行优化改进，再通过有限元分析，验证改进结果满足设计要求，从而实现模具轻量化要求。关键词：冲压模具 有限元分析 拓扑优化 轻量化0 前 言基于有限元分析的拓扑优化技术是一项新型的设计方法，它可以在方案设计阶段为设计者提供概念性设计，给出零部件甚至机构原型合理的材料布局，减轻结构质量，提高结构的强度和刚度。本文利用通用有限元分析及优化软件Hyperworks对发动机罩内板整形模的传统模具结构分析(强度分析和刚度分析及其稳定性分析)，根据传统设计结构的应力和位移分析结果以及约束情
2、况，确定优化空间，定义优化参数，进行拓扑优化，得到优化后模具筋板的大致形状，在满足模具强度、刚度、稳定性的前提下，对模具结构进行改进，实现模具结构轻量化，减少模具制造过程中的材料利用，以达到降低模具制造成本，实现国家节能减排的目标。 1 加载方式的确定 现有模具结构设计方法及问题1.1 现有模具结构设计方法1.2 现有设计方法存在的问题2. 模具结构轻量化设计流程3. 结构强度计算方法的验证4. 算例4.1 加载方式确定4.2 现有设计结构强度计算4.3 优化计算5. 结论加载方式的选择直接影响计算的正确性和计算精度，冲压过程速度较慢，因此可以当成一个准静态过程，特别是对于整形工序来说，当机床
3、完全压到位时压力达到最大压力，机床、模具、工件没有相对运动，因此完全可以按静态加载方式来模拟整形过程。冲压整形过程中，机床工作台可视为不变形体，即刚体；而模具则必须视为可变形体，即柔体；基本工作结构可用图1所示。图1 整形模具工作结构图仿真模型的加载方式可以分为两种：一是将下模固定，在上模顶面加载整形力，将上模座设定为刚体，这样可以保证上下模座贴紧机床工作台面，与实际工况相符，但这样将使得上模座各处出现相同的传力状态，导致力传递到整形刀块时为均匀载荷，这与整形刀块实际受力状态不符，导致计算出来的应力值出现偏差，如图2（a）所示。二是将下模固定，在上模顶面加载整形力，将上模座设定为柔体，这样将力
4、传递到整形刀块时考虑到了上模座的受力变形，受力情况与实际吻合。但整形力将在上模座上产生一个弯矩M，使得上模座顶面产生变形，从而无法保证上模座顶面贴紧机床工作台面，计算所获得的变形量值将出现偏差，如图2（b）所示。 (a) (b)图2 整形仿真过程的加载及模具变形示意图为了确定上述两种加载方式的真实性，在本文中通过采用一与发动机罩内板整形模具相似的现有的汽车后轮罩整形模进行实验验证，通过有限元模型建立及其实验测量，得到第二种加载方式与实验测量更加贴合。因此在对发动机罩内板整形模分析过程中选择第二种加载方式（图2（b）所示），分析下模座时在上模座加载，下模座固定；分析上模座时在下模座加载，上模座固
5、定。2 传统规范模具结构的有限元分析2.1 有限元模型的建立模具的受力状态大致可以分为工作状态的载荷（800T）、起吊、翻转、堆放变形，本文利用MSC/NASTRAN进行静力分析，在工作状态时通过上模座底座加载静载荷（800T），下模座底座约束分析下模受力、变形情况。在做起吊、翻转分析时为了准确反映结构受力和约束的实质情况，在吊耳一周单元节点通过刚性单元连接在一起，约束和载荷加载在主节点上。由于该结构巨大，但是结构对称，所以采用对称结构进行有限元分析。采用四面体单元进行结构离散这种单元的特点是网格发生和重划算法比较简单，对复杂形状边界表面协调性好，计算精度高网格划分时先将实体表面离散成三角形二
6、维网格，然后将内部填充成四面体单元有限元模型共有高阶四面体单元2927798个，模具结构的有限元模型如图3所示图3 模具结构有限元模型2.2结果与分析对传统设计的模具结构进行有限元分析，得到上模最大位移为0.177mm，最大拉应力为77.72Mpa，最大压应力为171.3Mpa,如图4、图5所示。下模最大位移为0.151mm，最大拉应力为50.7Mpa，最大压应力为145.9Mpa。模具总重量为12292kg。由于该模具材料为HT300，抗拉强度许用值为300Mpa，抗压强度许用值为900Mpa，所以受力满足要求，但是存在优化空间。图4 传统设计上模Z向位移图（反面）图5 传统设计上模拉应力图
7、（反面）3模具的拓扑优化拓扑优化的目标是寻找承载结构的最佳材料分配方案，得到结构的最佳形状即在一个给定的空间区域内，依据己知的负载或支承等约束条件，解决材料的分布问题，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等达到规定要求。拓扑优化过程包括3部分： 定义进行拓扑优化的区域； 定义优化参数； 进行拓扑优化定义优化参数包括定义约束、目标函数、收敛公差等，Hyperworks软件能够自动进行多次迭代运算，直到满足优化参数中所规定的收敛公差通过对传统模具的分析，确定模具结构中的筋板布局形式为主要的优化对象。由于优化的目标是为了求得材料的最佳分布，选用的Altair公司的Hyperworks软件下Op
8、tistruct模块作为分析工具，该工具是目前工程界使用最为广泛的拓扑优化计算工具，优化过程如下：优化过程中用体积作为优化目标，定义有体积分数，其表达式为：体积分数=（当前总体积-初始非设计体积）/初始总体积在进行拓扑优化计算时时，将采用应力约束方法来进行计算，设计目标为最大应力小于120Mpa，约束为体积分数最小，设计变量定义为空间材料的分布，优化对象为下模座筋板分布形状。根据如图6的模具的受力区域和边界区域建立加载模型如图7所示，得到结果如图8所示。 图6 模具下模CAD模型 图7 拓扑优化建模图图8 优化结果4模具结构改进与有限元分析4.1模具结构轻量化改进在CAD软件中根据优化得到的结
9、构进行二次设计，得到新的模具造型结构。模具结构前后对比图如图9所示。上模结构改进前后CAD模型对比图压料板结构改进前后CAD模型对比图下模结构改进前后CAD模型对比图下模结构改进前后CAD模型对比图图9 模具改进前后CAD对比图4.2优化结构的有限元分析根据拓扑优化结果确定悬置支架结构新造型后，应对结构的强度和刚度进行有限元分析，从而确定结构的可靠性。按照对传统设计支架的分析过程，对优化支架在相同的边界条件下进行有限元分析。优化后模具结构进行有限元分析，得到上模最大位移为0.173mm，最大拉应力为53.4Mpa，最大压应力为145.7Mpa,如图10、图11所示。下模最大位移为0.14mm，
10、最大拉应力为67.1Mpa，最大压应力为162Mpa。模具总重量为11817kg。图10 优化设计下模Z向位移图（正面）图11 优化设计下模拉应力图（正面）由于该模具材料为HT300，抗拉强度许用值为300Mpa，抗压强度许用值为900Mpa，从分析结果可以看出，改进后受力分布状况最好，能够很好的满足模具的强度和刚度要求，并使得模具的受拉减少的情况下，抗压能力能够更好的利用，共减轻重量为475kg。表1 性能对比上模下模总重量(kg)拉max压maxZMAX变形量拉max压maxZMAX变形量传统模型7772171.30.17750.7145.90.15112292优化后模型53.4145.7
11、0.17367.11620.14118175结论本文对一发动机罩内板整形模进行有限元分析及其拓扑优化设计，所优化的模具设计与原模具相比，具有如下特色：1）、对模具母体结构中的下模座、上模座和压料板三大铸铁材料件进行了改进设计， 如改变减轻孔的大小及其布置、筋板宽度的设置、筋板布置，其他如整形刀块和标准件等均按照保持原样。2）、模具外观上的加强筋、起吊吊耳端头部分的结构形式，从工作状态和运输状态的受力分析来看，已经具有足够的安全裕度（安全系数均大于3），仍有较大的减重空间，但为保持模具外观的统一协调性和稳定性，只对部分减轻孔进行了扩大，结构形式未作修改。建议可以进行适当修改。3）、模具工作时整形
12、部分以内的主要承力部分加强筋的结构形式进行了拓扑优化和改进。通过拓扑优化我们可以得到最佳主筋及其副筋布置。4)、修改后的模具在总质量上减少了475Kg，模具强度方面，在稳定受力状态下安全系数为4.0，不稳定受力状态下安全系数为3.2。改进后的模具最大应力区小于80MPa（材料允许应力为300MPa），满足设计强度要求。并且在刚度方面，其变形安全系数足够大，能够满足其设计刚度要求。在优化的过程中运用到了计算机模拟板料冲压成型仿真技术，四面体网格划分技术，结构有限元分析技术。同时使用了HyperMesh、OptiStruct、UG等软件，应用基于迭代程序逼近求解的拓扑优化技术及UG三维实体造型分析
13、技术完成了模具母体的结构优化。参考文献：1李德群, 张宜生. 模具企业数字制造技术的现状与发展J .CAD/ CAM 与制造业信息化, 2003 (7) : 10 - 15.2雷正保 汽车覆盖件冲压成形技术 长沙：国防科技大学出版社3 崔令江. 汽车覆盖件冲压成形技术. 机械工业出版社,2004.4 钟志华,李光耀. 薄板冲压成型过程的计算机仿真与应用. 北京:北京理工大学出版社,19985 陈中奎. 金属板料冲压成形过程有限元数值模拟的研究与开发D . 北京航空航天大学. 2000.6赵丽红结构拓扑优化设计的发展、现状及展望J辽宁工学院学报，2004(24)：46497张荭蔚，顾力强基于有限元分析技术的大客车车门结构拓扑优化设计研究J机械设计与研究，2002(18)：46478刘齐茂，李春林某型载货车车架结构的拓扑优化J广西工学院学报，2004(15)：68
