發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模結(jié)構(gòu)輕量化

1、發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模輕量化研究摘 要： 本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模進(jìn)行有限元分析，并且在拓?fù)鋬?yōu)化的指導(dǎo)下，對(duì)傳統(tǒng)模具母體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，再通過(guò)有限元分析，驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，從而實(shí)現(xiàn)模具輕量化要求。關(guān)鍵詞：沖壓模具 有限元分析 拓?fù)鋬?yōu)化 輕量化0 前 言基于有限元分析的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是一項(xiàng)新型的設(shè)計(jì)方法，它可以在方案設(shè)計(jì)階段為設(shè)計(jì)者提供概念性設(shè)計(jì)，給出零部件甚至機(jī)構(gòu)原型合理的材料布局，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。本文利用通用有限元分析及優(yōu)化軟件Hyperworks對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模的傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)分析(強(qiáng)度分析和剛度分析及其穩(wěn)定性分析)，根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分析結(jié)果以及約束情

2、況，確定優(yōu)化空間，定義優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到優(yōu)化后模具筋板的大致形狀，在滿足模具強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的前提下，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)輕量化，減少模具制造過(guò)程中的材料利用，以達(dá)到降低模具制造成本，實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排的目標(biāo)。 1 加載方式的確定 現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及問(wèn)題1.1 現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1.2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題2. 模具結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程3. 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法的驗(yàn)證4. 算例4.1 加載方式確定4.2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算4.3 優(yōu)化計(jì)算5. 結(jié)論加載方式的選擇直接影響計(jì)算的正確性和計(jì)算精度，沖壓過(guò)程速度較慢，因此可以當(dāng)成一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，特別是對(duì)于整形工序來(lái)說(shuō)，當(dāng)機(jī)床

3、完全壓到位時(shí)壓力達(dá)到最大壓力，機(jī)床、模具、工件沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此完全可以按靜態(tài)加載方式來(lái)模擬整形過(guò)程。沖壓整形過(guò)程中，機(jī)床工作臺(tái)可視為不變形體，即剛體；而模具則必須視為可變形體，即柔體；基本工作結(jié)構(gòu)可用圖1所示。圖1 整形模具工作結(jié)構(gòu)圖仿真模型的加載方式可以分為兩種：一是將下模固定，在上模頂面加載整形力，將上模座設(shè)定為剛體，這樣可以保證上下模座貼緊機(jī)床工作臺(tái)面，與實(shí)際工況相符，但這樣將使得上模座各處出現(xiàn)相同的傳力狀態(tài)，導(dǎo)致力傳遞到整形刀塊時(shí)為均勻載荷，這與整形刀塊實(shí)際受力狀態(tài)不符，導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力值出現(xiàn)偏差，如圖2（a）所示。二是將下模固定，在上模頂面加載整形力，將上模座設(shè)定為柔體，這樣將力

4、傳遞到整形刀塊時(shí)考慮到了上模座的受力變形，受力情況與實(shí)際吻合。但整形力將在上模座上產(chǎn)生一個(gè)彎矩M，使得上模座頂面產(chǎn)生變形，從而無(wú)法保證上模座頂面貼緊機(jī)床工作臺(tái)面，計(jì)算所獲得的變形量值將出現(xiàn)偏差，如圖2（b）所示。 (a) (b)圖2 整形仿真過(guò)程的加載及模具變形示意圖為了確定上述兩種加載方式的真實(shí)性，在本文中通過(guò)采用一與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模具相似的現(xiàn)有的汽車(chē)后輪罩整形模進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)有限元模型建立及其實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到第二種加載方式與實(shí)驗(yàn)測(cè)量更加貼合。因此在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模分析過(guò)程中選擇第二種加載方式（圖2（b）所示），分析下模座時(shí)在上模座加載，下模座固定；分析上模座時(shí)在下模座加載，上模座固

5、定。2 傳統(tǒng)規(guī)范模具結(jié)構(gòu)的有限元分析2.1 有限元模型的建立模具的受力狀態(tài)大致可以分為工作狀態(tài)的載荷（800T）、起吊、翻轉(zhuǎn)、堆放變形，本文利用MSC/NASTRAN進(jìn)行靜力分析，在工作狀態(tài)時(shí)通過(guò)上模座底座加載靜載荷（800T），下模座底座約束分析下模受力、變形情況。在做起吊、翻轉(zhuǎn)分析時(shí)為了準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)受力和約束的實(shí)質(zhì)情況，在吊耳一周單元節(jié)點(diǎn)通過(guò)剛性單元連接在一起，約束和載荷加載在主節(jié)點(diǎn)上。由于該結(jié)構(gòu)巨大，但是結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。采用四面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散這種單元的特點(diǎn)是網(wǎng)格發(fā)生和重劃算法比較簡(jiǎn)單，對(duì)復(fù)雜形狀邊界表面協(xié)調(diào)性好，計(jì)算精度高網(wǎng)格劃分時(shí)先將實(shí)體表面離散成三角形二

6、維網(wǎng)格，然后將內(nèi)部填充成四面體單元有限元模型共有高階四面體單元個(gè)，模具結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示圖3 模具結(jié)構(gòu)有限元模型2.2結(jié)果與分析對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到上模最大位移為0.177mm，最大拉應(yīng)力為77.72Mpa，最大壓應(yīng)力為171.3Mpa,如圖4、圖5所示。下模最大位移為0.151mm，最大拉應(yīng)力為50.7Mpa，最大壓應(yīng)力為145.9Mpa。模具總重量為12292kg。由于該模具材料為HT300，抗拉強(qiáng)度許用值為300Mpa，抗壓強(qiáng)度許用值為900Mpa，所以受力滿足要求，但是存在優(yōu)化空間。圖4 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上模Z向位移圖（反面）圖5 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上模拉應(yīng)力圖（反面）3模具

7、的拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承載結(jié)構(gòu)的最佳材料分配方案，得到結(jié)構(gòu)的最佳形狀即在一個(gè)給定的空間區(qū)域內(nèi)，依據(jù)己知的負(fù)載或支承等約束條件，解決材料的分布問(wèn)題，從而使結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到最大或使輸出位移、應(yīng)力等達(dá)到規(guī)定要求。拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程包括3部分： 定義進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的區(qū)域； 定義優(yōu)化參數(shù)； 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化定義優(yōu)化參數(shù)包括定義約束、目標(biāo)函數(shù)、收斂公差等，Hyperworks軟件能夠自動(dòng)進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，直到滿足優(yōu)化參數(shù)中所規(guī)定的收斂公差通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)模具的分析，確定模具結(jié)構(gòu)中的筋板布局形式為主要的優(yōu)化對(duì)象。由于優(yōu)化的目標(biāo)是為了求得材料的最佳分布，選用的Altair公司的Hyperworks軟件下Optistruc

8、t模塊作為分析工具，該工具是目前工程界使用最為廣泛的拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算工具，優(yōu)化過(guò)程如下：優(yōu)化過(guò)程中用體積作為優(yōu)化目標(biāo)，定義有體積分?jǐn)?shù)，其表達(dá)式為：體積分?jǐn)?shù)=（當(dāng)前總體積-初始非設(shè)計(jì)體積）/初始總體積在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算時(shí)時(shí)，將采用應(yīng)力約束方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)目標(biāo)為最大應(yīng)力小于120Mpa，約束為體積分?jǐn)?shù)最小，設(shè)計(jì)變量定義為空間材料的分布，優(yōu)化對(duì)象為下模座筋板分布形狀。根據(jù)如圖6的模具的受力區(qū)域和邊界區(qū)域建立加載模型如圖7所示，得到結(jié)果如圖8所示。 圖6 模具下模CAD模型 圖7 拓?fù)鋬?yōu)化建模圖圖8 優(yōu)化結(jié)果4模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)與有限元分析4.1模具結(jié)構(gòu)輕量化改進(jìn)在CAD軟件中根據(jù)優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)

9、，得到新的模具造型結(jié)構(gòu)。模具結(jié)構(gòu)前后對(duì)比圖如圖9所示。上模結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后CAD模型對(duì)比圖壓料板結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后CAD模型對(duì)比圖下模結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后CAD模型對(duì)比圖下模結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后CAD模型對(duì)比圖圖9 模具改進(jìn)前后CAD對(duì)比圖4.2優(yōu)化結(jié)構(gòu)的有限元分析根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果確定懸置支架結(jié)構(gòu)新造型后，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析，從而確定結(jié)構(gòu)的可靠性。按照對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)支架的分析過(guò)程，對(duì)優(yōu)化支架在相同的邊界條件下進(jìn)行有限元分析。優(yōu)化后模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到上模最大位移為0.173mm，最大拉應(yīng)力為53.4Mpa，最大壓應(yīng)力為145.7Mpa,如圖10、圖11所示。下模最大位移為0.14mm，最大拉應(yīng)力為6

10、7.1Mpa，最大壓應(yīng)力為162Mpa。模具總重量為11817kg。圖10 優(yōu)化設(shè)計(jì)下模Z向位移圖（正面）圖11 優(yōu)化設(shè)計(jì)下模拉應(yīng)力圖（正面）由于該模具材料為HT300，抗拉強(qiáng)度許用值為300Mpa，抗壓強(qiáng)度許用值為900Mpa，從分析結(jié)果可以看出，改進(jìn)后受力分布狀況最好，能夠很好的滿足模具的強(qiáng)度和剛度要求，并使得模具的受拉減少的情況下，抗壓能力能夠更好的利用，共減輕重量為475kg。表1 性能對(duì)比上模下?？傊亓?kg)拉max壓maxZMAX變形量拉max壓maxZMAX變形量傳統(tǒng)模型7772171.30.17750.7145.90.15112292優(yōu)化后模型53.4145.70.17367

11、.11620.14118175結(jié)論本文對(duì)一發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模進(jìn)行有限元分析及其拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，所優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)與原模具相比，具有如下特色：1）、對(duì)模具母體結(jié)構(gòu)中的下模座、上模座和壓料板三大鑄鐵材料件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)， 如改變減輕孔的大小及其布置、筋板寬度的設(shè)置、筋板布置，其他如整形刀塊和標(biāo)準(zhǔn)件等均按照保持原樣。2）、模具外觀上的加強(qiáng)筋、起吊吊耳端頭部分的結(jié)構(gòu)形式，從工作狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)的受力分析來(lái)看，已經(jīng)具有足夠的安全裕度（安全系數(shù)均大于3），仍有較大的減重空間，但為保持模具外觀的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，只對(duì)部分減輕孔進(jìn)行了擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)形式未作修改。建議可以進(jìn)行適當(dāng)修改。3）、模具工作時(shí)整形部分以內(nèi)的主要

12、承力部分加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化我們可以得到最佳主筋及其副筋布置。4)、修改后的模具在總質(zhì)量上減少了475Kg，模具強(qiáng)度方面，在穩(wěn)定受力狀態(tài)下安全系數(shù)為4.0，不穩(wěn)定受力狀態(tài)下安全系數(shù)為3.2。改進(jìn)后的模具最大應(yīng)力區(qū)小于80MPa（材料允許應(yīng)力為300MPa），滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。并且在剛度方面，其變形安全系數(shù)足夠大，能夠滿足其設(shè)計(jì)剛度要求。在優(yōu)化的過(guò)程中運(yùn)用到了計(jì)算機(jī)模擬板料沖壓成型仿真技術(shù)，四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)，結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)。同時(shí)使用了HyperMesh、OptiStruct、UG等軟件，應(yīng)用基于迭代程序逼近求解的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)及UG三維實(shí)體造型分析技術(shù)完成了模具母體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。參考文獻(xiàn)：1李德群, 張宜生. 模具企業(yè)數(shù)字制造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展J .CAD/ CAM 與制造業(yè)信息化, 2003 (7) : 10 - 15.2雷正保 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形技術(shù) 長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社3 崔令江. 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社,2004.4 鐘志華,李光耀. 薄板沖壓成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真與應(yīng)用. 北京:北京理工大