模具外文翻譯

1、 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯學(xué)院 (系)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 楊 龍 學(xué) 號(hào)： 0801010236 (用外外文出處： Ilker Demir, Oguz Kayabasi, Bulent Ekici. Probabilistic design of sheet-metal die by Finite element method. Materials and Design 29(2008)721-721. 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 簽名： 2011年 月 日注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件

2、1：外文資料翻譯譯文基于有限元方法的板料成形模具可靠性設(shè)計(jì)摘要 板料成形模具中，最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在連接模具與框架的金屬棒上。采用有限元方法和可靠性分析研究金屬棒的疲勞性給模具壽命的預(yù)測(cè)帶來(lái)了很大的方便。為了降低板料成形模具中的應(yīng)力，同時(shí)提高它的疲勞壽命，論文提出一種有效的設(shè)計(jì)方案，即將有限元分析、近似模型、數(shù)值優(yōu)化算法和可靠性設(shè)計(jì)方法Monte Carlo模擬集成在一起從而形成了一種自動(dòng)設(shè)計(jì)工具。 這種集成的可行性在使用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)得到了檢驗(yàn)，最終借助可靠性設(shè)計(jì)結(jié)果將金屬棒的疲勞性預(yù)測(cè)了出來(lái)，分析結(jié)果中顯示材料的體積節(jié)省了43%，應(yīng)力值也比最初設(shè)計(jì)時(shí)降低46.3% ，疲勞系數(shù)降低了36%。

3、1. 引言 板料成形工藝中，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)這三項(xiàng)技術(shù)是基礎(chǔ)。尤其是在汽車制造業(yè)中，由于板成形模具主要在高負(fù)載條件下工作，所以成本很高，為此，提高模具工作部分的使用時(shí)間對(duì)降低大量生產(chǎn)的成本來(lái)說(shuō)就顯得非常重要。在板料成形過(guò)程中，模具結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，模具要擠壓金屬數(shù)十萬(wàn)次，該過(guò)程中一個(gè)最重要的問(wèn)題就是預(yù)測(cè)模具工作部分的疲勞壽命1?；谶@個(gè)原因，模擬板料成形模具的變形問(wèn)題和預(yù)測(cè)它的疲勞壽命已成為近期關(guān)注的重要問(wèn)題，同時(shí)有限元方法（FEM）也變得越來(lái)越重要，尤其是在模擬變形和疲勞的過(guò)程中。有限元方法的研究用的是理想模型，但現(xiàn)實(shí)制造業(yè)中

4、并不存在這種模型，因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)參數(shù)。為了避免這些參數(shù)帶來(lái)的不確定性，設(shè)計(jì)人員常使用安全系數(shù)。近些年來(lái)，一些設(shè)計(jì)人員又開(kāi)始使用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)替代這些安全系數(shù)?？煽啃栽O(shè)計(jì)技術(shù)甚至在一些困難的工程領(lǐng)域如實(shí)體或中空模具在擠壓時(shí)的性能分析2，焊接鋼管結(jié)構(gòu)的疲勞性分析3及隧道支撐設(shè)計(jì)4等方面也得到了廣泛有效的應(yīng)用。 板料成形模具中，最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在連接模具與框架的金屬棒上。用有限元方法和可靠性分析研究金屬棒的疲勞性給模具壽命的預(yù)測(cè)帶來(lái)了很大的方便。板料成形設(shè)計(jì)時(shí)，摩擦力和壓邊力會(huì)帶來(lái)一些不確定性，這時(shí)可以通過(guò)Monte Carlo模擬來(lái)分析系統(tǒng)的可行性5，即使已經(jīng)得到了疲勞性測(cè)試的結(jié)果

5、，該結(jié)果的可靠性也需要通過(guò)模擬來(lái)證實(shí)6。 在這項(xiàng)研究中，為了降低板料成形模具中的應(yīng)力，同時(shí)增加它的疲勞壽命，我們提議出一種有效的設(shè)計(jì)方案，這種方案就是將有限元分析、近似模型、數(shù)值優(yōu)化算法和可靠性設(shè)計(jì)方法Monte Carlo模擬集成在一起從而形成了一種自動(dòng)設(shè)計(jì)工具。應(yīng)用這種方法，板料成形模具中金屬棒上的最大應(yīng)力問(wèn)題可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)數(shù)值優(yōu)化算法來(lái)解決。該過(guò)程中對(duì)模具工作部分進(jìn)行了兩種類型的加載，分別是螺旋彈簧加載和氣墊彈簧加載。這個(gè)結(jié)果的可行性用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)得到了檢查和完善，最終借助可靠性設(shè)計(jì)結(jié)果將金屬棒的疲勞性預(yù)測(cè)了出來(lái)。由這種優(yōu)化處理問(wèn)題的方法產(chǎn)生了優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以下內(nèi)容里將詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)的

6、過(guò)程。2. 最優(yōu)化算法、有限元模型、可靠性設(shè)計(jì)和疲勞2.1 最優(yōu)化方法 一般地，形狀或材料設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題可以用以下的約束最小化公式表達(dá)7：最小化：y0(x) (1)使之滿足：yj(x)0 (j=1,c) (2) 在設(shè)計(jì)空間內(nèi)：xilxixiu (i=1,N) (3)這里y0(x) 是目標(biāo)函數(shù)，yj(x)(j=1,c)是約束函數(shù)，x=x1，x2，xN是設(shè)計(jì)變量中的矢量。xil和xiu分別表示設(shè)計(jì)變量的物理上界和下界，c和N分別表示約束的個(gè)數(shù)和設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)。約束和目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)是重量、穿透深度、能量吸收等等。 用公式(1)-(3)解決形狀優(yōu)化問(wèn)題可以有效地更換目標(biāo)和約束函數(shù)與響應(yīng)面(RS)的逼近，這

7、種優(yōu)化逼近在文獻(xiàn)上常常被稱為近似優(yōu)化設(shè)計(jì)。近似優(yōu)化方法在ANSYS DO模塊中得到了實(shí)施，它在該研究中的應(yīng)用如圖1所示，ANSYS DO模塊為目標(biāo)或約束函數(shù)的求解創(chuàng)建并應(yīng)用了遙感多項(xiàng)式逼近，具體如下8：在這里a,b,c是待定的系數(shù)。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，ANSYS DO首先要?jiǎng)?chuàng)建N+2個(gè)設(shè)置以便建立一種線性近似，這些設(shè)置表示了該設(shè)計(jì)中所有參數(shù)的值。ANSYS DO不僅能隨機(jī)地生成設(shè)置還能利用優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中已存在的設(shè)置。形狀優(yōu)化分析是通過(guò)有效的設(shè)置實(shí)施的，分析的結(jié)果再用來(lái)創(chuàng)建目標(biāo)和約束的線性逼近，高階逼近如二次和二次交叉RS逼近是通過(guò)最小二乘法創(chuàng)建出來(lái)的，這時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)里要有足夠的設(shè)置。優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在

8、補(bǔ)償函數(shù)的基礎(chǔ)上用數(shù)值優(yōu)化算法求解公式(1)(3)預(yù)測(cè)出來(lái)的，預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)精確分析(ANSYS)得到證實(shí)，如果預(yù)測(cè)的目標(biāo)和約束與ANSYS分析的結(jié)果相同，或者估計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)足以達(dá)到要求，那么優(yōu)化循環(huán)回路就會(huì)結(jié)束，否則，新計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)將添加到已存在的設(shè)置中，建立新的逼近。2.2 幾何造型和有限元造型 幾何造型是一種參數(shù)化建模，如圖2和圖3中所示，它出自Ford Turkey。用高頂面板模具來(lái)作示范，它的尺度上限和下限同樣也是出自Ford。A=1400(對(duì)稱模型)，B=650(對(duì)稱模型)，C1=75，C2=75，C3=75，D=200，E=40（金屬棒寬度) T=40（框架寬度） 有限元方法的第

9、一步是建立有限元模型和幾何模型。這個(gè)步驟中，采用八頂點(diǎn)的六面體單元對(duì)四分之一的模具模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型的單元數(shù)是15264個(gè)單元，該單元用的是ANSYS庫(kù)里的SOLID45類型，它由八個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有三個(gè)自由度，如圖3所示。圖3.有限元模型:(a)整個(gè)模型(b)對(duì)稱模型 有限元方法的第二步是選擇能夠代表材料性能的材料模型，因?yàn)閼?yīng)力和應(yīng)變值發(fā)生在彈性極限處，所以常常選擇線性均勻的彈性材料。材料牌號(hào)為GG30的可鑄鍛材料：彈性模量(E)：210000 MPa,泊松比(v): 0.3,密度：7.86e-6 kg/mm 有限元方法的第三步是提供負(fù)載和邊界條件，這里就用到了具有對(duì)稱邊界條件的

10、四分之一模型。不僅要將動(dòng)態(tài)負(fù)載加載到該模型中，靜態(tài)重量也要考慮進(jìn)去。這里分別提供了螺旋彈簧和氣墊彈簧的加載條件，如圖4所示。該研究的另一個(gè)目的是根據(jù)這兩種加載狀態(tài)，預(yù)測(cè)該系統(tǒng)的疲勞壽命。圖4.模型兩種加載類型的特點(diǎn)3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1 有限元和優(yōu)化結(jié)果 有限元分析的結(jié)果是可以接受的，最大應(yīng)力如預(yù)期的那樣出現(xiàn)在金屬棒底部，最大撓度出現(xiàn)在中間，如圖5所示。有限元分析、近似模型、數(shù)值優(yōu)化算法集成在一起形成了一種自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具。材料節(jié)省了43%，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，優(yōu)化過(guò)程之后使用了可靠性處理，可靠性處理的細(xì)節(jié)將在下面的部分講到。3.2 可靠性設(shè)計(jì) 連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，每件產(chǎn)品都不同于

11、其它產(chǎn)品，這些差異是由于材料、人為因素、標(biāo)注、機(jī)器設(shè)置等不確定性造成的。如果有足夠的樣本，可以將每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)出來(lái)，根據(jù)它們出現(xiàn)的頻率可以得出它們的概率，然后這些參數(shù)就稱為隨機(jī)變量。傳統(tǒng)工程計(jì)算中用的是這些變量的平均值，然而它們不是一個(gè)常數(shù)而是在一定范圍內(nèi)變化的量，如果對(duì)結(jié)果的精確度要求很高，這些變量的其它值要比平均值用的更多，如標(biāo)準(zhǔn)偏差。在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算中，使用安全系數(shù)消除了一系列變化的因素。在可靠性設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)參數(shù)的概率分布可以計(jì)算出來(lái)，概率分布的結(jié)果顯示了設(shè)計(jì)的可靠性。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)顧客的要求使用可靠值，從而以最小的成本換取最高的安全和質(zhì)量。 設(shè)計(jì)參數(shù)或獨(dú)立隨機(jī)變量的分布代表一種類型，最常

12、用的分布類型是正常分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、均勻分布、指數(shù)分布、分布、分布。這些隨機(jī)變量的分布類型如表2所示。3.3 Monte Carlo模擬 圖6為Monte Carlo方法流程圖，根據(jù)參數(shù)發(fā)生的概率來(lái)確定它們?cè)诿總€(gè)循環(huán)的值。在Monte Carlo方法中，產(chǎn)生了均勻分布的隨機(jī)數(shù)，即用這些參數(shù)的累計(jì)分布將它們的值轉(zhuǎn)化成數(shù)字，這一過(guò)程是參考參數(shù)的概率密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。為了獲得一項(xiàng)近似的分布類型，需要大量的試驗(yàn)。3.4 可靠性設(shè)計(jì)結(jié)果 用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)可以得到應(yīng)力可靠性圖表，像在表中看到的那樣，應(yīng)力值隨著可靠性的增加而增加，50%的可靠性對(duì)應(yīng)螺旋彈簧加載的應(yīng)力值約為43MPa，即要使可靠性達(dá)到50%，

13、應(yīng)力值必須低于43MPa。而99%的可靠性分別對(duì)應(yīng)螺旋彈簧和氣墊彈簧加載的應(yīng)力值為80MPa和100Mpa。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)是用來(lái)抵御螺旋彈簧加載的80MPa應(yīng)力，它會(huì)因具備99%的可靠性而表現(xiàn)得很耐用，如圖7。圖7.兩種加載狀態(tài)應(yīng)力可靠性曲線 可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的使用使安全系數(shù)變得更有效，正如圖中，1.8的安全系數(shù)足以獲得99%的可靠性。一般情況下，2.5-3的安全系數(shù)才能用于模具設(shè)計(jì)，如果使用了可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，1.8的安全系數(shù)也就足夠了，如圖8。這就減少了約30-40%的成本從而增加了利潤(rùn)。對(duì)于氣墊彈簧加載條件，安全系數(shù)約為1.5就可以了，而且可以獲得更高的利潤(rùn)。圖8.兩種加載狀態(tài)安全系數(shù)可靠性曲

14、線 敏感的隨機(jī)變量對(duì)應(yīng)力和撓度的影響也顯示在圖9中，由圖可知，C2是對(duì)應(yīng)力起最顯著作用的變量，A，壓力，B，D，E和C3是另外一些重要的變量。C2，E，C3是對(duì)應(yīng)力起負(fù)作用的變量，即它們的值越高，應(yīng)力就越小。楊氏模量和密度像預(yù)期的那樣對(duì)應(yīng)力幾乎不起作用，T和C1也是如此。 C2是對(duì)撓度影響最大的一個(gè)變量。D,A,壓力，楊氏模量和B對(duì)撓度也有影響。C2和楊氏模量對(duì)撓度起負(fù)作用，而C1，C3，E，T和密度對(duì)撓度不起作用。圖9.對(duì)應(yīng)力敏感的隨機(jī)變量 隨機(jī)變量的矩陣相關(guān)系數(shù)如表3所示，括號(hào)內(nèi)的值是不重要的變量，C2的值是負(fù)的，這是因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)力和撓度都是起負(fù)作用，如圖10。圖10.對(duì)位移敏感的隨機(jī)變量3

15、.5 模具疲勞 循環(huán)載荷作用下，材料強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間增加而降低，在應(yīng)力低于極限應(yīng)力處會(huì)出現(xiàn)斷裂，這些都是由疲勞引起的，因此在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中要進(jìn)行疲勞計(jì)算。一套模具在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中要使用數(shù)十萬(wàn)次，設(shè)計(jì)不好的話就會(huì)因疲勞而不能再使用。在板料生產(chǎn)過(guò)程中，皺紋的產(chǎn)生與很多的參數(shù)有關(guān)，如壓應(yīng)力、壓邊力和時(shí)間選擇等等。皺紋會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，如圖11。裂紋又隨著循環(huán)負(fù)荷而傳播，最終導(dǎo)致模具失效，這就是為什么在設(shè)計(jì)板料成形模具時(shí)，一定要得到可靠的、長(zhǎng)久的疲勞壽命。圖11.板料成形中的模具失效 同樣在模具中，最大應(yīng)力一般也發(fā)生在連接模具與框架的金屬棒處，設(shè)計(jì)較好的金屬棒能夠抵抗循環(huán)負(fù)荷和疲勞。以最小的

16、成本獲得最大的抵抗力是最終的目的，可靠性設(shè)計(jì)在這里就起了重要的作用。 這次研究中，模具的疲勞壽命是基于有限元分析方法利用ANSYS軟件預(yù)測(cè)出來(lái)的，而計(jì)算是則是基于Goodman、Soderberg和Gerber理論，這在表4中有說(shuō)明。 表4中，N表示負(fù)載周期中疲勞壽命安全系數(shù)，Se和Su分別表示材料的疲勞極限和抗拉強(qiáng)度極限。平均應(yīng)力m和交變應(yīng)力a可通過(guò)下面的公式得到：有限元分析里的Von Misses應(yīng)力在疲勞壽命計(jì)算中得到了應(yīng)用。所有的疲勞分析是按照無(wú)限壽命標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的（即N=周期），如圖12。3.6 疲勞可靠性分析 根據(jù)疲勞理論解釋，安全系數(shù)對(duì)無(wú)限循環(huán)加載是非常必要的。如果疲勞安全系數(shù)是通過(guò)

17、Goodman、Soderberg和Gerber計(jì)算出來(lái)的，它們的值分別是5.65、5.23、5.72，即如果安全系數(shù)是5.23，它將可以無(wú)限次的使用。然而考慮到系統(tǒng)的可靠性，更有效的疲勞安全系數(shù)將獲益更多。從以上可以看出，最大應(yīng)力處計(jì)算出來(lái)的C2、A和壓力是最重要的隨機(jī)變量，用這三個(gè)變量可以將疲勞可靠性計(jì)算出來(lái)。如圖13所示，安全系數(shù)從5減小到3.2，這就意味著節(jié)約了36%的材料和勞動(dòng)力。4.結(jié)論l 使用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)能使具有相同的最大應(yīng)力時(shí)，體積減小到原來(lái)的43%。l 氣墊彈簧加載比螺旋彈簧加載對(duì)系統(tǒng)多提供25-40%的壓力。l 最大應(yīng)力出現(xiàn)在金屬棒的底部，而最大撓度則出現(xiàn)在重心處。l 可靠

18、性設(shè)計(jì)技術(shù)表明，安全系數(shù)為1.8時(shí)可以獲得99可靠性（不包括疲勞計(jì)算），而安全系數(shù)為1時(shí)可靠性約為50。l 應(yīng)力受C2、A和壓力值的影響最大，而不受楊氏模量和密度的影響。l 位移受C2、D、A、壓力和楊氏模量的影響最大，而不受密度的影響，楊氏模量對(duì)位移有影響而對(duì)應(yīng)力無(wú)影響。l 疲勞計(jì)算要求的安全系數(shù)在5.2-5.7之間，然而通過(guò)使用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)使得安全系數(shù)在3.2-3.5之間就已經(jīng)足夠了，這是上面提到的1.8安全系數(shù)值的兩倍，安全系數(shù)為1時(shí)循環(huán)負(fù)載將不能加載。l 可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和循環(huán)負(fù)載條件提供了預(yù)測(cè)更高效的安全系數(shù)的方法，這些系數(shù)意味著設(shè)計(jì)將會(huì)更加輕便和便宜。鳴謝 這項(xiàng)研究已經(jīng)

19、由FORD OTOSAN TURKEY Tool and Die and Prototype Manufacturing Department做了出來(lái)。在此作者要感謝Ferit Firat，是他為設(shè)計(jì)過(guò)程提供了需要的數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)1 Gustavsson A, Larsson M, Melander A. Fatigue life of pressed steel sheet components. Int J Fatigue 1997;19(89):6139.2 Sheikh AK, Arif AFM, Qamar SZ. A probabilistic study of failures

20、of solid and hollow dies in hot aluminum extrusion. J Mater ProcessTechnol 2004;155156:17408.3 Chryssanthopoulos MK, Righiniotis TD. Fatigue reliability of welded steel structures. J Construct Steel Res 2006;62:1199209.4 Oreste P. A probabilistic design approach for tunnel supports. Comput Geotech 2005;32:52034.5 Kleiber M, Rojek