模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室發(fā)動機罩內(nèi)板整形模1（SGM

L-CAR

5481227-OP40）結構優(yōu)化及修改情況說明湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室── 2009年9月14日──湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室匯報提綱2

模具基本情況模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法強度分析和優(yōu)化的工程驗證方案比較及分析優(yōu)化改進結果湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室3名稱發(fā)動機罩內(nèi)板整形模（SGM

L-CAR

5481227——OP40）尺寸2190×1900×1450

mm（約束條件）總重量12292

kg其中：上模座：4934.3kg；下模座：4643.8kg；凸模：769.6kg；上壓板：1344.6kg；一、模具基本情況：湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法強度分析所考慮的模具主要受力沖壓正壓力：800T；沖壓時的側向壓力（模具型面上傾斜區(qū)域傳遞的側向力，隨模具型面的不同而不同）；沖壓時由非均勻分布承載導致的多種局部受力工況；調(diào)整或沖壓時由于裝配誤差導致的導板上過大的側向力；模具起吊時的重力和沖擊力、運輸時的沖擊力；模具多層堆放時的受力；4湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法模具強度分析及優(yōu)化原則本分析只對HT300部分的模具母體材料進行，而其上的刀塊和標準件均按照剛體來計算，因此整形刀塊結構及尺寸未進行優(yōu)化和改進設計；分析時材料的抗拉強度許用值為300MPa，抗壓強度取為900MPa；模具結構優(yōu)化主要考慮強度、剛度和穩(wěn)定性三個方面；由于穩(wěn)定性分析到目前為止仍是一個世界性難題，本研究考慮上述模具多種受力狀態(tài)的復雜性，取強度的安全系數(shù)均不小于3.即最大拉應力不大于100MPa，最大壓應力不大于300MPa。工作時的關鍵部位最大變形量不超過允許的變形0.5

mm,其他部位最大變形量不超過允許的變形

0.2mm

。5湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析1.正向沖壓力：800T上模應力圖上模變形量云圖最大拉應力（Mpa）最大壓應力（Mpa）z向最大變形量（mm）上模77.72171.30.177下模50.7145.90.151模具在工作狀態(tài)時，根據(jù)分析來看，上模主要承力部位（整形區(qū)以內(nèi)）的最大拉應力為53.1Mpa，最大壓應力為133.2Mpa；周邊部分端頭區(qū)域最大拉應力為25.6Mpa，最大壓應力為39.6Mpa

，加強筋部分最大拉應力為77.7Mpa，最大壓應力為171.3Mpa，模具拉應力安全系數(shù)為4，模具壓應力安全系數(shù)為5，有較大的減重空間。上模應力圖6上模變形量云圖湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析下模應力圖下模變形量云圖模具在工作狀態(tài)時，根據(jù)分析來看，下模主要承力部位（整形區(qū)以內(nèi)）的最大拉應力為

10Mpa，最大壓應力為118.5Mpa；周邊部分端頭區(qū)域最大拉應力為50.7Mpa，最大壓應力為37.8Mpa,加強筋部分最大拉應力為48.4Mpa，最大壓應力為101.8Mpa，模具拉應力安全系數(shù)為6，模具壓應力安全系數(shù)為7，有較大的減重空間。下模應力圖7下模變形量云圖湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析2.起吊運輸：自重、1g加速度、2g加速度（分別對應于不同工況的沖擊力）加速度σ拉maxσ壓maxz向最大變形量自重7.679.410.0361g15.719.20.0692g22.727.90.1下模應力圖8下模應力圖下模變形圖下模變形圖模具自重狀況下在運輸、起吊時的吊耳上的最大拉應力為

7.67MPa，周邊部分端頭區(qū)域最大應力為：4.15Mpa,加強筋部分應力最大為：2.75Mpa，安全系數(shù)為：39，仍有較大的減重空間。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室3.模具堆放時的受力及強度分析：（50T）9二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析下模應力圖下模變形量圖多層模具疊放情況，最大拉應力31.88Mpa，最大壓應力59.9Mpa（出現(xiàn)在枕木部位），Z向最大變形量0.065mm，安全裕度為5，滿足強度要求。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析下模端頭最大拉應力下模變形量圖上模端頭最大拉應力上模變形量圖4.端頭分析：分析導板受較大的側向力時，端頭部分的強度。最大拉應力（Mpa）最大變形量（mm）上模端頭135.30.181下模端頭63.10.128模具在X方向的兩個導板上加載

10噸載荷，Y方向一側導板上加載20噸載荷。加載模具端頭在承受較大側向力時，主要傳力區(qū)應力最大為：135.3Mpa，變形量：0.181mm，但變形區(qū)域位于非關鍵部位，不影響模具的整體精度，可以適當減重。10湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室二、模具母體結構強度分析及優(yōu)化方法優(yōu)化方法——拓撲優(yōu)化依據(jù)受力區(qū)域和邊界輪廓建立模型目標：根據(jù)模具工作狀態(tài)的受力，對主要受力區(qū)的支撐部分結構進行結構拓撲優(yōu)化，然后依據(jù)優(yōu)化結果進行加強筋的改進設計。11湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室三、強度分析和優(yōu)化的工程驗證驗證流程選擇驗證模具模型仿真計算實驗驗證輪罩整形翻邊模有限元分析現(xiàn)場應力應變測試12湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室三、強度分析和優(yōu)化的工程驗證輪罩整形翻邊模選取原則：基本尺寸與SSDT整形模接近；受力對稱；整形力接近；尺寸參數(shù)：1700×1400×650mm；整形力：

600T；return13湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室三、強度分析和優(yōu)化的工程驗證仿真計算return14上模應力圖下模應力圖最大拉應力（Mpa）最大壓應力（Mpa）上模122.8560.3下模51.2183湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室三、強度分析和優(yōu)化的工程驗證實驗測量——對55個不同位置點進行測量47個點的應力測試值與仿真計算一致，可以用于指導模具設計；誤差來源主要是模具實際整形沖壓狀態(tài)與仿真計算的理想狀態(tài)存在差異；8個點的應力值偏差較大，已經(jīng)將其排除，原因為兩個點數(shù)據(jù)線在測試過程中壓斷，另外6個點測試過程中應變片接線端與模具接觸，產(chǎn)生干擾信號。從整體來看測試的應力分布規(guī)律與仿真計算應力分布規(guī)律一致，從而可以

判斷仿真計算方法是有效的。15湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析改進方案一：在原有設計布局的基礎上進行改進通過進一步增加減輕孔數(shù)量和增大尺寸達到輕量化的目的285×85235×160285×12016湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析改進方案一的強度和剛度分析上模應力圖17下模應力圖下模Z向變形量（剛度）最大拉應力（Mpa）最大壓應力（Mpa）z向最大變形量（mm）上模100.4203.10.2下模60.1177.30.164湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析加速度σ拉maxσ壓maxz向最大變形量自重時8.469.650.0361g16.919.30.0722g25.428.90.11起吊分析：自重、1g加速度、2g加速度下模拉應力圖18下模壓應力圖下模Z向變形圖下模Y向變形圖湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析說明：肋板重新布局，端頭部分、整形刀塊部分和標準件均保持原貌，對主要三大件的加強筋板進行重新設計。１）主肋板形狀沿整形刀塊上下主要傳力位置布局，厚度采用30ｍｍ；２）其上減輕孔，按照強度分析結果，在受力較小的部位增加了和加大減輕孔。改進方案二：加強筋板結構布局調(diào)整１.

下模座（整體改進圖）：根據(jù)形狀擴大減輕孔19湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析改進方案二：加強筋板結構布局調(diào)整下模座局部放大圖20減輕孔330×65改至：

280×140增加減輕孔，尺寸為：225×205湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室考慮到氮氣彈簧和

到底塊的受力情況，上模座加強肋板的結構布置未修改。但增加了加強肋板上的減輕孔。另，考慮到SSDT模具普遍存放在室內(nèi)，故在保證模具強度的基礎上對上模座底板上增加減輕孔，以減少模具重量。21四、方案比較及分析改進方案二：加強筋板結構布局調(diào)整2.

上模座：增加減輕孔湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析更改到底墊塊的位置（此處氮氣彈簧已取消）肋厚由30更改為25改進方案二：加強筋板結構布局調(diào)整3、壓料板：壁厚由35更改為30

１）22內(nèi)部肋板布局，按照拓撲優(yōu)化結果的方案布置，并考慮了與氮氣彈簧和到底塊的受力關系，位置重新設計布局，內(nèi)肋厚度采用25ｍｍ；在受力較小的部位增加的減輕孔。２）外輪廓肋板根據(jù)分析結果，在考慮鑄造工藝性，厚度減至30ｍｍ．湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析改進后的強度和剛度分析上模Z向變形量（剛度）下模應力圖上模應力圖最大拉應力（Mpa）最大壓應力（Mpa）z向最大變形量（mm）上模39.02119.20.1935下模58.48124.60.1964下模Z向變形量（剛度）23湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室加速度σ拉maxσ壓maxz向最大變形量自重時5.66.190.0161g11.412.60.0332g16.618.30.048四、方案比較及分析起吊分析下模拉應力圖下模壓應力圖下模Y向變形圖下模Z向變形圖24湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室四、方案比較及分析方案比較及分析25上模下?？傊亓?kg)σ拉maxσ壓maxZMAX變形量σ拉maxσ壓maxZMAX變形量原始模型77．72171.30.17750.7145.90.15112292第一次改進100.4203.10.260.1177.30.16411552第二次改進39.02119.20.193558.48124.60.196411817.9通過分析可以看出，第二套方案受力狀況最好，優(yōu)中稍有不足的地方是其在Z方向的變形量比前面方案稍大，但是能夠滿足工程要求，所以本課題分析結果采用第二套改進方案。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室五、優(yōu)化改進結果通過以上分析、優(yōu)化及改進，所完成的模具設計與原模具相比，具有如下特色：對模具母體結構中的下模座、上模座和壓料板三大鑄鐵材料件進行了改進設計，其他如整形刀塊和標準件等均按照保持原樣。模具外觀上的加強筋、