模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模1（SGM

L-CAR

5481227-OP40）結(jié)構(gòu)優(yōu)化及修改情況說(shuō)明湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室── 2009年9月14日──湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室匯報(bào)提綱2

模具基本情況模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法強(qiáng)度分析和優(yōu)化的工程驗(yàn)證方案比較及分析優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3名稱發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板整形模（SGM

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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(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法強(qiáng)度分析所考慮的模具主要受力沖壓正壓力：800T；沖壓時(shí)的側(cè)向壓力（模具型面上傾斜區(qū)域傳遞的側(cè)向力，隨模具型面的不同而不同）；沖壓時(shí)由非均勻分布承載導(dǎo)致的多種局部受力工況；調(diào)整或沖壓時(shí)由于裝配誤差導(dǎo)致的導(dǎo)板上過(guò)大的側(cè)向力；模具起吊時(shí)的重力和沖擊力、運(yùn)輸時(shí)的沖擊力；模具多層堆放時(shí)的受力；4湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法模具強(qiáng)度分析及優(yōu)化原則本分析只對(duì)HT300部分的模具母體材料進(jìn)行，而其上的刀塊和標(biāo)準(zhǔn)件均按照剛體來(lái)計(jì)算，因此整形刀塊結(jié)構(gòu)及尺寸未進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)；分析時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度許用值為300MPa，抗壓強(qiáng)度取為900MPa；模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性三個(gè)方面；由于穩(wěn)定性分析到目前為止仍是一個(gè)世界性難題，本研究考慮上述模具多種受力狀態(tài)的復(fù)雜性，取強(qiáng)度的安全系數(shù)均不小于3.即最大拉應(yīng)力不大于100MPa，最大壓應(yīng)力不大于300MPa。工作時(shí)的關(guān)鍵部位最大變形量不超過(guò)允許的變形0.5

mm,其他部位最大變形量不超過(guò)允許的變形

0.2mm

。5湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yīng)力圖上模變形量云圖最大拉應(yīng)力（Mpa）最大壓應(yīng)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(shí)，根據(jù)分析來(lái)看，上模主要承力部位（整形區(qū)以內(nèi)）的最大拉應(yīng)力為53.1Mpa，最大壓應(yīng)力為133.2Mpa；周邊部分端頭區(qū)域最大拉應(yīng)力為25.6Mpa，最大壓應(yīng)力為39.6Mpa

，加強(qiáng)筋部分最大拉應(yīng)力為77.7Mpa，最大壓應(yīng)力為171.3Mpa，模具拉應(yīng)力安全系數(shù)為4，模具壓應(yīng)力安全系數(shù)為5，有較大的減重空間。上模應(yīng)力圖6上模變形量云圖湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析下模應(yīng)力圖下模變形量云圖模具在工作狀態(tài)時(shí)，根據(jù)分析來(lái)看，下模主要承力部位（整形區(qū)以內(nèi)）的最大拉應(yīng)力為

10Mpa，最大壓應(yīng)力為118.5Mpa；周邊部分端頭區(qū)域最大拉應(yīng)力為50.7Mpa，最大壓應(yīng)力為37.8Mpa,加強(qiáng)筋部分最大拉應(yīng)力為48.4Mpa，最大壓應(yīng)力為101.8Mpa，模具拉應(yīng)力安全系數(shù)為6，模具壓應(yīng)力安全系數(shù)為7，有較大的減重空間。下模應(yīng)力圖7下模變形量云圖湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析2.起吊運(yùn)輸：自重、1g加速度、2g加速度（分別對(duì)應(yīng)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(yīng)力圖8下模應(yīng)力圖下模變形圖下模變形圖模具自重狀況下在運(yùn)輸、起吊時(shí)的吊耳上的最大拉應(yīng)力為

7.67MPa，周邊部分端頭區(qū)域最大應(yīng)力為：4.15Mpa,加強(qiáng)筋部分應(yīng)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(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.模具堆放時(shí)的受力及強(qiáng)度分析：（50T）9二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法模具受力情況分析下模應(yīng)力圖下模變形量圖多層模具疊放情況，最大拉應(yīng)力31.88Mpa，最大壓應(yīng)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(qiáng)度要求。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yīng)力下模變形量圖上模端頭最大拉應(yīng)力上模變形量圖4.端頭分析：分析導(dǎo)板受較大的側(cè)向力時(shí)，端頭部分的強(qiáng)度。最大拉應(yīng)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(gè)導(dǎo)板上加載

10噸載荷，Y方向一側(cè)導(dǎo)板上加載20噸載荷。加載模具端頭在承受較大側(cè)向力時(shí)，主要傳力區(qū)應(yīng)力最大為：135.3Mpa，變形量：0.181mm，但變形區(qū)域位于非關(guān)鍵部位，不影響模具的整體精度，可以適當(dāng)減重。10湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、模具母體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化方法優(yōu)化方法——拓?fù)鋬?yōu)化依據(jù)受力區(qū)域和邊界輪廓建立模型目標(biāo)：根據(jù)模具工作狀態(tài)的受力，對(duì)主要受力區(qū)的支撐部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，然后依據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行加強(qiáng)筋的改進(jìn)設(shè)計(jì)。11湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、強(qiáng)度分析和優(yōu)化的工程驗(yàn)證驗(yàn)證流程選擇驗(yàn)證模具模型仿真計(jì)算實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輪罩整形翻邊模有限元分析現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試12湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、強(qiáng)度分析和優(yōu)化的工程驗(yàn)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(duì)稱；整形力接近；尺寸參數(shù)：1700×1400×650mm；整形力：

600T；return13湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、強(qiáng)度分析和優(yōu)化的工程驗(yàn)證仿真計(jì)算return14上模應(yīng)力圖下模應(yīng)力圖最大拉應(yīng)力（Mpa）最大壓應(yīng)力（Mpa）上模122.8560.3下模51.2183湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、強(qiáng)度分析和優(yōu)化的工程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)量——對(duì)55個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量47個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)試值與仿真計(jì)算一致，可以用于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)；誤差來(lái)源主要是模具實(shí)際整形沖壓狀態(tài)與仿真計(jì)算的理想狀態(tài)存在差異；8個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值偏差較大，已經(jīng)將其排除，原因?yàn)閮蓚€(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)線在測(cè)試過(guò)程中壓斷，另外6個(gè)點(diǎn)測(cè)試過(guò)程中應(yīng)變片接線端與模具接觸，產(chǎn)生干擾信號(hào)。從整體來(lái)看測(cè)試的應(yīng)力分布規(guī)律與仿真計(jì)算應(yīng)力分布規(guī)律一致，從而可以

判斷仿真計(jì)算方法是有效的。15湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、方案比較及分析改進(jìn)方案一：在原有設(shè)計(jì)布局的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)通過(guò)進(jìn)一步增加減輕孔數(shù)量和增大尺寸達(dá)到輕量化的目的285×85235×160285×12016湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、方案比較及分析改進(jìn)方案一的強(qiáng)度和剛度分析上模應(yīng)力圖17下模應(yīng)力圖下模Z向變形量（剛度）最大拉應(yīng)力（Mpa）最大壓應(yīng)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(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yīng)力圖18下模壓應(yīng)力圖下模Z向變形圖下模Y向變形圖湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、方案比較及分析說(shuō)明：肋板重新布局，端頭部分、整形刀塊部分和標(biāo)準(zhǔn)件均保持原貌，對(duì)主要三大件的加強(qiáng)筋板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。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(qiáng)度分析結(jié)果，在受力較小的部位增加了和加大減輕孔。改進(jìn)方案二：加強(qiáng)筋板結(jié)構(gòu)布局調(diào)整１.

下模座（整體改進(jìn)圖）：根據(jù)形狀擴(kuò)大減輕孔19湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、方案比較及分析改進(jìn)方案二：加強(qiáng)筋板結(jié)構(gòu)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(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室考慮到氮?dú)鈴椈珊?/p>

到底塊的受力情況，上模座加強(qiáng)肋板的結(jié)構(gòu)布置未修改。但增加了加強(qiáng)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上對(duì)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(jìn)方案二：加強(qiáng)筋板結(jié)構(gòu)布局調(diào)整2.

上模座：增加減輕孔湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、方案比較及分析更改到底墊塊的位置（此處氮?dú)鈴椈梢讶∠├吆裼?0更改為25改進(jìn)方案二：加強(qiáng)筋板結(jié)構(gòu)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?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的方案布置，并考慮了與氮?dú)鈴椈珊偷降讐K的受力關(guān)系，位置重新設(shè)計(jì)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(jié)果，在考慮鑄造工藝性，厚度減至30ｍｍ．湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、方案比較及分析改進(jìn)后的強(qiáng)度和剛度分析上模Z向變形量（剛度）下模應(yīng)力圖上模應(yīng)力圖最大拉應(yīng)力（Mpa）最大壓應(yīng)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(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室加速度σ拉maxσ壓maxz向最大變形量自重時(shí)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(yīng)力圖下模壓應(yīng)力圖下模Y向變形圖下模Z向變形圖24湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)100.4203.10.260.1177.30.16411552第二次改進(jìn)39.02119.20.193558.48124.60.196411817.9通過(guò)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(jié)果采用第二套改進(jìn)方案。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果通過(guò)以上分析、優(yōu)化及改進(jìn)，所完成的模具設(shè)計(jì)與原模具相比，具有如下特色：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)，其他如整形刀塊和標(biāo)準(zhǔn)件等均按照保持原樣。模具外觀上的加強(qiáng)筋、