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考虑模具弹性变形的先进高强钢冲压回弹控制与结构拓扑优化

作　者: 于磊
导　师: 陈军
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料工程
关键词: 板料成形先进高强钢模具弹性变形回弹拓扑优化
分类号: TG386
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着汽车工业的高速发展,汽车安全和排放等问题日益突出。因此,生产低油耗、低排放的汽车,实现节能减排是汽车工业发展的必然选择。先进高强度汽车用钢因具有较高的强度和延伸率,能满足车体轻量化和碰撞安全性、节能减排的要求,已被广泛应用于汽车车身结构和安全加强件等重要零部件中。然而先进高强钢板的高屈服极限使得成形载荷倍增、模具受力工况加剧恶劣,由此产生的模具弹性变形对先进高强钢板成形的影响不容忽视。传统的冲压模具设计准则仅依靠增大模具厚度和体积、选择高硬度的模具材料抑制先进高强钢冲压问题,但增加了模具制造成本及生产能耗。针对以上不足,论文在国家科技重大专项课题(2010ZX04014-072)和国家自然科学基金项目(51075269)的支持下,考虑模具弹性变形,对先进高强钢DP780冲压成形工艺以及模具结构分别开展优化研究。论文的研究对于实现模具减重、改善冲压件的成形质量具有一定的工程应用价值。所取得的主要研究成果如下:利用冲压模具压边圈弹性变形的关键位置,研究了不同拉深筋参数下压边圈在板料成形数值模拟过程中的弹性变形分布、变化,分析了压边圈弹性变形对压边力分布及冲压回弹的影响,总结了拉深筋参数与压边圈弹性变形、压边力及冲压回弹的规律,揭示了压边圈弹性变形与冲压回弹之间的关系。利用Altair Hypermesh有限元分析软件建立有限元模型,在考虑模具弹性变形的基础上,利用LS-DYNA软件分析了拉深筋、压边力等冲压工艺参数对DP780冲压回弹的影响变化,提出了基于拉深筋、压边力等新冲压工艺优化方案。以Kriging算法建立近似模型,通过自适应模拟退火寻优算法搜索最优解。实验结果表明,拉深筋可以在一定程度上控制回弹。优化后板料Z向最大回弹值由2.217mm降低至1.933mm,降低了13%。根据压边圈在冲压成形过程中的受力变化,采用关键载荷步的节点载荷进行结构分析,取板料冲压成形数值模拟过程中的压边力峰值及稳定值作为结构分析的载荷步,在保证结构分析结果全局性的同时,提高了结构分析的效率。设置压边圈为弹性体进行板料成形数值模拟,获取压边圈与板料、顶杆的接触力,基于载荷映射算法思想,将数值模拟成形过程中的接触力加载为结构分析的力边界条件,反映了真实的压边圈受力状态,提高了结构分析的准确性。建立冲压模具压边圈的拓扑优化模型,在控制压边圈弹性变形的基础上,对压边圈进行拓扑优化。优化结果表明,优化后压边圈设计空间体积降低了约65.9%,而压边圈弹性变形增加了约26.2%,板料Z向最大回弹增加了约18.9%。基于拓扑优化的单元密度阈值,调整压边圈结构,建立压边圈拓扑优化结构与冲压回弹的关系,并耦合冲压成形工艺优化与模具结构拓扑优化,实现了板料冲压回弹与压边圈结构的优化。优化结果表明,当拓扑阈值为0.783时,板料冲压回弹控制与模具减重最优,压边圈设计空间重量减轻了约52.2%,板料Z向最大回弹值降低了约4.0%。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-22
  1.1 课题研究背景和意义  12-16
    1.1.1 汽车轻量化带动先进高强钢的广泛应用  12-14
    1.1.2 AHSS 给冲压生产带来的挑战  14-16
  1.2 冲压模具弹性变形分析的研究现状  16-17
  1.3 板料冲压回弹预测与控制的研究现状  17-21
    1.3.1 板料冲压回弹预测的研究现状  17-18
    1.3.2 基于工艺优化的板料冲压回弹控制的研究现状  18-21
  1.4 课题来源  21
  1.5 论文的主要研究内容及创新点  21-22
第二章冲压模具结构分析与拓扑优化的理论基础  22-34
  2.1 基于板料成形数值模拟的结构分析理论基础  22-28
    2.1.1 最小位能原理  23-24
    2.1.2 考虑接触问题的虚功原理  24-27
    2.1.3 结构分析流程  27-28
  2.2 结构拓扑优化方法  28-33
    2.2.1 结构优化的理论基础  28-32
    2.2.2 结构拓扑优化的理论基础  32-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章非等高非等宽AHSS 弯曲类零件回弹控制  34-52
  3.1 非等高非等宽AHSS 弯曲类零件  34-35
  3.2 非等高非等宽AHSS 冲压件成形数值仿真分析  35-40
    3.2.1 模拟设置  35-37
    3.2.2 模拟分析  37-40
  3.3 拉深筋概述  40-42
    3.3.1 拉深筋原理  40-41
    3.3.2 拉深筋形式  41
    3.3.3 拉深筋作用  41-42
  3.4 基于拉深筋和近似模型的回弹控制与优化  42-51
    3.4.1 拉深筋布置与结构形式  42-43
    3.4.2 近似模型构建  43-49
    3.4.3 优化搜索  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章耦合模具弹性变形和结构拓扑优化的回弹控制  52-70
  4.1 考虑压边圈弹性变形的回弹分析  52-57
    4.1.1 压边圈材料模型对回弹的影响  52-53
    4.1.2 压边圈弹性变形分析  53-55
    4.1.3 考虑压边圈弹性变形时拉深筋对回弹的影响  55-56
    4.1.4 考虑压边圈弹性变形时压边力对回弹的影响  56
    4.1.5 考虑压边圈弹性变形时压边圈厚度对回弹的影响  56-57
  4.2 压边圈结构拓扑优化  57-65
    4.2.1 结构拓扑优化软件介绍  57-58
    4.2.2 拓扑优化流程  58
    4.2.3 载荷状态确定  58-60
    4.2.4 载荷映射  60-61
    4.2.5 压边圈拓扑优化设定  61-64
    4.2.6 压边圈拓扑优化结果分析  64-65
  4.3 压边圈结构拓扑优化对回弹的影响  65-69
  4.4 本章小结  69-70
第五章 DP780 钢板冲压回弹实验研究及分析  70-86
  5.1 实验目的  70
  5.2 实验设备及模具  70-73
    5.2.1 实验设备  70-71
    5.2.2 实验模具  71-73
  5.3 回弹实验数据采集  73-76
    5.3.1 回弹实验数据采集设备  73-74
    5.3.2 回弹实验数据采集过程  74-76
  5.4 实验数据分析  76-85
    5.4.1 整体Z 向最大回弹分析  76-80
    5.4.2 Y-截面Z 向最大回弹分析  80-83
    5.4.3 X-截面Z 向回弹分析  83-85
  5.5 本章小结  85-86
第六章总结与展望  86-88
  6.1 总结  86
  6.2 展望  86-88
参考文献  88-94
致谢  94-96
攻读硕士期间已发表或录用论文  96

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