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高强度钢板料拉深成形工艺稳健设计及模具结构拓扑优化

汤禹成  
【摘要】: 高强度钢是目前汽车轻量化设计中应用最为广泛的板材。与普通钢板相比,高强度钢板具有更高的屈服强度,在车身设计时使用更薄的钢板仍能保证结构刚度,可以大大减轻车身的重量。但是,高强度钢板的应用也给零件的冲压加工带来了挑战:①高强度钢板应用经验积累不足,成形工艺及模具设计时缺乏参考;②成形性差、成形载荷显著增加,给工艺及模具结构设计增加了难度;③回弹量显著增加;④材料性能受钢板制造工艺影响,存在一定程度的波动,给冲压产品质量及模具受力带来很大的不确定性。 针对上述问题,本文在国家863项目(编号:2007AA04Z130)的支持下,从稳健设计及结构优化出发,深入开展了以下研究工作: 1.考虑成形高强度钢板时存在噪声因素引起的冲压质量波动,提出了基于支持向量机和重要度抽样的板料成形工艺稳健设计方法,以寻求能使冲压质量达到最优的成形工艺,并且在该工艺下生产能够满足质量工程要求,成形零件质量波动最小。以镀锌钢板和高强度钢板成形工艺设计实例对该方法进行了验证,与传统的确定性优化结果相比,虽然优化效果有所下降,但发生质量问题的概率大大降低,保证了工艺的稳健性。按照稳健设计工艺冲压成形的零件不仅厚度分布得以改善,零件切边后的回弹量也大大降低,从多方面保证了成形件的质量。 为了保证稳健设计过程中不同工艺条件评估的可靠性,提出了自适应重要度抽样方法,用于量化噪声因素的波动对冲压件破裂、起皱、回弹等质量指标的影响。与一般的蒙特卡洛抽样相比,该方法降低了抽样样本数量,提高了计算效率。与其他概率近似求解方法相比,避免了约束函数非线性程度较高时,概率预测精度不佳的问题。 为了缩短优化迭代时间,保证稳健设计的精度,提出了基于支持向量机的响应面模型。根据工艺设计时优化目标与设计约束的特点,应用不同类型的支持向量机建立冲压工艺与冲压质量间关系的近似模型。该方法解决了其他近似模型构建优化约束响应面时出现的过拟合现象,和近似优化目标时非线性表述能力不足的问题。 2.针对目前高强度钢冲压模具结构设计时缺乏经验等问题,根据模具在实际冲压过程中的载荷分布情况,在保证结构安全可靠的前提下,提出了基于密度法的冲压模具结构的拓扑优化方法。充分利用模具结构分析结果中反映出的改进信息,通过优化迭代的方法求得结构最佳的材料分布,为模具优化设计提供了科学依据。 以高强度钢双曲面盒形件冲压模具的压边圈结构设计为例,验证了该方法的有效性。根据压边圈结构的设计特点,建立了约束压料面位移的结构体积最小化优化模型,结合实例深入探讨了优化模型中力边界条件及位移约束控制参数的选取方法,最终优化获得的结构实现了27%的减重效果。 3.设计了高强度钢阶梯型底面盒形零件的冲压模具,对冲压模具结构的拓扑优化进行了试验验证。首先分析了模具装配误差对成形性能的影响,验证了通过设计导向结构可消除该类误差对成形质量的影响,从而进一步保证成形工艺的稳健性。同时进一步研究了带有导板类模具结构的受力特点,发现导板的设置位置及数量对冲压模具设计有一定影响。由于导板的存在,成形过程中板料作用于凸模的侧向力间接作用于压边圈上,使其在冲压过程中的载荷分布更加复杂。 利用冲压模具结构的拓扑优化方法,对阶梯型试验零件冲压模具压边圈进行了结构优化设计。优化中,不仅考虑了压边圈受到的正向压力作用,而且考虑了成形中压边圈导板所受侧向力的影响。通过与原压边圈的对比试验表明:1)新设计的压边圈较原先的结构重量减少了28%,但优化后结构应力没有大幅上升,而且更合理的材料分布实现了结构薄弱位置的加强,保证了模具结构的可靠性;2)通过合理位移约束设计确保即使模具结构改变,对零件成形性能影响微乎其微。对比优化前后压边圈冲压成形获得的零件的截面厚度,最大偏差0.06mm,为板料初始厚度的3.6%。 基于试验模具结构优化的实际效果,最后对某大型冲压模具的压边圈结构进行了拓扑优化设计。将优化后的结构与按传统标准设计的结构进行性能对比,结果表明:按相同材料使用量优化设计的结构性能要明显优于原结构,结构受力后最大位移量减小45.4%;按相同性能要求优化设计的结构较原结构减重了50%。 研究表明,本文提出的冲压成形工艺稳健设计与模具结构拓扑优化方法,对高强度钢板冲压成形工艺稳健设计与模具的轻量化设计具有重要的理论指导意义与实际应用价值。


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