试论汽车覆盖件冲压模具的结构优化

试论汽车覆盖件冲压模具的结构优化

摘要：随着经济的发展，我国的汽车行业也在迅速得发展。在汽车制造中，冲压模具是生产汽车覆盖的主要设备，其设计成本和质量严重影响着汽车的生产制造。汽车覆盖件冲压模具的主要材料是钢铁，现如今，随着钢铁和生产模具所需能源的成本越来越高，冲压模具的成本也随之增高，如何控制冲压模具的成本显得尤为重要。本文主要通过对现有冲压模具的结构分析方法，从覆盖件冲压模具着手，找到了一种基于板料成形模拟的冲压模具的结构优化和分析方法，并对该方法进行分析验证。

关键词：覆盖件 结构优化 冲压模具 1.前言

进入21世纪之后，中国的汽车制造业繁荣发展，有关数据显示，在我国的宏观调控的政策下，中国的汽车数量必定继续保持增加的趋势。在汽车生产这个竞争激烈的行业，主要体现在新车型的开发能力与汽车制造能力上。要想在汽车市场占有一席之地，必须在很短的时间内开发并制造出质量优秀的汽车，并能够适应大多数客户的需求，同时能把生产成本控制在一个较低的水平。一般汽车的更新换代大多是车身的更换，这就要求对汽车的覆盖件模具进行设计和制造。在整个汽车生产的周期里，覆盖件模具的设计与制造占整个生产周期的百分之七十左右，并且在汽车生产成本中，覆盖件模具的设计与制造成本约占总成本的百分之七十以上。因此，对覆盖件模具结构的优化研究对汽车生产制造与更新具有一定的研究意义和经济价值。

2.模具结构优化

当前，一般的模具厂所生产的拉延模具，该模具的内部的承载结构均是“栅格式”的结构。在传统的模具的结构设计中，一般都遵循现有的准则、规则和经验，缺少对模具受力和变形的关注，而且对高强度钢板冲压成形之类的新技术并不是很了解。现如今钢铁的价格飞涨，为了减少成本，所以急需对传统模具的结构进行优化，寻找出一种新的模具结构。

模具结构的改善主要用到结构优化技术，该技术是CAE技术中的一个非常重要的组成部分，现在已经被广泛应用到产品的设计方面，该技术在不断地改变着传统产品的设计与制造模式，帮助越来越多的工程师设计出了新颖、可靠的产品。

通过冲压成形的模拟输出了覆盖件模具在冲压的过程中对模具的作用力和切向接触力。利用计算机自动实现将不同方向不同大小的力加载到有限元模型上。在冲压过程中，模具的受力是动态的，大小和方向都在随着时间的变化而改变。理论上，可以通过设置较大的冲压输出步数，来得到模具在不同点上不同时间的负荷。随后将每个点在这些时间点上的数据连接成曲线，这就是该节点在冲压过程中的何在曲线。影响目标函数和相应的约束条件的是多种内部响应：模具

结构的质量和体积、惯性矩、质量分数和体积分数、结构柔度、Von Mises应力、频率、位移、频率响应速度、屈曲因子等。这些响应都可以作为影响模具结构设计的目标函数和约束函数。

3.模具结构分析

在覆盖件模具的冲压过程中，应该时刻关注模具的受力和变形，这是在使用新技术、新材料下应该关注的重点。在实际的板料成形的过程中，冲头的速度一般保持在0.1-1m/s，该问题属于准静态的连续介质力学问题。所以，可以将这个冲压过程分为n部处理，当提取第n步的最后时刻的荷载，并分别当作一个工程状况加载到模具的结构上进行结构分析，接着讲所分析的结果连接起来就能够获得整个冲压过程中的模具的受力和变形情况。该过程主要分为以下几个部分：第一，模具的几何信息的提取，其中包括模具的型面和模具的三维实体数据；第二冲压模拟与有限元分析的预处理，主要是划分网格，利用常用的前处理软件HyperMesh进行处理，将划分好的模面网格传送给冲压模拟程序PAM STAMP，与此同时，在面网格的基础上再划分体网格，一遍以后结构分析使用；第三，冲压过程的模拟，主要是通过模拟得到的冲压过程中的各个关键时刻板料对模具的作用力，再导出设定的时刻的节点力的数据文件，利用PAM STAMP 2G来完成；第四，接力点荷载的施加；第五，有限元的求解和分析，对于每一个时刻施加了节点力荷载的模型来急需设置，再加上中立以及约束必要的节点位移，这样可以对每一个时刻的模型分别求解。

覆盖件冲压模具的优化设计结果的验证过和冲压过程中模具变形受力的分析都需要进行结构分析。对于冲压过程中模具的受力和变形的情况，利用冲压过程中模具的机构分析方法，这样可以得到冲压过程中的模具受力和变形规律。并说明在拉延开始阶段，首先和板料接触的部位的节点位移和Von Mises应力较大，而随着拉延的继续，模面的外圆角的部位以及交汇处的节点位移与等效应里都在显著增加，一直保持到拉延结束。

4.总结

每一个新的车型都需要耗费上亿元的资产，但随着钢材和能源价格的急剧上涨，减少覆盖件模具的制造价格对减少汽车制造的成本有重要的意义。另一方面由于传统的模具结构式老舅的栅格式的机构，但随着当代高强度钢板等新型材料的出现、伺服压力机等新的冲压设备的应用，这些都对传统的覆盖件模具发起了新的挑战。因此，在覆盖件冲压模具的制造中，应当先利用冲压模拟软件来得到冲压过程中板料对模具施加的作用力，然后再将得到的作用力施加到模具的有限元模型上进行有效的机构优化和分析。在冲压模拟中把模具看作是刚性物体，再在结构优化和分子中吧模具看做是弹性物体，来避免这两个过程中的耦合求解，利用此方法非常符合当前的软硬件水平，可以有效地对覆盖件冲压模具的结构进行优化处理。

参考文献：

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