高強度鋼板料拉深成形工藝穩(wěn)健設(shè)計及模具結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化.pdf

1、高強度鋼是目前汽車輕量化設(shè)計中應用最為廣泛的板材。與普通鋼板相比，高強度鋼板具有更高的屈服強度，在車身設(shè)計時使用更薄的鋼板仍能保證結(jié)構(gòu)剛度，可以大大減輕車身的重量。但是，高強度鋼板的應用也給零件的沖壓加工帶來了挑戰(zhàn)：①高強度鋼板應用經(jīng)驗積累不足，成形工藝及模具設(shè)計時缺乏參考；②成形性差、成形載荷顯著增加，給工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計增加了難度：③回彈量顯著增加；④材料性能受鋼板制造工藝影響，存在一定程度的波動，給沖壓產(chǎn)品質(zhì)量及模具受力帶來很大的

2、不確定性。
　　 針對上述問題，本文在國家863項目(編號：2007AA042130)的支持下，從穩(wěn)健設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā)，深入開展了以下研究工作：
　　 1.考慮成形高強度鋼板時存在噪聲因素引起的沖壓質(zhì)量波動，提出了基于支持向量機和重要度抽樣的板料成形工藝穩(wěn)健設(shè)計方法，以尋求能使沖壓質(zhì)量達到最優(yōu)的成形工藝，并且在該工藝下生產(chǎn)能夠滿足質(zhì)量工程要求，成形零件質(zhì)量波動最小。以鍍鋅鋼板和高強度鋼板成形工藝設(shè)計實例對該方法進行了驗

3、證，與傳統(tǒng)的確定性優(yōu)化結(jié)果相比，雖然優(yōu)化效果有所下降，但發(fā)生質(zhì)量問題的概率大大降低，保證了工藝的穩(wěn)健性。按照穩(wěn)健設(shè)計工藝沖壓成形的零件不僅厚度分布得以改善，零件切邊后的回彈量也大大降低，從多方面保證了成形件的質(zhì)量。
　　 為了保證穩(wěn)健設(shè)計過程中不同工藝條件評估的可靠性，提出了自適應重要度抽樣方法，用于量化噪聲因素的波動對沖壓件破裂、起皺、回彈等質(zhì)量指標的影響。與一般的蒙特卡洛抽樣相比，該方法降低了抽樣樣本數(shù)量，提高了計算效率。與

4、其他概率近似求解方法相比，避免了約束函數(shù)非線性程度較高時，概率預測精度不佳的問題。
　　 為了縮短優(yōu)化迭代時間，保證穩(wěn)健設(shè)計的精度，提出了基于支持向量機的響應面模型。根據(jù)工藝設(shè)計時優(yōu)化目標與設(shè)計約束的特點，應用不同類型的支持向量機建立沖壓工藝與沖壓質(zhì)量間關(guān)系的近似模型。該方法解決了其他近似模型構(gòu)建優(yōu)化約束響應面時出現(xiàn)的過擬合現(xiàn)象，和近似優(yōu)化目標時非線性表述能力不足的問題。
　　 2.針對目前高強度鋼沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時缺乏

5、經(jīng)驗等問題，根據(jù)模具在實際沖壓過程中的載荷分布情況，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，提出了基于密度法的沖壓模具結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化方法。充分利用模具結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中反映出的改進信息，通過優(yōu)化迭代的方法求得結(jié)構(gòu)最佳的材料分布，為模具優(yōu)化設(shè)計提供了科學依據(jù)。
　　 以高強度鋼雙曲面盒形件沖壓模具的壓邊圈結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，驗證了該方法的有效性。根據(jù)壓邊圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，建立了約束壓料面位移的結(jié)構(gòu)體積最小化優(yōu)化模型，結(jié)合實例深入探討了優(yōu)化模型中力邊界條

6、件及位移約束控制參數(shù)的選取方法，最終優(yōu)化獲得的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了27％的減重效果。
　　 3.設(shè)計了高強度鋼階梯型底面盒形零件的沖壓模具，對沖壓模具結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化進行了試驗驗證。首先分析了模具裝配誤差對成形性能的影響，驗證了通過設(shè)計導向結(jié)構(gòu)可消除該類誤差對成形質(zhì)量的影響，從而進一步保證成形工藝的穩(wěn)健性。同時進一步研究了帶有導板類模具結(jié)構(gòu)的受力特點，發(fā)現(xiàn)導板的設(shè)置位置及數(shù)量對沖壓模具設(shè)計有一定影響。由于導板的存在，成形過程中板料作用于凸模

7、的側(cè)向力間接作用于壓邊圈上，使其在沖壓過程中的載荷分布更加復雜。
　　 利用沖壓模具結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化方法，對階梯型試驗零件沖壓模具壓邊圈進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化中，不僅考慮了壓邊圈受到的正向壓力作用，而且考慮了成形中壓邊圈導板所受側(cè)向力的影響。通過與原壓邊圈的對比試驗表明：1）新設(shè)計的壓邊圈較原先的結(jié)構(gòu)重量減少了28％，但優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應力沒有大幅上升，而且更合理的材料分布實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)薄弱位置的加強，保證了模具結(jié)構(gòu)的可靠性；2）通過合理

8、位移約束設(shè)計確保即使模具結(jié)構(gòu)改變，對零件成形性能影響微乎其微。對比優(yōu)化前后壓邊圈沖壓成形獲得的零件的截面厚度，最大偏差0.06mm，為板料初始厚度的3.6％。
　　 基于試驗模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實際效果，最后對某大型沖壓模具的壓邊圈結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與按傳統(tǒng)標準設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行性能對比，結(jié)果表明：按相同材料使用量優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)性能要明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力后最大位移量減小45.4％；按相同性能要求優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)較原結(jié)