40拓扑优化在高强度钢冲压模具结构设计中的应用--陈军.doc

拓扑优化在高强度钢冲压模具结构设计中的应用 陈军，汤禹成，张贵宝，陈亮 上海交通大学国家模具CAD工程研究中心 拓扑优化在高强度钢冲压模具结构设计中的应用 Research on Topology Optimization of Advanced High-Strength Steel Stamping Die Structure Design 陈军 汤禹成 张贵宝 陈亮 (上海交通大学国家模具CAD工程研究中心) 摘 要: 高强钢在汽车冲压件生产中的应用为冲压模具的设计带来了许多挑战。为寻找最合理的模具结构，本文首先将成形过程中所获载荷映射到结构分析有限元模型中，在此基础上，将拓扑优化技术应用于冲压模具结构的优化设计，并以盒形件拉深凹模及压边圈部分为例，采用Optistruct计算获得一定位移约束下减重最大的模具拓扑结构。 关键词: 高强钢 载荷映射 模具结构 拓扑优化Abstract: Application of advanced high-strength steel in automobile industry has brought increasing challenge for stamping die structure design. In order to find an optimized die structure, load mapping tool was developed first to map the load obtained from forming analysis to structure analysis model. On the basis of that, topology optimization model was constructed further for die structure optimization design. Finally, die and binder part of the cup-drawing case was taken as the example. By adopting Optistruct, optimized die structure was obtained with largest weight reduction under static displacement constraint. Key words: advanced-high strength steel，load mapping，die structure， topology optimization 1 概述 随着人们对于汽车安全性能及燃料经济性的迫切需求，越来越多的汽车开始采用低密度、高比强度、高比刚度材料制造车身结构件。高强钢板是目前最为广泛应用的材料之一。高强钢比中强钢有更高的屈服强度，失效强度，在汽车车身的应用可以提升部件的冲击能量吸收能力及塑性变形抗击能力[1]。但是高强钢在板料冲压成形中的应用为冲压模具的设计带来很多问题。以往在普通低碳钢冲压生产中被加工材料较软，成形过程中模具的受力不是很恶劣。但高强钢的应用使得成形力大大上升，模具载荷是普通钢冲压时的2－3倍[2]，这对模具的强度的要求及结构的合理设计提出了更高的要求。由于目前尚缺乏定量工具评估模具结构的好坏，模具设计通常通过设定一定的安全系数以保证模具的刚性。但这样的设计方式在应用到涉及高强钢冲压时往往会因为缺乏相应的参考标准，而把安全系数放大保证模具足够的刚性，这直接造成模具整体质量加重，使得模具制造使用的成本都间接上升。同时目前模具设计对设计人员的经验较高，设计时通常会参照一些统一标准及相似零件，这就有可能忽略了不同零件之间在实际生产中受力不同对模具结构需求的差异性。因此对冲压模具进行定量的分析评估，并结合拓扑优化技术指导冲压模具结构最优化设计显得尤为重要。本文首先将成形分析所获载荷映射到结构分析有限元模型。在此基础之上，借助Optistruct[3]求解了模具结构的拓扑优化问题，获得一定条件下最优的模具结构。 2 冲压模具结构优化设计流程 求解最优的模具结构，首先必须获得模具在成形过程中的受力状态。目前成形分析与结构分析往往采用不同的计算网格，这造成形过程所获得计算信息无法直接应用于结构分析模型，因此本文首先建立映射算法将成形分析计算所获的模具载荷导入有限元结构分析模型。模具结构优化设计具体流程如图1所示。 图1冲压模具结构拓扑优化流程 3实例分析 3.1 成形性分析 本文以阶梯形盒形件拉深为例，对拓扑优化在模具设计中的应用进行了探索。成形分析有限元模型如图2所示，模拟参数如下：板料厚度为1.4mm，材料为高强度双相钢DP600，流动应力模型为：，压边力为5吨，材料的力学性能