文|于楠说

编辑|于楠说

前言：

冲压模具是影响汽车覆盖件成形质量的关键因素之一。冲压模具处于循环的高载荷冲击之下，容易因应力过大导致模具破损，因此冲压模具的结构强度分析十分重要。

在结构强度分析中，载荷信息传递一般有均布载荷加载和载荷映射两种方式，均布载荷加载是将载荷平均分布在实体模具型面网格上，该方法得到的分析结果不精确。载荷映射是将板料网格节点力映射至实体模具型面网格，实现载荷信息的传递。

研究背景及意义

冲压模具是汽车覆盖件冲压生产线中重要的成形工具，冲压模具的结构强度对汽车覆盖件的质量具有重要的影响。

由于汽车覆盖件冲压模具长期处于循环的高载荷冲击下，尤其是在实现车身轻量化而广泛使用高强度钢板的大环境下，汽车覆盖件冲压模具的受力情况会更加恶劣，这对模具的结构强度提出了更高的要求。

为了设计出合理的结构，需要设计人员考虑模具的受力情况，加强对汽车覆盖件冲压模具结构强度分析和模具结构优化设计的研究。

结合模具结构强度的研究，分析模具受力情况恶劣的部位，为优化模具结构指明方向，基于结构拓扑优化技术，对汽车覆盖件冲压模具进行几何重构，最后对新模型进行有限元分析，验证新模型的受力情况得到了改善。

基于划分模具实体的方法构建有限元网格，保证了结构优化和结构分析的模具型面节点信息一致，将获得的实体模具型面网格节点力按节点编号加载至结构优化模型的型面网格上，避免了载荷映射的节点搜索和插值计算过程，实现了载荷信息的快速传递。

基于汽车覆盖件板料成形模拟的冲压载荷求解

基于罚函数法、修正库伦摩擦定律，结合基于Hill屈服准则的材料模型，构建了汽车覆盖件板料成形的有限元模型，并结合研究对象的结构特点，反复调整压边力、虚拟冲压速度、料厚、冲压行程、拉延筋阻力五个冲压工艺参数。

得到了拉延充分的成形结果、准确的冲压工艺参数值和接触区域的冲压载荷，为实现基于载荷均布加载的模具静力分析、基于载荷映射的模具结构分析、基于板料成形数值模拟中构建模具弹塑性体模型的结构强度分析奠定基础。

汽车覆盖件是受力的薄板零件，它对外观美观性和表面品质的需求较多。成形件表面在后期经过喷漆处理，零件表面上存在的褶皱、拉裂等缺陷会显的明显，所以汽车覆盖件的质量要求相对其他冲压件更高。

汽车覆盖件主要分为汽车外覆盖件、汽车内覆盖件和骨架覆盖件。汽车外覆盖件的特点是整体平整，局部有凹陷，拉伸深度小，在平面上的拉应力较小会导致材料塑性变形不充分。

以车门外板为例，车门的把手区域相比其他区域深度较大，把手区域外部材料向该部位流动的阻力大，主要靠板料变薄使面积增大，导致零件的变薄率较大，成形中不能及时补充外界材料导致开裂，且车门外板边缘处角度较小，容易造成应力应变集中。

汽车覆盖件板料成形模拟中，工具特指刚性体的凹模、凸模和压边圈。网格划分需要考虑计算精度和计算规模。为了追求计算精度，一般需要大量的计算成本，反之，如果为了加快计算速度，则以计算的准确率为代价。

从单元形状看，常用的二维单元和三维单元通过节点数进行区分，采用不同的单元，计算效果差异明显。

汽车覆盖件冲压载荷求解的工艺参数处理

以地板横梁板料为例，地板横梁板料网格质量影响了板料成形结果的准确率。本文主要通过如下几个因素检查板料网格质量：地板横梁板料网格四边形单元最大翘曲角（WARPAGE）不大于15°。

地板横梁板料网格单元的最大长宽比（ASPECT RATIO）为8；地板横梁板料网格单元最大内角小于145°，地板横梁板料网格单元最小内角大于30°，然后进行边界检查：检查是否存在孔洞。

冲压成形的研究需要适当的拉力来完成板料成形，在地板横梁的拉延模拟中依靠拉延筋阻力提供这种拉力。在实际生产中，为了使板料达到理想变形，需要在板料塑性流动性较好的部位增加阻力，在板料流动性不好的部位减少阻力。

实际应用中，拉延筋的设计主要考虑3点：形状、位置、数量。汽车覆盖件板料圆筋的板料流动阻力相对更小，所以圆筋适合板料流入量较大的拉深，方形筋适合板料流入量较小的拉深。高强度钢板的流动阻力值随筋高增加而增大；且拉延筋圆角半径越小，其阻力值也越高。

汽车覆盖件拉延深度不大，对材料流入量的需求不大，可适当增加拉延筋筋高和减小拉延筋圆角半径。

汽车覆盖件拉延深度较深的部分相对于拉延深度较浅的部分、圆弧部分相对于直线部分的板料流动性较差，所以拉延深度较深的部分和圆弧部分的拉延筋数量不大于直线部分。

在实际应用中，考虑到真实拉延筋的尺寸较小，在平滑压料面上表现为结构紧密，局部应力集中，需要划分较细的网格，但汽车外覆盖件成形结果准确度、计算资源和网格数量成正相关，降低了计算效率。

为了简化真实拉延筋，通过投影成线，近似模拟拉延筋力学性能。结合汽车覆盖件对称件的特点，在本章节中拉延筋采用对称设计。

基于模具弹塑性体有限元模型的汽车覆盖件冲压模具结构强度分析

汽车覆盖件是由金属薄板制成的车身表面零件，对成形质量要求极高，工件表面细小的缺陷在喷漆处理后被放大。随着高强钢的应用，减小了板料和模具的材料强度差，成形件表面缺陷更加明显，并且模具也会产生不可忽略的弹性变形，影响了成形件质量。

实际生产中，保证汽车覆盖件的成形质量需要做到如下两点：保证合理的冲压工艺和达到生产标准的模具强度。模具强度由模具材料强度和结构强度决定。模具材料强度由材料本身决定，选取更高强度的材料意味着成本的增加。

在结构优化的研究中，通过划分实体构建网格，保证了结构分析和结构优化的模具型面节点信息一致，使实体模具型面网格节点力能直接加载至结构优化模型的型面网格上，减少映射计算量。因此本章节需要保证模具接触区域的几何形状不能发生变化。

板料成形模拟中的模具和压边圈等工具通过偏置生成，未考虑厚度，因此板料成形模拟的程序不能实现实体模具间隙和行程的模拟，需要在构建分析模型之前完成几何模型的清理。

模具结构强度分析需要在三维软件构造的实体模型基础上进行。有限元信息包括密度、弹性模量、泊松比等材料参数和力、位移约束等边界条件。

几何模型主要识别尺寸大小、圆角半径等实体特征，有限元模型表达的则是零件的力学特征，反映的是模型的受力情况。因此有限元模型在几何形状上并不需要与原来的几何模型完全一致。

该模具采用单动拉延的方式，凹模为主动件，凸模为固定件。凹模和凸模的受力分析方法相同，两者均可作为研究对象，本文选取凸模为研究对象，将凹模和压边圈简化为刚性体。

由模具几何模型可知，冲压模具的结构复杂，在冲压过程中，涉及到了很多标准件和细小结构的运动。如果将冲压模具不做几何特征的修改，直接细化网格，将会增大网格划分的难度，不利于单元网格的生成。

在车身覆盖件板料成形数值模拟中，凹凸模和压边圈由工件模型偏置而来，在CAE分析中简化为没有厚度的曲面。由于板料成形模拟只关注工件成形过程和成形后质量，为了减少计算量，将凹凸模和压边圈等工具体处理成刚性体，使模具和压边圈等工具体不参与结构应力计算。

压边圈的运动行程决定了拉延模的冲压行程，车身覆盖件冲压模具压边圈行程为Xmm。在完成冲压模具间隙模拟之后，需要将凹模、凸模、压边圈移动到相应的位置。设置凸模不动，压边圈上抬Xmm，凹模上抬Ymm。

在模拟整个冲压过程中，凹模首先下行Y-Xmm,与压边圈接触，将板料压紧，完成闭合阶段。然后凹模、压料圈与板料继续下行Xmm,完成拉深阶段。

通过结合Hypermesh工具完成冲压模具的实体网格划分工作。读入完成模具间隙模拟的3D实体模型，在构建结构强度分析的网格模型之前需要再次进行几何模型清理，例如模具型面和压边圈型面上细小孔，狭窄槽，面与面之间较小圆角等特征均需要进行几何修复。

车身覆盖件冲压模具几何模型清理和网格划分等前处理工作是构建求解模型的前提。在汽车覆盖件冲压模具结构强度分析中，还需要基于板料成形数值技术实现拉延筋、压边力、模具运动、接触和摩擦的模拟。

总结：

高强钢的使用提高了对模具结构强度的要求，本论文基于在汽车覆盖件板料成形数值模拟中建立模具弹塑性体有限元模型的方法实现了模具结构强度分析。

分析了汽车覆盖件冲压模具在冲压阶段的应力及变形，并利用拓扑优化技术对模具进行结构优化，最后结合模具结构受力分析结果、工程设计经验和铸造工艺性对模具进行几何重构，获得较为合理的模具结构。

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