高強(qiáng)度鋼板料拉深成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)及模具結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化.pdf

1、高強(qiáng)度鋼是目前汽車輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的板材。與普通鋼板相比，高強(qiáng)度鋼板具有更高的屈服強(qiáng)度，在車身設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)度鋼板的應(yīng)用也給零件的沖壓加工帶來(lái)了挑戰(zhàn)：①高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累不足，成形工藝及模具設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(dòng)，給沖壓產(chǎn)品質(zhì)量及模具受力帶來(lái)很大的

2、不確定性。
　　 針對(duì)上述問(wèn)題，本文在國(guó)家863項(xiàng)目(編號(hào)：2007AA042130)的支持下，從穩(wěn)健設(shè)計(jì)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(qiáng)度鋼板時(shí)存在噪聲因素引起的沖壓質(zhì)量波動(dòng)，提出了基于支持向量機(jī)和重要度抽樣的板料成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，以尋求能使沖壓質(zhì)量達(dá)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(dòng)最小。以鍍鋅鋼板和高強(qiáng)度鋼板成形工藝設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)

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(wèn)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(jì)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(jì)過(guò)程中不同工藝條件評(píng)估的可靠性，提出了自適應(yīng)重要度抽樣方法，用于量化噪聲因素的波動(dòng)對(duì)沖壓件破裂、起皺、回彈等質(zhì)量指標(biāo)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(jì)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(shí)，概率預(yù)測(cè)精度不佳的問(wèn)題。
　　 為了縮短優(yōu)化迭代時(shí)間，保證穩(wěn)健設(shè)計(jì)的精度，提出了基于支持向量機(jī)的響應(yīng)面模型。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)約束的特點(diǎn)，應(yīng)用不同類型的支持向量機(jī)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(yīng)面時(shí)出現(xiàn)的過(guò)擬合現(xiàn)象，和近似優(yōu)化目標(biāo)時(shí)非線性表述能力不足的問(wèn)題。
　　 2.針對(duì)目前高強(qiáng)度鋼沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)缺乏

5、經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題，根據(jù)模具在實(shí)際沖壓過(guò)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?fù)鋬?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(jìn)信息，通過(guò)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(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。
　　 以高強(qiáng)度鋼雙曲面盒形件沖壓模具的壓邊圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了該方法的有效性。根據(jù)壓邊圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)了27％的減重效果。
　　 3.設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度鋼階梯型底面盒形零件的沖壓模具，對(duì)沖壓模具結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。首先分析了模具裝配誤差對(duì)成形性能的影響，驗(yàn)證了通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可消除該類誤差對(duì)成形質(zhì)量的影響，從而進(jìn)一步保證成形工藝的穩(wěn)健性。同時(shí)進(jìn)一步研究了帶有導(dǎo)板類模具結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)板的設(shè)置位置及數(shù)量對(duì)沖壓模具設(shè)計(jì)有一定影響。由于導(dǎo)板的存在，成形過(guò)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(guò)程中的載荷分布更加復(fù)雜。
　　 利用沖壓模具結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)階梯型試驗(yàn)零件沖壓模具壓邊圈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(dǎo)板所受側(cè)向力的影響。通過(guò)與原壓邊圈的對(duì)比試驗(yàn)表明：1）新設(shè)計(jì)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(yīng)力沒(méi)有大幅上升，而且更合理的材料分布實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)薄弱位置的加強(qiáng)，保證了模具結(jié)構(gòu)的可靠性；2）通過(guò)合理

8、位移約束設(shè)計(jì)確保即使模具結(jié)構(gòu)改變，對(duì)零件成形性能影響微乎其微。對(duì)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(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)際效果，最后對(duì)某大型沖壓模具的壓邊圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與按傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對(duì)比，結(jié)果表明：按相同材料使用量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)的結(jié)構(gòu)較原結(jié)