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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 Optimizati on of Adva need High-Stre ngth Steel Stampi ng DieStructure Desig n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 : Applicati on of adva need high-stre ngth steel in automobile in dustry hasbrought in creas ing challe nge for stamp ing die structure desig n. 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 optimizati on model was con structed further for die structure optimizati on desig n. Fin ally, die and bin der part of the cup-draw ing case was take n as the example. By adopt ingOptistruct, optimized die structure was obta ined with largest weight reducti on under static displaceme nt con stra int.Key words: advaneed-high strength stee, load mapping , die structure , topology optimizati on1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23 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：0( nYS = 360MPA,TS = 600MPA, n = 0.13, R0=R45=R90=1.02,K=1003摩擦系数取 0.125。冲压成形数值模拟结果FLD如图3所示，成形零件在法兰区一周有起皱趋势，破裂缺陷未发生。图2成形模拟有限元模型Punch图3成形零件的成形极限图FLD3.2载荷映射图4a表示了根据成形零件所设计的模具中的凹模及压边圈部分。设计初期，为了保证模具的刚度，模具设计成完全实心，但通过模具结构的初步分析发现，模 具存在一定的减重空间，同时考虑到模具安装便利性，于是本文运用拓扑优化技术 对这两部分进行了减重结构优化设计。图 5表示了成形过程中凹模的受力状况，y 为冲压方向。由于零件沿x轴对称，故x方向上工具受力无偏载。而在z方向由于 盒形件几何不对称，故存在一定量的偏载，但是偏载相对于冲压方向上的受力较 小，因此主要参考冲压方向的受力趋势选取拓扑优化加载的载荷。冲压方向上的载荷曲线呈单调上升，因此认为最后一个时刻的模具受力状态最为恶劣。选取这一时刻的节点受力状态进行载荷映射，映射结果如图6所示a凹模b压边圈图4压边圈及凹模几何形状图5成形工程中凹模受力状况a压边圈b凹模图6载荷映射结果2007 Altair大中国区用户技术大会论文集 3.3模具拓扑优化模型 根据模具减重 的同时刚度最大化的设计要求，确定拓扑优化目标为结构设计部分的优化前后体积比，约束则为模具表面受力后的平均位移量。为保证工具的外形，构建模型时取 一定的厚度的外壳作为非设计区，其余部分作为设计区(如图7，计算时非设计区单元参与优化目标的 计算，但不参与约束的计算，而设计区单元同时参与优化目 标与约束的计算。a非设计区图7模具拓扑优化模型b设计区3.4拓扑优化结果 拓扑优化结果如图8所示，优化结果有效的删除对结构传力路径作用小的单元，在 局部受力集中处进行了加强。图9表示优化迭代过程，压边圈部分共进行了41次迭代，优化目标值 由0.9下降到0.29。凹模优化共迭代了 29次，优化目标值有0.9 下降到0.54。a压边圈图8模具拓扑优化结果-6- b凹模2007 Altair大中国区用户技术大会论文集 a压边圈图9优化迭代过程b凹模 图10所示为压边圈部分优化前后模具位移分布对比。优化前模具受力后最大位移 为0.021m m优化后模具受力后最大位移为 0.046m m,但是模具设计部分重量减少 了 70%，而减重后的模具结构仍然符合力学性能要求。因此通过拓扑优化技术， 对模具结构进行优化设计不仅可以指导模具设计，而且大大降低模具制造成本。a优化前模具受变形分布图b优化后模具变形分布图 图10压边圈优化前后模具受力 位移分布对比 5 参考文献1 Yuxuan Li, Zho ngqin Li n, Aiqin Jia ng, Gua nlo ng Che n, Use of high stre ngth steel sheet for lightweight and crashworthy car body, Materials and Design (v24, 2003, pp 177-82. -7-2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 2 In ternatio nal Iron & Steel In stituteCommittee On Automotive Applicatio ns. Adva need High Stre ngth Steel (AHSSApplicati on Guideli nes, 2005 3 Hyperworks Users Guide, Altair En gi neeri ng, 2006 -8-