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1、湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（外文翻譯） 湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(外文翻譯) 指導(dǎo)老師： 學(xué) 生： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)：材料成型及控制工程（模具設(shè)計(jì)與制造） 時(shí) 間：2011年3月 綜合成形模擬和優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計(jì)分析 Venkat Aitharaju*, Malcolm Liu, Jennifer Dong, Jimmy Zhang, Chuan-tao Wang General Motors Corporatio

2、n, Manufacturing Engineering - Die Center 2000 Pontiac Centerpoint Parkway, M/C: 483-520-276, Pontiac, MI 48341 摘要：通用公司在采用沖壓成形模擬分析和驗(yàn)證凹模表面成形性分析的發(fā)展方面，獲得巨大成功后, 它在沖壓工藝方面，總生產(chǎn)力向前邁了一大步。其中,保證模具的結(jié)構(gòu)完整性和最小重量是其中的重要舉措之一。沖壓模具設(shè)計(jì)(或?qū)嶓w模型的沖壓模具)通常是參照由以下的模具設(shè)計(jì)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)完成的。對(duì)于任何標(biāo)準(zhǔn)以外的設(shè)計(jì)改變，沒有數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)來(lái)驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)工具結(jié)果的改變。模具結(jié)構(gòu)分析(DSA)提供了

3、一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全因素變化。幾年前,通用汽車制造工程-模具中心開始模具的結(jié)構(gòu)分析,在各種領(lǐng)域,以滿足客戶不斷增長(zhǎng)的需求，如下：（1）驗(yàn)證設(shè)計(jì)上的變化；（2）在調(diào)試模具沖壓操作和維修方案的建議中確定破損的主要原因；（3）優(yōu)化模具結(jié)構(gòu),降低體重；（4）按吞吐量?jī)?yōu)化了廢口槽開口；（5）提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)工具來(lái)驗(yàn)證目前修改的模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在綜合分析成形和模具結(jié)構(gòu)分析成功后 ，形成模具表面負(fù)荷力(壓邊力、擠壓力,成形力)將被提取應(yīng)用于在模擬和應(yīng)用固態(tài)壓鑄結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析。在過去的幾年中,模具中心為許多模具設(shè)計(jì)要求的變化和沖壓模具結(jié)構(gòu)的模具進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和疲勞分析。本文提出一些基本問題,綜合成型及模

4、具的結(jié)構(gòu)分析和闡述了在模具設(shè)計(jì),模具結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)沖壓件上模具結(jié)構(gòu)分析的影響。 介紹： 用于制作汽車板料零件的模具成本占到了生產(chǎn)車輛預(yù)算項(xiàng)目總成本的40%左右。這些模具的制造成本成為了汽車公司評(píng)估開發(fā)新汽車計(jì)劃的基準(zhǔn)。這些沖壓模具設(shè)計(jì)是根據(jù)公司內(nèi)部生產(chǎn)過程中，一個(gè)特定的模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)、安全指導(dǎo)和新的規(guī)定來(lái)制定的。這些模具經(jīng)常受到不同加工方式的影響，從而影響到他們的生命周期。這些模具按照一種安全的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的破壞，安全處理這些問題是最重要的。因此,在模具設(shè)計(jì)應(yīng)提供足夠的安全系數(shù),以防止任何結(jié)構(gòu)破壞的出現(xiàn)。同樣,在生產(chǎn)過程中 模具的損壞能引起一個(gè)完整的生產(chǎn)流水線癱瘓。由于這種

5、極端的重要性,這些模具是整個(gè)安全生產(chǎn)周期的過程中最為重要的環(huán)節(jié)。由于各種沖壓模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在綜合形成與結(jié)構(gòu)的分析不準(zhǔn)確性,于是傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與整體結(jié)構(gòu)通常很重。由于這些沉重的結(jié)構(gòu)，模具費(fèi)用、原材料、施工成本、運(yùn)營(yíng)成本(電費(fèi)用于移動(dòng)模具)是巨大的。但現(xiàn)在觸手可及的有限元分析,準(zhǔn)確的形成與結(jié)構(gòu)的分析,能幫助沖壓模具執(zhí)行各種線操作和優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少的模具重量和降低營(yíng)運(yùn)成本。同樣,沖壓模具破損是嚴(yán)謹(jǐn)分析問題的根本原因，可以固定在一個(gè)更有效率的方式。根據(jù)目前的結(jié)構(gòu)分析的成分對(duì)于那些過去的方法來(lái)確定載荷的形成是不準(zhǔn)確的討論，最大的挑戰(zhàn)是將綜合形成的結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用在各種沖壓成形載荷96%的情況下。本文提出了一些解

6、決的問題,結(jié)合實(shí)例分析成形方案和模具的結(jié)構(gòu)。首先,作者討論簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)荷載對(duì)模具的結(jié)構(gòu)零件,其次建模策略,并對(duì)模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析(DSA),基準(zhǔn)研究通過NASTRAN軟件提供各種各樣的四要素的通用結(jié)構(gòu)分析. ,利用模具的結(jié)構(gòu)分析最終解決一些問題。也進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧與供應(yīng)商合作計(jì)劃介入發(fā)展一套綜合的模具結(jié)構(gòu)分析和模型分析的DSA數(shù)據(jù)包。 模具設(shè)計(jì)載荷： 負(fù)載的模具結(jié)構(gòu)元件可以分成(a)和(b)處理負(fù)荷運(yùn)行負(fù)載。處理的是將靜態(tài)負(fù)荷重量轉(zhuǎn)移到模具零件之間。模具在荷載作用下運(yùn)行,應(yīng)用于模具在沖壓成形的操作。例如,較低的粘合劑為三種模具設(shè)計(jì),通過噸位氣墊或低硝基持鈑金沖壓成形工作期間。對(duì)于一個(gè)修模具、較低

7、的適配器受修剪負(fù)載所需剪切的空白。對(duì)于一個(gè)法蘭模下墊應(yīng)該承受墊噸位而進(jìn)行了板邊操作。在通用模具開發(fā)中心適用期間,有一個(gè)方法是提取這些負(fù)載使其在每個(gè)沖壓模具成形仿真運(yùn)行。在驗(yàn)證了該方法的基礎(chǔ)上,提高系統(tǒng)的反饋能力。目前,所有的壓力系統(tǒng)(氣缸數(shù)為低,數(shù)量的探針硝基一個(gè)氣墊)設(shè)計(jì)輸入來(lái)自詳細(xì)的模具成形模擬試驗(yàn)。 DSA建模： 模具結(jié)構(gòu)分析團(tuán)隊(duì)在通用模具中心進(jìn)行了幾個(gè)基準(zhǔn)研究中，進(jìn)行了三維有限元模型,公司員工利用UG、mesher Unigraphics提供了工程技術(shù)革新。許多特征對(duì)模具的結(jié)構(gòu)組成都不影響結(jié)構(gòu)的剛度,但只有當(dāng)他們變成復(fù)雜模型包括在最后的分析模型都會(huì)有一定的影響。在通用模具中心,UG

8、創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的模型,最近它有了許多的優(yōu)勢(shì),利用UG /場(chǎng)景建模為它節(jié)省了相當(dāng)多的時(shí)間，但在在刪除/抑制特性并無(wú)實(shí)質(zhì)性的意義。自動(dòng)網(wǎng)格生成可在UG場(chǎng)景中產(chǎn)生了網(wǎng)格單元，尺寸大小取決于在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和用戶輸入的幾何特征。但這種做法并不是最佳的時(shí)候，需要精確捕捉應(yīng)力分布區(qū)域的集中應(yīng)力。mesher嚙合算法,克服了這個(gè)限制革新用戶選擇精制/粗的完整的網(wǎng)域。根據(jù)大小和幾何形狀復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)部件的網(wǎng)格程序被選為創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的嚙合，4node / 10-node四面體元素被用來(lái)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)部件的體積網(wǎng)格劃分后的實(shí)體模型,Hypermesh用來(lái)檢查網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(吻合,固態(tài)元件翹曲、長(zhǎng)寬比、傾斜、雅可比)的質(zhì)量

9、。而檢查后,在網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量跟蹤批準(zhǔn)了堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)格進(jìn)行分析。翹曲98%的元素:30度以下,98%的元素的長(zhǎng)寬比:下面10%雅可比:98%的元素在1到10的上述檢查完后,Hypermesh被用來(lái)指定邊界條件和加載條件。一個(gè)NASTRAN程序文件的準(zhǔn)備和提交NASTRAN程序的能手。分析結(jié)果的NASTRAN程序處理Hypermesh職位。以下是一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試比較4節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)元素在10應(yīng)力和撓度預(yù)測(cè)結(jié)果的實(shí)體模型。 單元基準(zhǔn)測(cè)試： 以懸臂梁在重力荷載作用下的分析來(lái)評(píng)估自己的效率和海格薩的元素。盡管汽車網(wǎng)用于模具的結(jié)構(gòu)分析的產(chǎn)能只有四個(gè)節(jié)點(diǎn),10-node四元素,海格薩元素是用來(lái)研究進(jìn)行比較。下面

10、給出了這個(gè)問題的細(xì)節(jié)?！? 圖一 懸梁臂的幾何形狀 不同網(wǎng)格密度與Tetra4四10元,試圖找出功效的元素。下表顯示提示位移為各種各樣的元素特性。 表1 描述各種元素小量位移 元素種類 NASTRAN軟件解決方案 閉合形式 錯(cuò)誤 海格薩6元素 9.44E-2 9.591E-2 1.5% 180集群4元素 6.699E-2 9.591E-2 30.1% 360集群4元素 9.102E-2 9.591E-2 5.1% 36集群10元素 9.371E-2 9.591E-2 2.3% 從表中可以看出,一層一層的元素能預(yù)測(cè)海格薩位移非常接近精確解。但

11、是Tetra4元素與一個(gè)180度的預(yù)測(cè)單元的位移和厚度誤差的Tetra4。360元素30.1%股權(quán)和兩種元素的元素的厚度預(yù)測(cè)誤差的位移5.1%。但是Tetra10 36元素的元素和元素通過網(wǎng)格的厚度僅能預(yù)測(cè)其位移非常接近閉合形式的解決方案。從本研究中,我們可以看到,Tetra10元素是很有效率的捕捉彎曲效應(yīng)和少量的元素Tetra4元素相比。因此在分析過程中,Tetra10元素被用于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模具結(jié)構(gòu)分析。 模具結(jié)構(gòu)分析： 例子： 大量的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,以滿足需求的變化,驗(yàn)證堅(jiān)實(shí)的模具設(shè)計(jì)方案來(lái)防止模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)破碎、體重下降…下面的例子提供一些應(yīng)用工具解決問題的的有關(guān)汽車沖壓模具。

12、應(yīng)力和撓度頂部和底部板的分析： 這是一個(gè)關(guān)于減重和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的普通插座板沖壓技術(shù)用于丙種外幣發(fā)電廠。頂部和底部的適配器板為鑄件。共有一百板塊構(gòu)造，每年舉行一次。由于這個(gè)沉重的體積、重量?jī)?yōu)化鋼鐵。各種載荷對(duì)上部和下部閥板被認(rèn)為:4點(diǎn)的支持與整個(gè)模具裝配放在盤子里,兩個(gè)點(diǎn)支持模具裝配與動(dòng)態(tài)加載在沖壓成形?；趹?yīng)力和位移結(jié)果從詳細(xì)的死亡結(jié)構(gòu)分析、板塊的厚度可以減少178毫米(7)到127毫米(5),為152毫米鋼板和上層(5)- 102毫米(4)為較低的盤子。這個(gè)變化滿足安全系數(shù)。這些厚度范圍提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)取代GM從架子上投板。鍋爐這也減少了可觀的鑄造?？偟膩?lái)說(shuō),這已經(jīng)挽救了數(shù)百萬(wàn)美元的施工成本的

13、流逝。 模具設(shè)計(jì)改變的評(píng)價(jià) 在生產(chǎn)中一些模具通常被修理而需要改變,以至容易報(bào)廢掉。通常這些變化,提供了一些結(jié)構(gòu)剛度的死亡。用廉價(jià)的模具結(jié)構(gòu)分析、網(wǎng)上可以驗(yàn)證去除或在修改的基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)的分析結(jié)果。這就避免了重新設(shè)計(jì)和重構(gòu)的相關(guān)成本、交貨期修剪時(shí)間。3至6顯示DSA評(píng)估原設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了兩種版本為修剪時(shí)間。以上顯示比較安全邊際的三種設(shè)計(jì)方案。修改和刪除被沖壓廠采納。 應(yīng)用在藍(lán)色表面修剪噸位固定在模底部 　 圖2 修改模幾何結(jié)構(gòu)分析 有效壓力（Mpa） 48 49 40 45 42 48 41 位移（mm） -0.053 -0.056

14、-0.042 -0.053 -0.048 -0.057 -0.047 0.08mm最大偏轉(zhuǎn) 48Mpa最大等效應(yīng)力 圖3 最大應(yīng)力和撓度對(duì)原設(shè)計(jì)(原件,7個(gè)網(wǎng)狀在凸輪修剪處) 有效壓力（Mpa） 49 63 39 81 75 84 43 偏轉(zhuǎn)（mm） -0.05 -0.07 -0.12 -0.10 -0.19 -0.09 -0.05 最大偏轉(zhuǎn)0.21mm 最大有效壓力84Mpa 圖4 二移除(Rev.1設(shè)計(jì)) 的最大應(yīng)力和撓度的修訂 有效壓力（Mpa） 75 94 30 80 40 98 6

15、0 偏轉(zhuǎn)（mm） -0.23 -0.11 -0.11 -0.09 -0.19 -0.12 -0.16 圖5 4個(gè)網(wǎng)狀移除(設(shè)計(jì)) 的最大應(yīng)力和撓度的修訂 表2 修剪模的安全邊際 設(shè)計(jì) 安全邊際 原 9.6 修正1 4.5 修正2 3.2 模具破損和根本原因識(shí)別 在生產(chǎn)過程中,身體側(cè)外環(huán)的模具顯示裂縫頂部的柱區(qū)。這種結(jié)構(gòu)上的根本原因并沒有出現(xiàn)在沖壓供應(yīng)商的工廠。因?yàn)檩^低的界限是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和模具在沒有任何結(jié)構(gòu)分析,驗(yàn)證了有猜測(cè)的強(qiáng)度較低的界限可能不足夠。證實(shí),一個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行模模具中心結(jié)構(gòu)分析,較低的界限。自從模具已經(jīng)在生產(chǎn)使用、沖壓模具的需要很

16、快就會(huì)回來(lái)，在不影響整個(gè)生產(chǎn)的車輛。圖7顯示低粘合劑的幾何形狀支持空氣針。圖8平衡塊在較低的界限上模接觸。因此較低的界限是受墊負(fù)荷從底部和頂部的支持。 空氣銷支撐著 圖7 較低的環(huán)體側(cè)外(從底部) 塊 圖8 較低的環(huán)體側(cè)外(從機(jī)身) 作為通用數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的支持過程了十年,壽命對(duì)于整個(gè)模具立體幾何的模具制作模具中心在模具的結(jié)構(gòu)分析,可以從沒有失去任何意義。一份詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析,較低的界限。在分析,較低的界限是在空中沖壓負(fù)荷大頭針地點(diǎn)。該沖壓成形載荷作用的分析,推導(dǎo)出使用。這個(gè)負(fù)荷最低負(fù)荷要求把珠子和控制的金屬流動(dòng)在整個(gè)沖壓操作。較低的界限是支撐平衡

17、塊的位置。摘要在詳細(xì)分析了模具結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力的結(jié)果,為降低粘合劑進(jìn)行評(píng)估。安全邊際對(duì)應(yīng)力和撓度被發(fā)現(xiàn)是非常安全的。因此在廠內(nèi)結(jié)構(gòu)破壞是歸因于操作不當(dāng)所增加的意外。 DSA項(xiàng)目的開發(fā) 模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,包括大量的手工努力的三維模型,編制了模具結(jié)構(gòu)對(duì)NASTRAN程序所需要的數(shù)據(jù)文件的程序。另一方面,很多時(shí)間都花在后期處理標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果如位移(u,v,w),強(qiáng)調(diào)(主修、輔修,von-Mises)和計(jì)算的安全邊際抗疲勞。減少時(shí)間準(zhǔn)備一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分析嚙合,數(shù)據(jù)和后處理,結(jié)果,通用模具中心和它的軟件供應(yīng)商,埃塔(工程技術(shù)伙伴),開始發(fā)展一套綜合的軟件包和一個(gè)圖形用戶界面專為模具的結(jié)構(gòu)分析。在2003年

18、,一個(gè)測(cè)試版的這個(gè)包裹,稱為ETA-DSA,被安裝在模具中心。ETA-DSA是一個(gè)綜合的福利,包括革新的VPG埃塔對(duì)于嚙合,預(yù)處理、后處理和疲勞分析。ETA-DSA鏈接到NASTRAN程序求解靜力分析和進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。ETA-DSA也提供汽車報(bào)告能力來(lái)允許用戶創(chuàng)建網(wǎng)站準(zhǔn)備報(bào)告,直接得出分析結(jié)果。ETA-DSA圖形用戶界面友好的用戶提供了一個(gè)良好的環(huán)境中執(zhí)行上述所有的任務(wù)。 總結(jié)： 模具結(jié)構(gòu)的分析,是一種重要的輔助應(yīng)用程序在沖壓模具結(jié)構(gòu)的許多地方,沖壓操作上提供了重要的價(jià)值。使用效益的模具結(jié)構(gòu)分析,驗(yàn)證了輕量的模具設(shè)計(jì)和修改,以減輕體重,成本和能量的模具沖壓、改進(jìn)設(shè)想,以確保模具結(jié)構(gòu)完整性的安

19、全設(shè)備,人類和新聞媒體通過它提高產(chǎn)量的變化,更好地使廢料脫落。在綜合分析成形仿真和模具結(jié)構(gòu)使通用沖壓件模具成本不斷減少,生產(chǎn)力得到提高,。進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)和業(yè)務(wù)流程的要求技術(shù)不斷發(fā)展, ,同時(shí)自動(dòng)啟用具有較強(qiáng)魯棒性的DSA處理成型模具結(jié)構(gòu)分析和動(dòng)態(tài)模擬。 致謝： 在此感謝亞瑟唐和卡羅Larque工程技術(shù)有限公司與員工及協(xié)調(diào)發(fā)展的中心總經(jīng)理的ETA-DSA軟件包。多虧了羅德里格、,通用汽車公司在巴西有價(jià)值的技術(shù)討論和在通用模具中心初始階段的模具結(jié)構(gòu)分析項(xiàng)目。 參考： 1. MSC.NASTRAN 2001 Quick Reference Guide 2. Unigraphics NX Scenario and Structures