先进高强钢冲压模具压边圈结构疲劳分析与优化.pdf

模具技术2014.No.4
文章编号:1001-4934(2014)04-0001-05
先进高强钢冲压模具压边圈结构疲劳分析与优化
谢晖,范乐1,王诗恩2,诸卫东2,王东福2
(1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082;
2.上海拖拉机内燃机有限公司,上海200433)
摘要:在车身结构件中大量采用先进高强钢,是实现汽年轻量化主要途径之ー,同
时也给模具强度和模具材料帯来了新的挑战。基于 ANSYS有限元软件平台,对拉深
模冲压过程进行有限元仿真,获得了不同时刻压边圈结构应力分布状况。根据有限元
分析的结果,对压边圈结构进行了疲劳分析,预测了压边圈结构的疲劳寿命。基于有
限元分析和疲劳分析的结果,并结合工程设计经验对压边圈结构进行优化,有效地减
小了冲压过程中的压边圏结构的应カ,提高了压边圏疲劳寿命。
关键词:高强钢;冲压模具;有限元分析;疲劳分析
中图分类号:TG386
文献标识码:A
Fatigue analysis and optimization on the binder structure of stamping die for advanced
high strength steels
XIE Hui, FAN Le, WANG Shi-en, CHU Wei-dong, WANG Dong-fu
Abstract: The extensive application of advanced high strength steels in automobile manufac
turing is one of the main ways to reduce the body weight. It also requires the high strength
and anti-fatigue properties of the stamping dies. In this paper, drawing process is simulated
with the FEM software ANSYS, and the stress distribution on binder is calculated in different
stamping stage. Based on the simulation result, fatigue analysis is conducted and the life of
binder can be predicted. Optimization is proposed on the basis of the engineering experience
and FEA simulation. It shows that the stress reduces in the optimized binder structure and
the die life is enhanced
Keywords: high strength steels; stamping die; FEA; fatigue analysis
材料是提高车身强度和降低能源消粍的一个很
0引言
好的途径。国际钢铁协会组织在其 ULSAB
AVC项目白车身钢铁用材比例评估中,先进高
随着现代汽车的发展,人们对汽车安全性强钢的应用比例达到了80%以上,成为汽车车
和燃油经济性有了新的要求。采用先进高强钢身的主要制造材料。研究性能更加优异的新
收稿日期:2014-04-15
基金项目:国家科技支撑计划项目(2012BAF12B20);国家“863”项目(2013AA040605)。
作者简介:谢晖(1971ー),男,教授。
Die and Mould Technology No 4 2014
型钢铁材料是各国钢铁公司的开发重点2。先一些标准件及细小结构对模具受力的影响不
进高强度钢具有更高的强度和良好的成形性大。考虑求解精度与求解时间成本的问题,根
能,对汽车的减重和提高安全性非常有利,但也据工程经验,在保证主要力学特征的基础上进
给模具材料和模具强度带来了新的挑战。
行模具结构的简化。模具简化后的爆炸图如图
传统低强度钢板的冲压模具,模具结构设2所示:简化了工具体上对受力影响不大的几何
计经过国内、外学者与工程师多年的改进,设计结构,凹模、压料板、凸模等工具体筒化为刚性
方案相对成熟。传统低强度钢板对成形力要求片体结构。
有限,生产过程中冲压模具和相关设备的受力
状况也不是很恶劣,冲压模具的变形量小,冲压
模具由于疲劳导致不正常失效和损毁的情况并
不多见。与传统低强钢冲压模具相比,先进高
强钢板料冲压要求更高的成形力,冲压过程中
10
模具及冲压设备的载荷大大增加。模具长期处
于循环加载的交变应力和高冲击力工况下,很
容易产生由于疲劳导致的变形和破裂失效
在模具结构分析方面,国内、外学者做了大
1.下模座2.卸料螺钉3.压边圈本体4.导板
量创新性工作。 Lee Youngseont]等把模具视
5.上模座6.氮气缸7.压料板8.凹模
为弹性体,通过有限元分析与实验对比的方法
9.压边圈镰块10,调压垫11.凸模
研究了冷锻模具的弹性变形行为。通用汽车公
12.限位垫13.气顶墊块
司的 Venkat Aitharaju'们等人开发了模具结构
图1模與装配图
有限元分析工具,能够将冲压模具结构分析和
凹模
冲压成形分析集成在一起,并根据模具受力分
析结果优化模具结构,有效减少了模具质量。
压料板
板料
上海交通大学的张贵宝博土的开发了冲压模具
凸模
结构分析的建模辅助和载荷映射工具,针对
DP600轿车侧底板件冲压模具,实现了大型复
杂冲压模县的结构分析。
压边圈镶块
对于先进高强钢模具,模具受力分析和疲
劳破坏分析仍处于探索阶段,对于模具可能出
压边圈本体
现破坏的方式和寿命评价,并没有建立统一的
图2结构简化后的模具爆炸图
标准。本文以双相高强钢CR780T/420Y-DP板
料的冲压模具为例,通过有限元分析的方法,研1.2压边圈本体结枸有限元分析结果
究先进高强钢冲压模具压边圈结构的疲劳破坏,并
模具结构的有限元分析在 ANSYS平台中
基于有限元分析的结果,对压边圈结构进行优化
进行,结构分析的主要目的是确定压边圈可能
发生疲劳破坏的危险部位。为得到冲压过程中
模具结构有限元分析
各时刻压边圈结构的应力分布状态,把有限元
分析结果分10步输出。图3显示的是冲压过
1.1有限元模型建立
程中,压边圈结构的最大等效应力分布云图
由仿真结果可知,冲压过程不同时刻,压边圏本
本文采用的模具类型为单动拉深模,冲压体各部位等效应力分布不均匀。其中最大等效
零件为汽车左/右前纵梁,模具基本结构如图1应力出现在压边圈内侧拐角位置,该位置也是
所示。由于该模具体积较大,结构复杂,模具的压边圈可能发生疲劳破坏的危险部位