王冀軍，段彥賓，劉龍芬，楊中奎

（成都普什汽車模具有限公司，四川 成都 610031）

0 引 言

隨著當前汽車模具的競爭日趨激烈，模具開發(fā)成本的控制顯得愈加重要。根據(jù)項目經(jīng)驗，模具開發(fā)中材料（鑄件、標準件、鋼件）、加工和調(diào)試成本占據(jù)整個開發(fā)環(huán)節(jié)成本的80%[1]，其中鑄件占據(jù)了模具材料成本的較大比重。以HT300為例，鑄造成本約7 000元/噸，1副中型拉深模鑄件質(zhì)量約10 000 kg，因此在滿足模具使用功能、設計標準與沖壓壽命的前提下，減輕鑄件質(zhì)量能增加經(jīng)濟效益。隨著節(jié)能減排的政策和理念推廣，模具結(jié)構(gòu)輕量化成為降低材料成本的有效途徑，主機廠長期采用的設計標準是一個全局性的指導標準，在具體零件和特定模具結(jié)構(gòu)設計時，采用該標準設計的模具結(jié)構(gòu)冗余，此外在一些模具零件受力的部位，減輕質(zhì)量特征設計愈加保守。

相對于上、下模座，壓邊圈的輕量化設計較少，其原因為：①壓邊圈質(zhì)量較輕，可減輕質(zhì)量的潛力不大；②壓邊圈屬于受力部件，下部承受液壓機頂桿作用力，上部壓邊圈型面和平衡塊分別受到壓力和合模接觸平衡力，因此屬于存在一定風險的減輕質(zhì)量部件。現(xiàn)以發(fā)動機罩內(nèi)板拉深模的壓邊圈為研究對象，在輕量化設計中采用ABAQUS軟件的TOSCA模塊對其進行拓撲優(yōu)化分析，以指導實際的模具結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量方案。

1 壓邊圈的經(jīng)驗減輕質(zhì)量設計

1.1 經(jīng)驗減輕質(zhì)量結(jié)構(gòu)設計

不同工程師對壓邊圈進行減輕質(zhì)量時，并沒有定量的減輕質(zhì)量指標，同時減輕質(zhì)量后的結(jié)構(gòu)強度和剛度也無法進行評判，只能根據(jù)以往經(jīng)驗進行設計。圖1所示為采用經(jīng)驗設計并澆鑄的發(fā)動機罩壓邊圈，在壓邊圈側(cè)壁上開設了橫向長條形和圓形減輕孔，間距較大。針對減輕孔形狀和位置是否合理以及減輕質(zhì)量潛力，采用經(jīng)驗難以判斷，需要依據(jù)數(shù)值仿真獲得結(jié)構(gòu)強度和剛度指標進行分析。

圖1 壓邊圈

1.2 壓邊圈的應力和變形位移分析

為了分析上述減輕孔開設后的壓邊圈結(jié)構(gòu)強度，采用ABAQUS軟件對其應力和變形位移進行模擬分析，該壓邊圈采用了38根頂桿進行拉深成形，為了減少計算模型，選取了壓邊圈拐角區(qū)域的9根頂桿為研究對象。在受力邊界條件設置上，作用在整個壓邊圈型面的載荷為2 000 kN，假設壓邊圈上的平衡塊在閉合階段蹲死，且各型面壓邊力均勻，經(jīng)過等效計算作用在單位壓邊圈型面和平衡塊的壓力為3 MPa。由于只選取了9根頂桿，為了與實際的封閉結(jié)構(gòu)一致，將模型的兩端分別設置成關(guān)于X和Y軸的對稱邊界條件，如圖2所示。

圖2 壓邊圈減輕孔特征與受力邊界條件

計算得到圖3所示的應力和Z向變形位移分布，最大應力為20 MPa，位于右側(cè)開設減輕孔的部位，而左側(cè)部分的側(cè)壁區(qū)域的應力值幾乎為零，如圖3（a）所示。側(cè)壁在沖壓方向的變形位移約0.018 mm，彈性變形小，因此左側(cè)壁區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度和強度較高，有一定的減輕質(zhì)量空間。

圖3 壓邊圈壓料狀態(tài)的應力和變形位移分布

2 拓撲優(yōu)化分析

2.1 常規(guī)減輕質(zhì)量指標下的拓撲優(yōu)化分析與結(jié)果

拓撲優(yōu)化的主要思路是在保證壓邊圈結(jié)構(gòu)功能、使用壽命和模具動態(tài)精度的前提下，盡可能移除側(cè)壁部位的體積，實現(xiàn)輕量化目標[2,3]。采用基于條件的拓撲優(yōu)化算法，選擇應變能和體積2個指標作為設計響應。選取左側(cè)壁區(qū)域為優(yōu)化對象，如圖4所示。

圖4 壓邊圈優(yōu)化區(qū)域

首先建立基于應變能的設計響應，它是每個網(wǎng)格單元應變能的總和，為了實現(xiàn)最大化的結(jié)構(gòu)剛度，在軟件中將應變能的參數(shù)設置為最?。黄浯问窃O置體積響應，體積的目標函數(shù)可以根據(jù)壓邊圈的整體結(jié)構(gòu)強度和剛度進行設置，建立的約束為：最終體積≤初始體積的75%。最后是創(chuàng)建目標函數(shù)和創(chuàng)建優(yōu)化約束[4]，目標函數(shù)是通過1組設計響應公式得到唯一的標量值，如應變能和體積設計響應約束目標。同時還需要建立一系列的幾何限制[5]，這是因為在壓邊圈拓撲優(yōu)化過程中，優(yōu)化的形狀需要滿足模具鑄造或模具設計相關(guān)標準，將優(yōu)化區(qū)域設置成對稱邊界條件。在創(chuàng)建優(yōu)化進程中，將最大優(yōu)化周期設置成15次。

圖5所示為拓撲優(yōu)化結(jié)果，其中前幾次優(yōu)化主要是去除框架中筋板的體積，第13次迭代完成了優(yōu)化區(qū)域25%體積的移除目標。

圖5 拓撲優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化區(qū)域的最小化應變能響應的結(jié)構(gòu)剛度曲線如圖6（a）所示，體積移除響應優(yōu)化曲線如圖6（b）所示，在前幾次優(yōu)化中移除效率高，這主要是針對非受力區(qū)域與結(jié)構(gòu)剛度影響不大的框架區(qū)域進行體積快速移除，如前5次。在后幾次優(yōu)化中，主要針對受力區(qū)域的側(cè)壁進行體積移除，因此移除體積量逐漸減少。在第13次優(yōu)化后移除量趨于總體積的25%。從側(cè)壁體積移除的位置和形狀來看，主要在2個頂桿之間的區(qū)域，形狀為縱向長條形。

圖6 壓邊圈的剛度與體積優(yōu)化響應曲線

2.2 極限減輕質(zhì)量指標下的拓撲優(yōu)化結(jié)果

為了獲得優(yōu)化區(qū)域的減輕質(zhì)量極限，同時評估優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強度和剛度，建立的體積約束為：最終體積≤初始體積的50%，計算得到圖7所示的優(yōu)化形狀結(jié)構(gòu)，側(cè)壁區(qū)域除了頂桿-支撐筋-型面的沖壓受力線外，理論上2個頂桿之間的側(cè)壁區(qū)域都可以開設減輕孔。通過上述優(yōu)化結(jié)果，針對圖1中澆鑄待加工的壓邊圈進行分板，發(fā)現(xiàn)橫向開設長條孔不合理，其次圓孔開設在頂桿軸線上，還存在圓孔開設趨于保守以及孔間距較大的問題。

圖7 50%體積移除的優(yōu)化形狀

進一步考察了優(yōu)化后的壓邊圈結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，優(yōu)化后的應力分布如圖8（a）所示，最大應力為25 MPa，位于減輕孔的邊緣，由于只受到壓邊力作用，結(jié)構(gòu)強度較高。Z方向的位移分布如圖8（b）所示，模具剛度優(yōu)化部位存在0.03 mm的壓縮變形，對于品質(zhì)較高的外覆蓋件，彈性變形還需要控制，避免在成形過程中受壓邊圈、板料、壓料器三者作用時壓料力產(chǎn)生波動，導致壓料階段打滑，影響凸凹模的成形精度。

圖8 優(yōu)化區(qū)域的應力和變形位移分布

結(jié)合實際模具沖壓工況的復雜性，在模具設計過程中拓撲優(yōu)化并不是實現(xiàn)最大輕量化的唯一方法，還需要從模具的強度、動態(tài)剛度、設計與鑄造標準等方面綜合考慮。模具開發(fā)屬于成本較大的單項產(chǎn)品，即使同一零件，由于材料、工藝要求不同，每副模具在結(jié)構(gòu)上也具有唯一性，當輕量化方案一旦削弱了模具的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，將會導致模具的動態(tài)精度降低甚至開裂。

一般沖模中可減輕質(zhì)量的部件主要為上、下模座、壓邊圈以及壓料器等部件，對于精度要求不高的內(nèi)板模具，可采用激進的減輕質(zhì)量約束目標進行優(yōu)化，并對模具受力區(qū)域進行強度評估；對于精度較高的外覆蓋件模具，模具彈性變形是影響外板零件尺寸和外觀精度的重要因素，優(yōu)化過程中還須保證模具的剛度；對于高強板或超高強板模具，由于零件的成形力大，模具零件容易開裂，對于受力區(qū)域原則上不進行減輕質(zhì)量優(yōu)化。

3 結(jié)束語

針對壓邊圈減輕孔設計，采用了ABAQUS軟件的tosca模塊對其進行了拓撲優(yōu)化分析，得到如下結(jié)論。

（1）在常規(guī)減輕質(zhì)量指標下，通過設置25%的移除體積量，其前幾次優(yōu)化的移除效率高，從移除的位置和形狀來看，主要為2個頂桿之間的區(qū)域，形狀為縱向長條形。

（2）在極限減輕質(zhì)量指標下，通過設置50%的移除體積，從計算結(jié)果可知，理論上除了頂桿-支撐筋-型面的沖壓受力線區(qū)域外，其他部位都可以進行相應的減輕質(zhì)量處理。

（3）指出了當前壓邊圈減輕孔開設存在不足，首先是橫向開設的長條孔和圓孔形狀不合理，其次圓孔不應該開設在頂桿軸線上，此外還存在孔距開設間距較大，減輕趨于保守的問題。