CN105893661A - 一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，1、根据模具母体以外的凸凹模结构要素，确定母体的优化区域；2、采用有限元分析方法对分离工序进行数值模拟，获得冲压过程中模具的受力；3、基于变密度法对模具母体结构进行拓扑优化，将步骤2中的模具受力作为力的边界条件映射至拓扑优化有限元模型中，以模具结构允许变形为优化约束条件进行拓扑优化设计有限元模拟，选择不同的单元密度值进行比较，根据最大优化效益指标确定优化结果；4、根据优化结果对模具母体进行设计并检验所设计的模具是否满足变形约束条件。本发明能够有效提高模具结构刚度，使冲压件的质量更加稳定。同时，使模具达到轻量化的效果。

Description

一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法

技术领域

本发明涉及机械工程塑性加工方法及模具领域，尤其涉及一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法。

背景技术

模具母体是指工作零件(凸凹模、压边圈等)之外的结构。模具母体占模具总质量的比率可达80％以上，传统的模具母体结构设计主要是凭借经验，缺乏科学理论指导。为了保证模具结构的强度刚度，模具母体结构尺寸取值往往偏大，安全系数较大，但增加模具结构体积并不一定能有效提高冲压质量的稳定性，体积增大也会造成生产成本的提高，增加冲床工作时的能源消耗。

尤其对于高精度多工位级进模，冲压过程中模具结构产生的变形量对冲压件的成形质量会产生重要影响，对于精度要求高的工位，传统模具结构不能保证其具有足够的刚度。较大的模具结构变形将会造成冲压件质量不稳定，反复修模，延长模具的生产制造周期。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法。提高模具刚度及冲压件冲压质量的稳定性，降低模具结构变形对冲压件质量的影响，减少修模次数，减轻模具重量，缩短模具生产制造周期，降低加工成本。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，包括如下步骤：

步骤(1)：根据模具母体以外的结构要素(包括凸凹模、叉车位、落料槽等)，对模具母体的优化区域进行设计，确定模具母体的优化区域；

步骤(2)：采用有限元分析方法对冲压工序进行有限元模拟，获得冲压过程中模具与坯料的接触力，其中坯料设置为弹塑性体，凸凹模、压边圈等冲压工具设置为刚性体；

步骤(3)：建立多工位级进模模具母体结构拓扑优化有限元模型，定义凸凹模、模具母体等为弹性体，以接触力作用点的线性位移(模具变形量)为响应，以优化区域的体积最小化(最小化是指：在保证模具结构变形量在优化约束范围内的前提下，使优化区域的材料分布更加合理，无多余材料的存在，避免造成材料浪费，获得满足约束条件的最少材料分布，即体积最小化)为优化目标，以结构变形的允许范围为优化约束，以优化区域的单元密度为优化变量，基于变密度法实现模具母体结构的拓扑优化；

步骤(4)：根据拓扑优化结果获得优化区域的单元密度云图，通过计算最大优化效益指标确定合适的密度值，根据优化结果设计模具母体结构，并对所设计的模具结构进行变形约束条件检验。

上述步骤(4)，通过拓扑优化运算获得模具母体的单元密度云图，根据计算最大优化效益指标选择合理的密度值(通过拓扑优化运算可以获得优化区域的单元密度云图，不同的密度值对应不同的材料分布，通过对比不同密度值对应的优化效益指标选择密度值，优化效益指标越大则表明该密度值对应的材料分布越趋于合理)，确定优化结果，参考此时的单元分布完成模具母体结构的设计。

上述步骤(3)，建立拓扑优化有限元模型时需定义拓扑优化三要素，包括优化目标、优化变量和优化约束；优化目标是满足优化约束时，优化区域的材料合理分布、实现优化区域的体积最小化；优化变量是优化区域的单元密度；优化约束即为模具结构的允许变形量。

上述步骤(2)，采用有限元分析方法(Dynaform)对拉深、弯曲等成形工序进行数值模拟，在*.dyn(后处理文件)文件中增加*DATABASE_NCFORC语句(关键字文件)，获得模具与坯料的接触力；基于Deform-3D(有限元分析软件)对冲孔、冲裁等分离工序进行数值模拟，获得冲压过程中模具与坯料的接触力文件(*.KEY)，其中坯料设置为弹塑性体，凸凹模、压边圈等冲压工具设置为刚性体；然后通过载荷映射将接触力作为力的边界条件加载至拓扑优化有限元模型中。

为了反映结构减重和结构刚度两种因素之间的相互影响，在选定单元密度值时引入优化效益指标公式，即：

$OPT=\frac{1}{V_{frac}\×S_{frac}}$

定义结构优化体积比V_frac＝V/V₀，其中V₀为模具原始结构设计空间的初始体积，V为优化后结构的体积。优化体积比V_frac则代表了结构减重情况，V_frac越小表示结构减重效果越好。定义结构优化变形量比S_frac＝S/S₀，其中S₀为原结构初始变形量，S为优化后结构的变形量，S_frac越小表示结构变形越小。优化效益指标OPT越大，表明优化所获得的结构越合理。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

(1)本发明是基于有限元数值模拟方法，可预先对级进模模具结构进行受力分析和拓扑优化设计，能够较为准确预测模具结构的弹性变形量。

(2)本发明采用的多工位级进模模具结构拓扑优化方法，能够有效提高模具结构刚度，减小模具结构弹性变形量，从而使冲压件的质量更加稳定。同时，可以提高材料的利用率，有效减小模具的体积和重量，达到轻量化的效果。

附图说明

图1是级进模模具母体结构拓扑优化设计流程图

图2是某多工位级进模下模可优化区域

图3是不同的单元密度值对应的优化效益值

图4是优化后下模垫脚结构

图5是某多工位级进模上模可优化区域

图6是优化后上模垫脚结构

上图中：1垫脚(可优化区域)；2下模模座；3下模垫脚；4上模垫脚可优化区域；5上模模座；6上模垫脚

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

如图1至6所示。本发明公开了一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法。

图1所示为多工位级进模模具母体结构拓扑优化设计的流程图。

主要分为以下步骤：1、根据模具母体以外的凸凹模等零件、叉车位、落料槽等结构要素，确定母体的优化区域；2、采用有限元分析方法对拉深等成形工序、冲裁等分离工序进行数值模拟，获得冲压过程中模具的受力，其中坯料设置为弹塑性体，凸凹模、压边圈等冲压工具设置为刚性体；3、基于变密度法对模具母体结构进行拓扑优化，设置凸凹模、模具母体等为弹性体，将步骤2中的模具受力作为力的边界条件映射至拓扑优化有限元模型中，以模具结构允许变形为优化约束条件进行拓扑优化设计有限元模拟，选择不同的单元密度值进行比较，根据最大优化效益指标确定优化结果；4、根据优化结果对模具母体进行设计并检验所设计的模具是否满足变形约束条件。本发明能够有效提高模具结构刚度，使冲压件的质量更加稳定。同时，使模具达到轻量化的效果。

以下通过实施例举例说明本发明多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法。

1)下模模具母体结构拓扑优化

采用本发明提出的多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，对该级进模下模模具母体结构进行优化设计。首先是对母体可优化空间进行设计，如图2所示，确定母体可优化空间。然后，基于有限元法分别采用Dynaform、Deform-3D对成形工序和分离工序进行数值模拟，定义凸凹模、压边圈等冲压工具为刚性体，坯料为弹塑性体，获得各冲压工序中模具与板料的接触力。然后，定义拓扑优化三要素：优化目标、优化变量、优化约束，以优化区域的体积最小化为优化目标，以优化区域的单元密度为优化变量，以接触力作用点的线性位移(弹性变形量)为优化约束条件，即保证最大线性位移不超过某一限定值。在该实施例中限定点的最大线性位移小于0.1mm。在Hyperworks中建立模具母体结构拓扑优化有限元模型，并将接触力作为边界条件映射至拓扑优化有限元模型上，通过迭代运算获得拓扑优化结果。优化变量(单元密度值)的变化区间是0～1，分别选择单元密度值大于0.1、0.2、0.3、0.4时的单元分布进行对比，并计算其对应的优化效益值，按照单元密度大于0.10、0.20、0.30、0.40设计后结构的优化效益值分别为1.5608、1.5049、1.5322、1.4934，如图3所示。可见单元密度大于0.1时的优化效益指标最佳，因此，下模垫脚结构选取单元密度大于0.10作为参考进行结构设计最为合理。

图4所示为按单元密度大于0.10进行设计的下模母体(即垫脚)结构，具有9条垫脚。该套模具原先已按经验进行设计，需要11条垫脚，即优化前后分别为11和9条垫脚。分别对这两种结构施加所需要的接触力，得到优化前后的最大变形量分别为0.082mm和0.077mm，均满足最大变形小于0.1mm的变形约束条件，而且与优化前相比，优化后变形量减小了6.1％，重量减轻了13.2％。

2)上模模具母体结构拓扑优化

首先是对上模母体可优化空间进行设计，由于是上模，不存在落料槽及叉车位，因此只要根据凸凹模的安装需求，将不可优化区域确定并去除之后，便是模具母体可优化空间，如图5所示。然后按照上一实施例的步骤进行拓扑优化(优化约束仍为限定点的最大线性位移小于0.1mm)，对比单元密度值大于0.10、0.20、0.30、0.40时的单元分布，并同样通过对优化效益指标进行计算，选取优化效益指标最佳的单元密度大于0.10的情况作为结构设计的依据。

图6所示为按照单元密度大于0.10进行设计的下模母体(即垫脚)结构，具有8条垫脚。该套模具原先已按经验进行设计，需要11条垫脚，即优化前后分别为11和8条垫脚。分别对这两种结构施加所需要的接触力，模拟计算得到优化前后的最大变形量基本相等，均满足变形约束条件，但与优化前相比，优化后的重量减轻了26.6％。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1)：根据模具母体以外的结构要素，对模具母体的优化区域进行设计，确定模具母体的优化区域；

步骤(2)：采用有限元分析方法对冲压工序进行有限元模拟，获得冲压过程中模具与坯料的接触力，其中坯料设置为弹塑性体，凸凹模、压边圈设置为刚性体；

步骤(3)：建立多工位级进模模具母体结构拓扑优化有限元模型，定义凸凹模、模具母体为弹性体，以接触力作用点的线性位移为响应，以优化区域的体积为优化目标，以结构变形的允许范围为优化约束，以优化区域的单元密度为优化变量，基于变密度法实现模具母体结构的拓扑优化；

步骤(4)：根据拓扑优化结果获得优化区域的单元密度云图，通过计算最大优化效益指标确定合适的密度值，根据优化结果设计模具母体结构，并对所设计的模具结构进行变形约束条件检验。

2.根据权利要求1所述多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤(4)，通过拓扑优化运算获得模具母体的单元密度云图，根据计算最大优化效益指标选择密度值，确定优化结果，参考此时的单元分布完成模具母体结构的设计。

3.根据权利要求1所述多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤(3)，建立拓扑优化有限元模型时需定义拓扑优化三要素，包括优化目标、优化变量和优化约束；优化目标是满足优化约束时，优化区域的材料合理分布、实现优化区域的体积最小化；优化变量是优化区域的单元密度；优化约束即为模具结构的允许变形量。

4.根据权利要求1所述多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤(2)，采用有限元软件Dynaform、Deform-3D分别对成形及分离工序进行数值模拟，通过在*.dyn文件中增加*DATABASE_NCFORC语句及*.KEY文件，获得模具与坯料的接触力；其中坯料设置为弹塑性体，凸凹模、压边圈设置为刚性体；然后通过载荷映射将接触力作为力的边界条件加载至拓扑优化有限元模型中。

5.根据权利要求2所述多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，其特征在于：

为了反映结构减重和结构刚度两种因素之间的相互影响，在选定单元密度值时引入优化效益指标公式，即：

$OPT=\frac{1}{V_{frac}\×S_{frac}}$

定义结构优化体积比V_frac＝V/V₀，其中V₀为模具原始结构设计空间的初始体积，V为优化后结构的体积；优化体积比V_frac则代表了结构减重情况，V_frac越小表示结构减重效果越好；定义结构优化变形量比S_frac＝S/S₀，其中S₀为原结构初始变形量，S为优化后结构的变形量，S_frac越小表示结构变形越小；优化效益指标OPT越大，表明优化所获得的结构越合理。