CN111539145A - 一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模具设计领域，具体是涉及一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，包括以下步骤：使用结构分析非线性有限元程序对衣帽架模压成型的工艺进行过程数值模拟，获取凸凹模节点力信息；使用载荷映射方法构建凸凹模结构拓扑优化边界条件；使用有限元结构分析和优化软件进行凸凹模结构拓扑优化迭代求解；根据凸凹模结构拓扑优化的最终形貌，使用三维软件改进凸凹模的结构；本发明在满足模具结构刚度和强度的前提下，大幅度地降低了模具的重量，减少了生产成本。

Description

一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法

技术领域

本发明涉及模具设计领域，具体是涉及一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法。

背景技术

随着经济的增长，我国汽车行业快速发展，汽车保有量逐年提升，人们在追求靓丽的车身外形和澎湃动力的同时，越来越关注汽车的内饰质量，汽车内饰已成为衡量汽车档次的一个重要因素。经历几十年的高速发展，汽车内饰件已从最初为驾驶者和乘坐者提供一个基本的驾驶和乘车环境，逐步发展成为结合设计美学、人体工学，充满人性化的高附加值产品。汽车内饰开发已成为仅次于汽车车身开发的一项重要内容。

模压成型作为汽车内饰产品的主要成型工艺，有着广阔的应用前景。汽车衣帽架主体模压成型模具设计中，作为直接成型制品的部件，凸凹模设计至关重要，设计人员为确保凸凹模的刚度和强度，设计往往比较保守，留有较大安全余量，造成模具质量较大，不具有科学性。设计出的模具不仅要满足生产合格模压件的要求，还必须兼顾加工制造、压机吨位、能源消耗等因素，达到方便使用、降低成本的目标。

目前，模具轻量化设计等是模具优化的发展方向。结合以往设计经验，利用不断发展进步的CAE工具，在模具加工前，进行模具结构分析及优化设计，能够为模具设计提供科学指导。

例如，中国专利CN201810840439.3公开了一种优化模具母体尺寸的方法、***、装置及存储介质，该优化方法包括：获取模具母体的实际尺寸参数和冲压过程中模具母体与胚料的接触力，根据实际尺寸参数和接触力获取仿真模具的仿真尺寸参数，筛选符合预设条件的仿真尺寸参数，将仿真尺寸参数作为优化结果输出，在模具母体的变形量满足约束条件的情况下，通过对模具母体的尺寸进行优化，使得模具母体的体积最小，以此来降低模具母体的重量，同时通过优化算法提高模具的刚度，在拓扑结构固定不变工况条件下，使模具母体尺寸优化，实现轻量化。

目前，针对目前汽车内饰件模压成型模具经验化设计造成模具质量过重问题，本发明提出了一种针对于内饰件模压成型模具的轻量化优化方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，在满足模具结构刚度和强度的前提下，大幅度地降低了模具的重量，减少了生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，应用于优化衣帽架模压成型工艺的凸凹模，包括以下步骤：

步骤二、使用结构分析非线性有限元程序对衣帽架模压成型的工艺进行过程数值模拟，获取凸凹模节点力信息；

步骤三、使用载荷映射方法构建凸凹模结构拓扑优化边界条件；

步骤四、使用有限元结构分析和优化软件进行凸凹模结构拓扑优化迭代求解；

步骤五、根据凸凹模结构拓扑优化的最终形貌，使用三维软件改进凸凹模的结构。

优选的，在步骤二之前，还包括有以下步骤：

步骤一、设计模压成型凸凹模结构。

优选的，步骤一具体包括有以下步骤：

步骤1.1、通过实验和计算得出复合结构的平均收缩率；

步骤1.2、采用误差补偿的方式，对制品固化冷却的收缩率进行补偿计算。

优选的，步骤二中的过程数值模拟具体包括有以下步骤：

步骤2.1、进行网格划分、传热模型设置、接触与摩擦设置、沙漏控制、能量耗散控制、时间步长的控制；

步骤2.2、输入复合材料和步骤一中设定的凸、凹模参数；

步骤2.3、通过模拟计算，获取凸凹模节点力信息。

优选的，网格划分具体使用扫掠式网格划分，采用SOLID168单元划分网格。

优选的，复合材料采用shell163薄壳单元，片材网格为规则的四边形单元。

优选的，模拟计算采用Belytschko-Tsay算法。

优选的，步骤四具体包括有以下步骤：

步骤4.1、建立凸凹模的结构拓扑优化模型；

步骤4.2、拓扑优化凸凹模的结构。优选的，步骤4.2具体包括有以下步骤：

步骤4.2.1、设置优化变量；

步骤4.2.2、定义优化目标及约束条件；

步骤4.2.3、计算并得到拓扑优化结果。

优选的，步骤六具体包括有以下步骤：

步骤6.1、使用有限元结构分析和优化软件程序，导出通用模型文件，导入至三维软件中；

步骤6.2、利用三维软件对模具凸凹模结构进行反画，从而得到拓扑优化后的凹凸模结构。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明使用结构分析非线性有限元程序对汽车衣帽架主体模压成型过程进行模拟，得到在实际工况下的模具应力集中区域获得变形大的节点力信息，通过载荷映射作为模具拓扑优化的边界条件，然后建立了凹模和凸模固体各向同性材料惩罚模型材料插值优化数学模型，基于可变密度法采用有限元结构分析和优化软件对汽车衣帽架主体模压成型模具的凸凹模进行了轻量化设计，在满足模具结构刚度和强度的前提下，大幅度地降低了模具的重量，减少了生产成本。

图说明

图1为本发明的衣帽架俯视图；

图2为本发明的凹模立体图；

图3为本发明的凸模立体图；

图4为本发明的网格划分图；

图5为本发明的拓扑优化流程图；

图6为本发明的凸模位移计算结果图；

图7为本发明的凸模等效应力计算结果图；

图8为本发明的凹模位移计算结果图；

图9为本发明的凹模等效应力计算结果图；

图10为本发明的凸模拓扑形貌云图；

图11为本发明的凹模拓扑形貌云图；

图12为本发明的凸模优化后的立体图；

图13为本发明的凹模优化后的立体图；

图14为本发明的工作流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，应用于优化衣帽架模压成型工艺的凸凹模，包括以下步骤：

步骤一、设计模压成型凸凹模结构。

根据依据模具设计任务书，按照传统模具设计准则设计出模压成型凸凹模结构，具体的：首先，使用三维软件建立出如图1所示的汽车衣帽架的模型；然后，按其中心面进行分模，通过上、下各偏置半个壁厚得到如图2和3所示的凸凹模型面。

步骤二、使用结构分析非线性有限元程序(LS-DYNA有限元程序)对衣帽架模压成型的工艺进行过程数值模拟，获取凸凹模节点力信息；

步骤三、使用载荷映射方法构建凸凹模结构拓扑优化边界条件；

步骤四、使用有限元结构分析和优化软件(OptiStruct)进行凸凹模结构拓扑优化迭代求解；

步骤五、根据凸凹模结构拓扑优化的最终形貌，使用三维软件(CATIA)改进凸凹模的结构。

步骤一具体包括有以下步骤：

步骤1.1、通过实验和计算得出复合结构的平均收缩率；

步骤1.2、采用误差补偿的方式，对制品固化冷却的收缩率进行补偿计算。

复合材料会固化收缩，其固化成型期间或固化成型后制件尺寸会缩小，缩小的比例即为收缩率，为了避免制品固化冷却后其尺寸小于设计尺寸，在设计模具时，需要根据制品的收缩率对模具的形状进行补偿计算，使得制品固化成型收缩后其尺寸接近设计尺寸。

收缩率是复合材料制品的固有特性，它受到制件壁厚、成型工艺条件等因素的影响，基于工厂实际，以往收缩量的补偿值往往依靠经验来进行选取，难于精确确定收缩率的主要原因在于：

首先，材料供应商给出的各种材料的收缩率是一个范围，不是一个定值，因为，不同工厂生产的相同材料的收缩率不相同，即使是一个工厂生产的不同批次的同种材料的收缩率也会不一样；其次，汽车衣帽架主体是GMT片材和针刺PET面料复合成型，复合二层结构的收缩率无法精确估算。

所以我们采取试验的方式对制品的成型收缩率进行了测定，实验过程如下：

选用4.5mm厚玻纤含量在30％的GMT板材与1.5mm厚的针刺PET面料各20片，实验中，片材预热时间、保压时间、成型压力、合模速度均采用标准生产工艺参数。开模后，立刻测量所选定位点间距离，每片在长度和宽度方向上各测量一处，制品在室温下静置24h后，再次测量所选定位点，利用公式一最终计算得到GMT片材+针刺PET面料复合二层结构的平均收缩率为0.354％。

公式一：t＝70.9521+0.2318d-0.281T

t─适宜预热时间，min；

d─片材厚度，mm；

T─热空气温度，℃。

步骤二中的过程数值模拟具体包括有以下步骤：

步骤2.1、进行网格划分、传热模型设置、接触与摩擦设置、沙漏控制、能量耗散控制、时间步长的控制；

步骤2.2、输入复合材料和步骤一中设定的凸、凹模参数。

步骤2.3、通过模拟计算，获取凸凹模节点力信息。

步骤二中使用LS-DYNA有限元程序进行模拟计算，具体的：

1.进行网格划分。

2.进行传热模型设置，传热模型设置主要有辐射及空冷换热和接触传热两种传热方式，此处选择接触传热方式；

通过关键字CONTACT_FORMING_ONE_WAY_，SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL定义模压成型的接触方式，FORMING_ONE_WAY为专门用于成型的接触类型，使用罚函数算法对接触界面力进行计算；

由于LS-DYNA最初用于碰撞分析，若用于成型分析，则必须对缺省参数设置进行修改，此处修改罚函数刚度因子SLSFAC为0.1；

在模压成型过程中，模具与片材接触碰撞会产生摩擦，所以需要确定摩擦系数，摩擦力采用库仑模型计算，此处取平均摩擦系数为0.1。

3.进行沙漏控制，为保证计算结果有效，沙漏能与总能量之比应小于10％；另一方面，沙漏控制系数不能过大，当沙漏控制系数大于0.15时会导致计算不稳定，所以沙漏控制设置IHQ＝4，沙漏能系数设置为QH＝0.1；所述能量耗散控制是通过关键字*CONTROL_ENERGY来设置的，设置HGEN＝2，RWEN＝2,SLNTEN＝2,RYLEN＝2.

4.进行时间步长的控制，在LS-DYNA软件中，显式时间积分算法的收敛是有条件的，只有当时间步长Δt小于临界时间步长时才稳定，利用公式二和公式三进行计算：

公式二：

公式三：

Δt——单元的特征长度；

c——材料的声速；

——节点的速度；

在模压成型仿真中，当随着时间的推进，变形的增大，Δt会快速减小，显示积分算法发散造成仿真中断。为了不出现这种现象，可采用质量缩放技术，通过关键字*CONTROL_TIMESTEP设置一个时长数值Δt_sz在仿真中，若出现Δt＜t_sz，则程序会自动的增加结构材料的密度，而增大时间步长。此处取Δt_sz为0.0000025，时间步长缩放系数TSSFAC＝0.9，DTINIT＝0，由程序自行设定初始步长；经过软件运算得到模压成型过程中的数值模拟结果，从而得到模具在模压成型过程中的节点力信息。

网格划分具体使用扫掠式网格划分，采用SOLID168单元划分网格。

如图4所示，复合材料采用shell163薄壳单元，片材网格为规则的四边形单元。

该单元的优点是计算速度快。

模拟计算采用Belytschko-Tsay算法。

shell163薄壳单元具有11种不同的算法，此处采用Belytschko-Tsay算法，该算法的优点是计算速度快。

步骤三中使用载荷映射方法构建凸凹模结构拓扑优化边界条件，具体的：

首先确定材料，片材采用玻璃纤维含量为30％的PP基GMT复合材料，查阅相关资料输入GMT复合材料的力学性能参数和热力学性能参数，片材厚度按零件的实际厚度定义，凸凹模材料为45#钢；

然后确定工艺参数，设置凸模固定液压机下台面，凹模具在压力机带领下合模，模具成型压力设置为13MPA，上模与片材接触后的合模速度为8mm/s，片材初始温度为220℃。模具温度为40℃，冷却水道水温为20℃，保压时间80s；

接着通过软件运算，得出数值模拟结果，从模拟结果可以得到模具在模压成型过程中的节点力信息，从而通过载荷映射作为下一步拓扑优化的边界条件。

步骤四具体包括有以下步骤：

步骤4.1、建立凸凹模的结构拓扑优化模型；具体的：

如图5所示，首先通过对模具结构的分析，确定凸凹模优化设计区域，然后构建出模具凸凹模相应的拓扑优化数学模型，通过对建立的数学模型的迭代求解，得到凸凹模优化设计区域的材料最佳分布方式，使模具凸凹模在满足原有刚度和强度的前提下，达到材料最省、实现轻量化目的。

迭代求解的具体方法：

在模具凸凹模优化过程中，质量最小化问题可以等同为体积最小化问题。分析凸凹模真实工况并基于固体各向同性材料惩罚法(SIMP)，根据上节的模压成型数值模拟计算结果，以应力集中区域节点的最大位移作为约束条件，以材料单元密度为设计变量，以凸凹模结构的体积最小为优化目标构建SIMP优化模型，此处设定P值为3。

迭代求解的具体公式：

公式四：

公式五：

步骤4.2、拓扑优化凸凹模的结构。

步骤4.2具体包括有以下步骤：

步骤4.2.1、设置优化变量；

步骤4.2.2、定义优化目标及约束条件；

步骤4.2.3、计算并得到拓扑优化结果。

具体的，根据对模具凸凹模真实工况分析，基于步骤4.1中所构建的模具凸凹模的SIMP材料插值优化模型，运用OptiStruct进行求解。OptiStruct通过不同类型的信息卡来描述优化设计的三个要素。

1.设置优化变量；

在凸凹模拓扑优化中，优化后的单元密度越趋紧1，表明此处材料越重要，进行凸凹模结构再设计时，应保留；越趋向0，可根据对凸凹结构分析，确定是否保留。所以设计优化变量时需要选择设计区域与非设计区域。

2.定义优化目标及约束条件；

选择体积响应，定义目标函数最小化。通过汽车衣帽架主体模压成型过程数值模拟，我们可以获得在模压成型过程中模具的应力集中与变形大的结点号，并应用LS-Prepositi后处理得到其编号与随时间变化的位移数值，将其导出为txt文档，根据这些结果定义Hyperworks里的相应结点位移载荷，以便于对后续对模具的优化。

施加边界条件及确定优化区域，通过对模具结构的分析，优化设计中，凹模与凸模型面以及冷却水道的部位将保持不变，据此可以划分出设计区域与非设计区域，以上为边界条件。

3.试计算；

进行初步试计算，计算通过则这表明可以通过拓扑优化算法，通过不断的迭代计算这个过程，找到载荷传递的最佳路径，获得拓扑优化的最优解，从而获得凸凹模材料的最佳分配方式，计算结果如图6至9所示。

4.拓扑优化查看；

经过迭带计算可得到模具凹模与凸模的拓扑形貌结果，设置密度阈值为02，拓扑形貌云图如图10和图11所示。

步骤六具体包括有以下步骤：

步骤6.1、使用有限元结构分析和优化软件程序，导出通用模型文件，导入至三维软件中；

步骤6.2、利用三维软件对模具凸凹模结构进行反画，从而得到拓扑优化后的凹凸模结构。

通用模型文件为IGES通用CAD文件，对凸凹模结果进行优化后，其结果如图12和图13所示，得到了汽车衣帽架主体模压成型模具凸凹模结构再设计结果，通过CATIA体积测算，优化设计后的凸凹模可在满足工况强度和刚度的前提下，减重了15.6％。

本发明的工作原理：

如图14所示，首先根据模具设计任务书，按照现有的技术方法设计模具，通过原模具结构有限元网络模型进行片材模压成型的数值模拟，获取模具应变的节点信息后，通过载荷映射构建模具结构分析的边界条件，然后对原模具进行结构分析，明确模具结构设计改进区域，对模具结构进行拓扑优化，最后根据优化结果对模具进行二次设计，得到最终的模具结构。

Claims (10)

1.一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，应用于优化衣帽架模压成型工艺的凸凹模，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二、使用结构分析非线性有限元程序对衣帽架模压成型的工艺进行过程数值模拟，获取凸凹模节点力信息；

步骤三、使用载荷映射方法构建凸凹模结构拓扑优化边界条件；

步骤四、使用有限元结构分析和优化软件进行凸凹模结构拓扑优化迭代求解；

步骤五、根据凸凹模结构拓扑优化的最终形貌，使用三维软件改进凸凹模的结构。

2.根据权利要求1所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，在步骤二之前，还包括有以下步骤：

步骤一、设计模压成型凸凹模结构。

3.根据权利要求2所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，步骤一具体包括有以下步骤：

步骤1.1、通过实验和计算得出复合结构的平均收缩率；

步骤1.2、采用误差补偿的方式，对制品固化冷却的收缩率进行补偿计算。

4.根据权利要求1所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，步骤二中的过程数值模拟具体包括有以下步骤：

步骤2.1、进行网格划分、传热模型设置、接触与摩擦设置、沙漏控制、能量耗散控制、时间步长的控制；

步骤2.2、输入复合材料和步骤一中设定的凸、凹模参数；

步骤2.3、通过模拟计算，获取凸凹模节点力信息。

5.根据权利要求4所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，网格划分具体使用扫掠式网格划分，采用SOLID168单元划分网格。

6.根据权利要求4所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，复合材料采用shell163薄壳单元，片材网格为规则的四边形单元。

7.根据权利要求4所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，模拟计算采用Belytschko-Tsay算法。

8.根据权利要求1所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，步骤四具体包括有以下步骤：

步骤4.1、建立凸凹模的结构拓扑优化模型；

步骤4.2、拓扑优化凸凹模的结构。

9.根据权利要求8所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，步骤4.2具体包括有以下步骤：

步骤4.2.1、设置优化变量；

步骤4.2.2、定义优化目标及约束条件；

步骤4.2.3、计算并得到拓扑优化结果。

10.根据权利要求1所述的一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法，其特征在于，步骤六具体包括有以下步骤：

步骤6.1、使用有限元结构分析和优化软件程序，导出通用模型文件，导入至三维软件中；

步骤6.2、利用三维软件对模具凸凹模结构进行反画，从而得到拓扑优化后的凹凸模结构。

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