基于CAE分析的沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

冀冠一

摘 要：現(xiàn)在很多模型和物件的基本結(jié)構(gòu)都是沖壓件結(jié)構(gòu)，其設(shè)計方案還不夠完善，研究人員和技術(shù)人員在經(jīng)過多次實(shí)踐以后，對其進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，本文將以液晶電視的底板為研究對象，簡要敘述沖壓件形成過程，分析其中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程，并證明該設(shè)計的可行性，加工過程速率提高，值得學(xué)者和技術(shù)人員進(jìn)行深入的研究。

關(guān)鍵詞：CAE；優(yōu)化設(shè)計；沖壓；底板

中圖分類號：TG385.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0075-02

最初，我國的五金沖模技術(shù)主要是根據(jù)經(jīng)驗和一些前人的資料，結(jié)合所要制作出的沖壓件的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出其對應(yīng)的模具，技術(shù)人員根據(jù)其用途使用該模具，對不適宜的地方進(jìn)行修改，甚至對該磨具進(jìn)行重新設(shè)計，直到該模具滿足人們的需求，這既是對沖壓件質(zhì)量的保證，也是在一定程度上增加沖壓件的使用壽命，但是產(chǎn)品的制造成本較大?，F(xiàn)在計算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，被用于各個行業(yè)，將計算機(jī)技術(shù)用于沖壓件制造的過程，尤其是計算機(jī)輔助工程CAE，作為新型技術(shù)被廣泛使用，且其性價比高。沖壓模CAE技術(shù)是利用數(shù)值計算理論構(gòu)造其求解方法，模擬出實(shí)際成形中板材彎曲、拉伸、回彈過程，定量地給出成形過程的狀態(tài)參數(shù)。沖壓模CAE技術(shù)能夠在模具制成之前，根據(jù)壓力計的壓力情況，預(yù)測其成形情況，發(fā)現(xiàn)其中可能存在的問題，結(jié)合問題的成因，將其設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和完善。本文筆者以某一大型液晶電視（LCD）底板沖壓件為例，使用UG方法設(shè)計沖壓件的三維結(jié)構(gòu)，用Dynaform進(jìn)行有限元網(wǎng)格、定義邊界條件和載荷等前處理，再利用LS-DYNA求解器進(jìn)行分析，從而對沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)和對沖壓件的成形工藝可行性進(jìn)行驗證。

1 沖壓件成形工藝分析

沖壓件成型過程包含多個過程，其每個過程都至關(guān)重要，因此在沖壓件成形之前技術(shù)人員需要對其成型工藝進(jìn)行分析，本文筆者主要分析沖壓件產(chǎn)品特征、沖壓件成形有限元模型和經(jīng)驗法設(shè)計結(jié)果及對比三方面，從中明確出引入CAE分析，優(yōu)化沖壓件結(jié)構(gòu)的必要。

1.1 沖壓件產(chǎn)品特征分析

液晶電視的底板包括立柱、立柱支撐件、面板和底板四部分組成，這四個部件從上至下緊密銜接，因為液晶電視的平均質(zhì)量在20Kg左右，因此其底板需要能夠支撐起20Kg的重量，地板的四周分布有均勻排列的螺絲孔，并將其固定橡膠墊上，防止打滑情況，并支撐底座，立柱上的圓盤是與液晶面板接觸的平面，其下連有旋轉(zhuǎn)立柱，其設(shè)計是依據(jù)鈑金塑性成形原理，設(shè)計者發(fā)散其設(shè)計思維，兼具實(shí)用與藝術(shù)，并將其零件的機(jī)械性能、整機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到了很好的改善。

1.2 沖壓件成形有限元模型

底板沖壓件有限元模型包括凸模、胚料和凹模三部分，當(dāng)以SGCC為原材料時，該模型的壁厚為1.5mm，彈性模量為212000GPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為300MPa，其中磨具間隙為磨具壁厚的0.1倍，即0.15mm，工件接觸摩擦系數(shù)取0.1，根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行試驗，證明其可行性。當(dāng)使用其他原材料時，都有相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，這些技術(shù)參數(shù)都是經(jīng)過驗證的，具有很高的可行性，但是在后期發(fā)展中，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)衍生出很多其他模具的技術(shù)參數(shù)，完善模具，提高該產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度。

1.3 經(jīng)驗法設(shè)計結(jié)果及對比分析

筆者根據(jù)經(jīng)驗法設(shè)計出試沖樣件和有限元仿真得到的成形極限圖-FLD兩種產(chǎn)品，經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)兩款產(chǎn)品出現(xiàn)問題的區(qū)域幾乎一致，例如產(chǎn)品破裂的區(qū)域和產(chǎn)品翹曲的區(qū)域，這直接說明仿真產(chǎn)品與實(shí)際沖壓件產(chǎn)品在其結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和使用年限上是非常相似的，因此，沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計者如果在正式將涉及投入使用之前，引進(jìn)有限元仿真成形質(zhì)量結(jié)果分析，就可以避免殘次品大量出現(xiàn)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，使得產(chǎn)品更加快速、科學(xué)合理的進(jìn)入市場。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及對比分析

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)上述分析可以看出，仿真產(chǎn)品與實(shí)際沖壓件產(chǎn)品在其結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和使用年限上是非常接近，技術(shù)人員可以通過分析有限元仿真的實(shí)用性、瑕疵情況，尋找出沖壓件機(jī)構(gòu)設(shè)計中存在的不足，本文筆者通過對液晶電視底本沖壓件有限元仿真產(chǎn)品元件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該液晶電視底板結(jié)構(gòu)設(shè)計可以優(yōu)化以下幾點(diǎn)，一是增加破裂區(qū)的圓角，并且圓角采用變倒圓角的方式，隨著拉伸高度高的地方相應(yīng)地增加圓角半徑，增加其拉伸彈性；二是降低該底板結(jié)構(gòu)中頂面與底面間過渡區(qū)的坡度，且盡可能地使其拉伸深度大小一致，過渡均勻，減小過渡區(qū)的剛性強(qiáng)度，增加地板支撐重量；三是翹曲部分區(qū)域可通過壓邊加拉延筋等途徑改善等。這些優(yōu)化措施不僅僅適用于液晶電視的底板，對現(xiàn)在人們所需的沖壓件結(jié)構(gòu)有很大的幫助。

2.2 試驗結(jié)果對比分析

通過對液晶電視底板進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并得到其優(yōu)化后的有限元仿真結(jié)果-FLD圖，對該圖進(jìn)行分析，分析結(jié)果是能夠從該突出看出結(jié)構(gòu)變形區(qū)域多數(shù)集中在塑性變形較好的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)破裂的區(qū)域能夠通過后期修改和完善，將破裂區(qū)進(jìn)行修復(fù)，還有一部分區(qū)域需要使用壓邊工藝才能將其進(jìn)行修復(fù)或者改善。并且在實(shí)驗結(jié)構(gòu)對比分析階段，還可以繪制出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化后的CAE分析結(jié)果-厚度云圖，從該圖中可以確定整個沖壓件的厚度最低界限，但是也是根據(jù)材料而定，一般不能低于按原設(shè)計的50%。根據(jù)現(xiàn)有的模具可以分析出，在沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中引入CAE分析，能夠在一定程度上提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且提高產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的效率，這對于模具行業(yè)的發(fā)展有重要的意義。

3 結(jié)語

近些年，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)正在進(jìn)行調(diào)整，提倡降低資源浪費(fèi)，對于高消耗的模具行業(yè)這是一大挑戰(zhàn)，為了響應(yīng)國家號召，模具行業(yè)的技術(shù)人員積極尋找降低浪費(fèi)的辦法?，F(xiàn)在再沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入數(shù)值模擬技術(shù)，在產(chǎn)品開發(fā)初期和模具試用前預(yù)測出產(chǎn)品可能出現(xiàn)的問題，包括質(zhì)量問題和設(shè)計問題，在后期進(jìn)行改善，因此其為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和改善提供有力的指導(dǎo)，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)效率。從本文的描述可以看出，利用有限元仿真工具，對于產(chǎn)品開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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