基于cae的拉延筋布置及几何参数优化设计.pdf

湘潭大学 硕士学位论文 基于CAE的拉延筋布置及几何参数优化设计 姓名：李海波 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：韩利芬 20070501 湘潭大学硕士学位论文 I 摘 要 随着大型薄板拉深成形件复杂程度的不断上升，拉延筋设计技术作为大型薄 板拉深成形的关键技术之一，越来越受到广大学者和工程师的重视目前，在大 型薄板拉深成形模具设计中，拉延筋的布置及几何参数等大多数仍凭经验来确 定，在模具调试阶段还需对拉延筋进行多次调整和打磨这将延长模具设计和制 造周期，导致产品制造成本上升为了有效地设置拉延筋，本文开展了拉延筋的 布置和几何参数优化设计方法的研究，以期达到缩短模具设计制造周期，提高产 品质量的目的 以方形盒为研究对象，开展了拉延筋的布置对板料成形质量的影响研究以 板厚的变差作为成形质量的评价标准，对方形盒直边及圆角处拉延筋的不同布置 形式和位置进行了数值仿真试验，研究了不同的布置形式对板料成形质量的影 响提出了有利于板料冲压成形的拉延筋布置策略这对于大型薄板拉深成形时 拉延筋布置形式的确定具有重要的指导意义 当拉延筋的布置形式和结构形式确定后，对拉延筋的调整基本上是通过改变 拉延筋的几何参数来实现的。

为了探寻合理的拉延筋几何参数确定方法，以 Numisheet’2005 汽车底盘横梁为一研究实例，综合运用响应面法、动力显示有限 元分析方法及正交试验设计方法，开展了拉延筋几何参数的优化设计研究先对 成形件的结构特征进行分类，根据成形件结构特征的类型，定性确定拉延筋设置 与否以及拉延筋几何参数大小，从而确定优化设计变量以整体评价函数来评价 成形件的成形质量，作为优化目标函数，建立优化数学模型运用正交试验设计 方法安排数值仿真试验方案，运用动力显式有限元法进行分析计算，继而运用响 应面法来建立设计变量与目标函数之间的对应关系，开展拉延筋几何参数的优化 设计将优化设计结果与该算例所提供的尺寸进行比较，结果表明该优化方法是 行之有效的 关键词：拉延筋；布置形式；几何参数；CAE；优化设计；板料成形质量；正交 试验设计 湘潭大学硕士学位论文 II ABSTRACT As the large sheet metal forming parts become more and more complicated, the design of drawbead, as a key measure to control the drawing is focused on by many scholars and engineers. At present, in the process of large sheet forming mould design, the determination of drawbead layout form and geometry parameter etc often base on experience. During the checkout of mould, it need too much adjustment and sanding. These will prolong the mould design and manufacture cycle. In order to design drawbead efficiently, this paper research the drawbead layout form and the geometry parameter optimum design. The goal is to shorten the design and manufacture cycle of mould and improve the quality of product. Using quadrate box as the research object, drawbead layout which notably affect the sheet forming quality is studied. Using the blank variation as the quality evaluation criterion, this paper changes the drawbead layout form and carried different numerical simulation experiences. The purpose is to study the effect of different drawbead layout form. Through this research, the favorable drawbead layout strategy is given. It is very important to guide the design of drawbead layout form in the large sheet forming process. After determining the drawbead layout form and the structure form, the major adjustment is to change the drawbead geometry parameters. In order to explore rational geometry parameter design method, a cross member panel which is a benchmark of Numisheet’2005 is used as the research object. this paper integrate response surface approach、dynamic explicit finite element analysis and orthogonal experiment design to optimize the geometry parameter of drawbead. Firstly, a series of typical drawing parts are arranged according to their structural feature. Then, according to the typical of structural feature, the geometry parameter of drawbead is qualitatively determined and the necessary to layout is studied. Secondly, synthesis evaluation function is used to evaluate the quality of forming parts. According to the structural feature of parts, this paper then determines the optimum design variable and object function. A optimum mathematic model is given. Thirdly, based on orthogonal experiment design and dynamic explicit finite element analysis, this paper uses response surface approach to optimize the geometry parameter of drawbead. Lastly, in order to prove this optimum method, the comparison between the optimum design result and the drawbead geometry parameter offered by the benchmark is carried. The results show that the optimum design is effective. Key words: drawbead; layout form; geometry parameter; CAE; optimization design; sheet metal forming quality; orthogonal experiment design 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权湘 潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 引言 拉延筋在大型薄板拉深成形过程中占有非常重要的地位这是由于在拉深成 形过程中，毛坯的成形需要一定大小且沿周边适当分布的拉力，这种拉力来自冲 压设备的作用力、法兰部分毛坯的变形抗力和压料面的作用力而压料面的作用 力只靠在压边力作用下模具和材料之间的摩擦力往往是不够的，需要在压料面上 设置能产生很大阻力的拉延筋以满足毛坯塑性变形和塑性流动的要求。

同时，利 用拉延筋可以在较大范围里控制变形区毛坯的变形大小和变形分布，抑制破裂、 起皱、回弹等多种拉深成形质量问题的产生可以说，在很多情况下，拉延筋设 置是否合理甚至决定着冲压成形的成败因此，拉延筋设计是大型薄板拉深成形 模具设计的关键技术 [1] 在拉深工艺设计时，工程师必须考虑是否需要布置拉延 筋、拉延筋布置形式以及几何参数怎样确定等问题 1.2 拉延筋的工作原理、作用及基本结构形式 1.2.1 拉延筋的工作原理 拉延筋作为一种改善成形性能的有效手段，其作用机理如图 1.1 所示 图中，Rb为凸筋圆角半径，Rg为凹筋圆角半径当板料流过拉延筋时，会在 A 点、 C 点、 E 点附近发生弯曲变形，在 B 点、 D 点、 F 点附近发生反弯曲变 形，反复的弯曲和反弯曲变形所产生的变形抗力即为拉延筋的变形阻力同时 , 当板料在 AB 、 CD 、 EF 段上滑动时 , 会因摩擦而产生摩擦阻力拉延筋的变 图 1.1 拉延筋作用机理示意图 压边圈 板料 拉延筋 凹模 E A F Rb BCD Rg 湘潭大学硕士学位论文 2 形阻力和摩擦阻力之和即为拉延筋阻力 1.2.2 拉延筋的作用 （ 1 ）增大进料阻力。

压料面上的毛坯在通过拉延筋时要经过多次弯曲与反 弯曲，使毛坯向凹模内流动的阻力大大增加，也使凹模内部的毛坯在较大的拉力 作用下产生较大的塑性变形，从而提高覆盖件的刚度和减少由于变形不足而产生 的回弹、松弛、扭曲、波纹及收缩等，防止拉深成形时悬空部位的起皱和畸变 （ 2 ）调节进料阻力的分布和大小通过改变压料面上不同部位拉延筋的参 数，可以改变不同部位的进料阻力的分布和大小，从而控制压料面上各部位材料 向凹模内流动的速度和进料量，调节拉深件各变形区的。