上海交通大学硕士学位论文 I高强钢冲压模具受力分析有限元模拟与实验研究 摘 要 近年来，随着人们对汽车减重和安全性能要求的不断提高，全球钢铁工业发起了超轻车身项目(ULSAB)和超轻车身- 高级车概念项目(ULSAB- AVC)，并广泛在车身上应用了高强度钢板，以实现汽车减重和提高汽车安全性能的目标。但高强钢在汽车工业广泛应用的同时，由于其高屈服强度、高抗拉强度，也给汽车覆盖件模具的设计和应用带来了一系列的问题，如模具破裂、模具磨损、模具变形以及模具重量增加等。因此，本文针对高强钢的冲压展开针对冲压模具受力分析的研究来获得冲压模具应变应力和弹性变形的分布情况。 研究方法为有限元数值模拟和实验相结合。 本文研究出一种新的有限元数值模拟方案， 即以板料成形为基础的模具受力分析有限元数值模拟方法，板料材料采用 DP600。首先使用动力显式积分有限元软件 LS- DYNA 进行冲压成形有限元模拟，提取每步模拟结果中的板料与模具之间的接触载荷；随后，在 HyperMesh 中用 8节点六面体网格建立模具实体有限元模型， 并将上述提取的载荷通过载荷映射算法施加在模具网格相应的节点上； 最后将带有载荷和其他边界条件的模具有限元模型导入 MSC.MARC，进行模具受力分析有限元数值模拟。 上海交通大学硕士学位论文 II本课题采用浅槽贴片法来测量冲压模具的受力，即在模具受力严重，或关键的区域切 3- 5mm 深的浅槽(不影响成形的前提下)，在槽内贴应变片的方法来测量模具应变，并计算该点的应力。在不与板料接触的模具表面可直接粘贴应变片。 通过模拟， 可以清晰的从后处理结果中查看模具在任何冲压时间段上应力、应变以及弹性变形的分布。也可以查看模具上任何一个单元节点的结果信息。文中对实验结果和模拟结果进行对比分析，得出结论是实验数据与模拟数据基本吻合。因此可以证明以板料成形模拟为基础的、 静力积分和动力积分两种算法相结合的数值模拟方法分析冲压模具的变形和应力分布是可信的，而且又兼顾了计算效率。 关键词：高强度钢板，冲压模具，有限元，模具受力，实验研究上海交通大学硕士学位论文 IIIREAEARCH OF FINITE ELEMENT MODELING & EXPERIMENT OF DIE STRUCTURE FOR HIGH- STRENGTH STEEL STAMPING ABSTRACT Recent years have seen many new developments in steel technology and manufacturing processes to build vehicles of reduced mass and increased safety with steel. The ULSAB (UltraLight Steel Auto Body) and ULSAB- AVC (Advanced Vehicle Concepts) programs, sponsored by the global steel industry, focused attention on advances in lightweight design concepts and on more extensive use of Advanced High- Strength Steel (AHSS). Along with the advantages of these newer steels came the serious problems to the design and manufacturing of automotive panel stamping die because of its high yield strength and tensile strength, such as die breakage and wear during the tryout and stamping operations, elastic and plastic deformation of die and press and the excessive weight of die. To solve the problems mentioned above, a new method of FEA for die structural analysis was developed to provide a math- tool to validate the design and guarantee the safety of die structure. In addition, a experiment of measuring the stress on the die during drawing process was used to validate the FEA results 上海交通大学硕士学位论文 IVIn this paper, FEA for die structural analysis was based on the FEA of sheet metal forming using DP600. Firstly, FEA for sheet metal forming was performed with LS- DYNA and the loads of every simulation step between the tool and blank were extracted from forming process for die structural analysis. Secondly, FE model of solid body of die in HyperMesh with Hex8 elements was created and then the loads extracted of each step were applied to the nodes of solid die surface using a loads mapping method. Finally, the FE model with the loads and other boundary condition was imported into MSC.MARC and the die structural analysis was performed. This integration of stamping forming and die structural analysis not only made the continuity of simulation available, but also resolved the issue of the calculation efficiency. Also, a strain- stress measurement system was developed in order to validate the results of die structural analysis by cutting several shallow grooves on the die surface on which strain gauges were stuck to measure the strain and stress. In FEA results, the distribution of strain, stress and elastic deformation on tools was clearly performed in every simulation step. Also the experimental results showed that they were in good correlation with FEA ones. 上海交通大学硕士学位论文 VKEY WORDS: high- strength steel, stamping die, finite element modeling, die structural analysis, experimental study 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：陈亮 日期： 年 月 日 上海交通大学 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。 本人授权上海交通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。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：陈亮 指导教师签名：陈军 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 1第一章 绪论 1.1 课题研究背景 1.1.1 高强钢在汽车生产中的应用 随着中国经济的持续发展，汽车在我们的日常生活中占有非常重要地位。在不断进行技术创新以降低汽车制造成本的同时，还要实现汽车与社会及自然环境的协调， 为此需要进一步研究提高燃料利用率和安全性的对策。汽车用薄板就是为适应市场的需求而发展起来的。最近，以减轻车体重量来降低燃耗和 CO2排放量，同时提高冲碰撞安全性能，已成为汽车工业最重要的课题之一。例如在安全方面，要满足 2004 年美国政府出台的安全标准；在环保方面，要满足2005 年出台的欧洲 EU4 标准，即每百公里油耗 3 公升1。 汽车平均重量的 70是钢铁，钢铁本身所具有的安全、环保特性决定了其在短时间内不会被其他材料所替代。制造商对车用钢材在力学性能、成形性能、耐腐蚀性能、疲劳性能、焊接性能、涂装性能等方面的要求越来越苛刻。与此同时，世界钢铁工业界认识到需要在提高燃料效率和改进安全性方面给予汽车制造厂帮助，同时要降低成本。因此，钢铁公司和汽车制造厂在开发新型钢和技术方面开始紧密合作。在1994 年由世界主要钢板生产厂组成的一个国际合作组织开始进行超轻钢汽车身(ULSAB)项目研究。该系列开发项目的最新阶段ULSAB-AVC(Ultra Light Steel Auto Body Advanced Vehicle Concepts)已经完成，并在 2002 年提供给全球的汽车制造厂。表 1-1展示了通过使用传统高强钢(HSS)和高级高强钢(AHSS)降低汽车重量， 提高安全性能的巨大潜力2。 该项目提出：开发新型轻型钢车体，该车型比现有的车型更安全、更节能、更有利于环境保护、成本不增加。基本目标是：在不增加成本的前提下，使汽车车身强度有大幅度提高， 静态弯曲刚度增加52%， 静态扭转刚度增加80%， 车体模量增加58% ，车重减轻 25%。为满足减轻车体重量和提高冲撞安全性能的需要，方法之一就是扩大上海交通大学硕士学位论文 2高强度钢板的使用。同时，钢板的高强度化促进了钢板的减薄，即轻量化3。 表 1-1 ULSAB 与传统汽车对比 Table 1-1 Comparison of ULSAB and traditional car Current Vehicle Averages ULSAB Mass(kg) 271