空調(diào)底板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與沖壓成形仿真

劉凱，成思源，李蘇洋，羅序利，楊雪榮

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

0 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，市場對(duì)空調(diào)的需求量越來越大，各大供應(yīng)商都參與了空調(diào)市場占有率的爭奪，使得空調(diào)的凈利潤越來越少。鈑金件是空調(diào)的主要支撐件，在空調(diào)零部件中占有很大比重。如何在保證鈑金件剛強(qiáng)度滿足使用要求的的情況下降低鈑金件的厚度，成為各大空調(diào)制造商急需解決的問題。

為降低空調(diào)鈑金件的厚度，又要使其剛強(qiáng)度滿足使用要求，通常需要對(duì)空調(diào)鈑金件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是近30年來發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化方法，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快設(shè)計(jì)速度。文中所用空調(diào)底板原始厚度為1.2 mm，為實(shí)現(xiàn)底板厚度減薄為1 mm 的目的，利用ANSYS Workbench 對(duì)底板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到新的底板模型，使減薄后的底板剛強(qiáng)度仍能滿足使用要求［1－3］。

為了進(jìn)一步判斷設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可制造性，需要將優(yōu)化后的空調(diào)底板進(jìn)行沖壓成形仿真。傳統(tǒng)的沖壓模具在設(shè)計(jì)和制造過程中需要反復(fù)的試模和修模，耗費(fèi)大量的人力物力，模具的開發(fā)周期較長。隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)的不斷成熟，利用有限元法對(duì)板料沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值仿真為模具設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù)。針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的空調(diào)底板，對(duì)其沖壓過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，根據(jù)初次模擬仿真的結(jié)果，通過調(diào)整其沖壓的工藝參數(shù)、增設(shè)拉延筋等方法以得到合理的沖壓方案［4－6］。

1 空調(diào)底板有限元分析

所用空調(diào)底板三維模型是在Pro/E 中建立，底板厚度為1 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在建模的過程中，相比于實(shí)體模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，不僅反映底板的實(shí)際受力，而且可以減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間。底板所用的材料為熱鍍鋅板DX52D，材料性能參數(shù)如表1所示。約束載荷的施加如圖1，在底板外部上下各有一根橫條起固定支撐作用，如圖中的兩個(gè)矩形區(qū)域，對(duì)其施加固定約束A。主要的載荷為一個(gè)壓縮機(jī)，一個(gè)電機(jī)。壓縮機(jī)有3 個(gè)支點(diǎn)，施加作用力大小F1= 100 N，如圖中載荷B，電機(jī)有兩個(gè)支點(diǎn)，施加作用力大小F2= 30 N，如圖中載荷C，設(shè)置好邊界條件后，添加底板的應(yīng)力、應(yīng)變作為分析結(jié)果，底板的剛度主要考察底板在y 向的形變，強(qiáng)度采用等效應(yīng)力進(jìn)行考察，設(shè)置好后對(duì)其進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

圖1 空調(diào)底板三維模型

表1 材料參數(shù)表

對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算后得到底板的應(yīng)力應(yīng)變圖。圖2 為1 mm 底板的y 向形變?cè)茍D，圖3 為底板的等效應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出空調(diào)底板的應(yīng)力最大處為38.7 MPa，強(qiáng)度方面滿足要求，y 向最大形變?yōu)?.112 mm，超出要求的薄壁底板靜態(tài)形變小于0.1t=0.1 ×1 = 0.1 mm(t 為板料厚度)的范圍，不能滿足使用的要求，故需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 優(yōu)化前底板的y 向形變圖

圖3 優(yōu)化前底板的等效應(yīng)力分布圖

2 底板結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化

在ANSYS Workbench Environment(以下簡稱AWE)下，可以很方便地把參數(shù)化CAD 模型導(dǎo)入到CAE 環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化分析，由優(yōu)化的結(jié)果確定最終設(shè)計(jì)方案。在AWE 環(huán)境下選中所需優(yōu)化參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，對(duì)模型劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件，并設(shè)置y向最大形變、最大等效應(yīng)力作為輸出參數(shù)進(jìn)行求解。

由圖2 分析可知，底板左邊承受壓縮機(jī)的區(qū)域變形最大，致使底板的剛度不足，故可將變形量最大區(qū)域的附近，進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的調(diào)整。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，文中選取的3 個(gè)參數(shù)如圖1 中所示的d1、α、d2，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，在Design Exploration 環(huán)境中設(shè)定輸入?yún)?shù)取值范圍如表2所示。

表2 優(yōu)化參數(shù)變化范圍

根據(jù)輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成15 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算得到15 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的輸出參數(shù)d3(y 向最大變形)、F(最大等效應(yīng)力)。然后經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算產(chǎn)生三組候選設(shè)計(jì)方案如表3，本案例選取A 種方案作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的解。

表3 候選設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的參數(shù)再經(jīng)過圓整，在Workbench 參數(shù)設(shè)置中輸入圓整后的參數(shù)并設(shè)置為當(dāng)前，用以同步驅(qū)動(dòng)Pro/E 中的模型，在Pro/E 中便可得到經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化并且參數(shù)圓整后的新的底板CAD 模型，在Workbench便可以查看相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。優(yōu)化后的底板y 向形變?nèi)鐖D4，應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后底板的y 向形變圖

圖5 優(yōu)化后底板的等效應(yīng)力分布圖

由圖4 可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的底板y 向形變?yōu)?.077 mm，小于0.1 mm，由圖5 知優(yōu)化后底板最大等效應(yīng)力為32.602 MPa，小于材料的屈服極限，優(yōu)化后的底板剛強(qiáng)度滿足要求。優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

表4 效果對(duì)比

3 優(yōu)化后底板的沖壓成形仿真

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的空調(diào)底板在剛強(qiáng)度上已經(jīng)能夠滿足要求，但在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)之前需用Dynaform 軟件對(duì)底板進(jìn)行沖壓成形仿真，分析是否存在由于底板結(jié)構(gòu)尺寸不合理從而導(dǎo)致的在沖壓成形過程中底板產(chǎn)生拉裂或嚴(yán)重起皺的現(xiàn)象?？紤]到該底板為盒形件，且底板成形質(zhì)量要求不高，因此主要考慮破裂與起皺缺陷，不考慮制件的回彈。

3.1 沖壓成形仿真的步驟

導(dǎo)入優(yōu)化后的IGES 格式空調(diào)底板幾何模型到Dynaform 中，采用Dynaform 的模面工程模塊，對(duì)模型進(jìn)行抽中面，填充中間孔，創(chuàng)建工藝補(bǔ)充面，劃分有限元網(wǎng)格等操作。定義好凹模、凸模、板料、壓邊圈，設(shè)置成形工藝參數(shù)之后便可以進(jìn)行求解計(jì)算。所建立的沖壓成形有限元模型如圖6。

圖6 沖壓成形有限元模型

設(shè)定沖壓成形的類型為單動(dòng)，有限元模型的邊界條件為:底板厚度1 mm;毛坯與模具間的接觸摩擦因數(shù)0.125;取單位壓邊力為2.5 MPa，通過壓邊圈壓邊有效面積的計(jì)算，設(shè)置的壓邊力大小250 kN;沖壓速度5 m/s。

3.2 模擬結(jié)果分析

進(jìn)行成形仿真計(jì)算后，通過后處理模塊觀察到的底板的成形極限圖如圖7。由圖可知，板料成形在安全范圍之內(nèi)，沒有破裂缺陷，但大部分區(qū)域拉延不足，除板料毛坯邊緣的部分區(qū)域起皺或者嚴(yán)重起皺外，制件底部靠近四邊壁的中間區(qū)域也有發(fā)生起皺或者嚴(yán)重起皺。板料厚度分布如圖8所示，板料的厚度最大減薄率為25.9%，最大增厚發(fā)生在底板四周的圓角處，因?yàn)閳A角處相比于其他區(qū)域進(jìn)料阻力更大一點(diǎn)。底板總體成形效果不好，需對(duì)其沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖7 成形極限圖

圖8 厚度分布圖

制件拉延不足，會(huì)造成底板的剛度不足。對(duì)于底板起皺，是由于無法有效地控制材料的流動(dòng)，造成底板壓縮失穩(wěn)產(chǎn)生的?？刂评硬蛔阋约捌鸢欁钣行У拇胧┚褪窃龃髩哼吜σ约霸鲈O(shè)拉延筋。鑒于底板四周圓角的底部厚度減薄率在還沒有設(shè)置拉延筋時(shí)已經(jīng)達(dá)到25.9%，考慮增大模型四周的工藝圓角。

3.3 工藝參數(shù)調(diào)整

在Pro/E 中修改底板的CAD 模型，使四周的工藝倒圓角半徑由原來的10 mm 增大為15 mm，重新建立空調(diào)底板的Dynaform 仿真模型。為控制起皺缺陷，將初始單位壓邊力增加為3.5 MPa，重新估算壓邊力大小為350 kN。根據(jù)制件沖壓成形的情況考慮設(shè)置拉延筋，拉延筋的設(shè)置一般由物理實(shí)驗(yàn)或工藝人員的經(jīng)驗(yàn)確定。在本案例的Dynaform 的仿真實(shí)驗(yàn)中，沒有直接設(shè)置拉延筋實(shí)體，而是采用設(shè)置等效拉延筋的方式。這主要是因?yàn)槔咏罱孛娉叽巛^小、結(jié)構(gòu)各異，為了較真實(shí)地反映拉延筋與板料的接觸匹配，必須在拉延筋上劃分非常細(xì)小的單元網(wǎng)格，其結(jié)果是使數(shù)值模擬的計(jì)算量大增。在板料拉伸模擬過程中，采用等效拉延筋代替拉延筋實(shí)體可以在不失精度的前提下大大降低計(jì)算時(shí)間［7－8］。結(jié)合拉延筋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為盡量減少制件的拉延不足區(qū)域，調(diào)整拉延筋位置與拉延阻力的大小，根據(jù)多次的仿真實(shí)驗(yàn)，本實(shí)例最終在制件的4 個(gè)圓角處以及4 條直邊外沿25 mm 處設(shè)置了拉延筋。

3.4 成形結(jié)果分析

對(duì)修改后的設(shè)計(jì)方案仿真得到的成形極限圖如圖9所示。

圖9 工藝參數(shù)調(diào)整后的成形極限圖

由圖可知板料有一塊較大的區(qū)域拉延不足，但考慮底板的外部會(huì)有兩塊矩形區(qū)域添加固定約束，而大塊灰色區(qū)域在底板的固定約束區(qū)域之外，屬于非承重區(qū)，不會(huì)影響制件的剛度。圖中板料毛坯的邊緣區(qū)域起皺比較嚴(yán)重，但在后續(xù)沖裁工序中將被裁掉，底部少部分的階梯區(qū)域有起皺，圓圈處顯示有星點(diǎn)的破裂，而零件的大部分面積都在安全區(qū)域。厚度分布圖如圖10所示。

圖10 工藝參數(shù)調(diào)整后的厚度分布圖

由圖可知成形后底板最薄的地方出現(xiàn)在四周圓角底部，厚度減薄率為29.9%，板料的拉伸減薄率小于30%，在可接受的范圍內(nèi)［9］，在板厚減薄為1 mm后，底板整體的成形質(zhì)量良好。

4 結(jié)論

以某空調(diào)底板為例，在底板厚度由1.2 mm 減薄到1 mm 的情況下，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成形制造的角度對(duì)制件的剛強(qiáng)度和沖壓工藝進(jìn)行了CAE 仿真分析，根據(jù)仿真分析的結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和沖壓工藝的改進(jìn)。

(1)在厚度減薄的情況下，通過Workbench 多目標(biāo)優(yōu)化的功能，使底板的剛強(qiáng)度仍能滿足要求。

(2)通過改變模型四周倒圓角半徑，調(diào)節(jié)壓邊力，增設(shè)拉延筋的方法調(diào)節(jié)進(jìn)料的阻力，以控制材料的局部流動(dòng)，使優(yōu)化后的底板成形仿真效果良好。

綜上所述，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，基于有限元法的數(shù)值仿真技術(shù)可以更有效地利用材料，降低產(chǎn)品的成本，避免在模具設(shè)計(jì)制造過程中反復(fù)的修模，從而大大縮短了模具設(shè)計(jì)制造的生產(chǎn)周期，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn):

［1］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［2］寧波，呂志軍，婁文斌.基于ANSYS Workbench 的堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(6):71－73.

［3］張琦，張帥，萬水平，等.大型臥式壓鑄機(jī)中板的結(jié)構(gòu)輕量化研究［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(5):9－14.

［4］楊立軍，孫榮創(chuàng).金屬薄板成形的有限元仿真技術(shù)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(6):104－106.

［5］李蘇洋，成思源，章爭榮，等.CAE 仿真技術(shù)在空調(diào)沖壓件的模具設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(9):55－57.

［6］王秀鳳，朗利輝.板料成形CAE 設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［7］徐炳坤，施法中.板料沖壓成形數(shù)值模擬中等效拉延筋模型的建立與實(shí)現(xiàn)［J］.鍛壓技術(shù)，2000(6):24－27.

［8］李金燕，傅建，彭必友，等.基于數(shù)值模擬的等效拉延筋設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2007(5):14－17.

［9］包向軍，蔣宏范，何丹農(nóng)，等.材料參數(shù)對(duì)汽車覆蓋件沖壓成形性能影響的數(shù)值模擬［J］.機(jī)械工程材料，2001，25(7):15－17.