一種多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，1、根據模具母體以外的凸凹模結構要素，確定母體的優化區域；2、采用有限元分析方法對分離工序進行數值模擬，獲得沖壓過程中模具的受力；3、基于變密度法對模具母體結構進行拓撲優化，將步驟2中的模具受力作為力的邊界條件映射至拓撲優化有限元模型中，以模具結構允許變形為優化約束條件進行拓撲優化設計有限元模擬，選擇不同的單元密度值進行比較，根據最大優化效益指標確定優化結果；4、根據優化結果對模具母體進行設計并檢驗所設計的模具是否滿足變形約束條件。本發明能夠有效提高模具結構剛度，使沖壓件的質量更加穩定。同時，使模具達到輕量化的效果。
【專利說明】
一種多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法
技術領域
[0001] 本發明涉及機械工程塑性加工方法及模具領域，尤其涉及一種多工位級進模模具 母體結構拓撲優化方法。
【背景技術】
[0002] 模具母體是指工作零件（凸凹模、壓邊圈等)之外的結構。模具母體占模具總質量 的比率可達80%以上，傳統的模具母體結構設計主要是憑借經驗，缺乏科學理論指導。為了 保證模具結構的強度剛度，模具母體結構尺寸取值往往偏大，安全系數較大，但增加模具結 構體積并不一定能有效提高沖壓質量的穩定性，體積增大也會造成生產成本的提高，增加 沖床工作時的能源消耗。
[0003]尤其對于高精度多工位級進模，沖壓過程中模具結構產生的變形量對沖壓件的成 形質量會產生重要影響，對于精度要求高的工位，傳統模具結構不能保證其具有足夠的剛 度。較大的模具結構變形將會造成沖壓件質量不穩定，反復修模，延長模具的生產制造周 期。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種多工位級進模模具 母體結構拓撲優化方法。提高模具剛度及沖壓件沖壓質量的穩定性，降低模具結構變形對 沖壓件質量的影響，減少修模次數，減輕模具重量，縮短模具生產制造周期，降低加工成本。
[0005] 本發明通過下述技術方案實現：
[0006] -種多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟(1):根據模具母體以外的結構要素(包括凸凹模、叉車位、落料槽等），對模具 母體的優化區域進行設計，確定模具母體的優化區域；
[0008] 步驟(2):采用有限元分析方法對沖壓工序進行有限元模擬，獲得沖壓過程中模具 與坯料的接觸力，其中坯料設置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈等沖壓工具設置為剛性體； [0009]步驟(3):建立多工位級進模模具母體結構拓撲優化有限元模型，定義凸凹模、模 具母體等為彈性體，以接觸力作用點的線性位移(模具變形量)為響應，以優化區域的體積 最小化(最小化是指:在保證模具結構變形量在優化約束范圍內的前提下，使優化區域的材 料分布更加合理，無多余材料的存在，避免造成材料浪費，獲得滿足約束條件的最少材料分 布，即體積最小化)為優化目標，以結構變形的允許范圍為優化約束，以優化區域的單元密 度為優化變量，基于變密度法實現模具母體結構的拓撲優化；
[0010]步驟(4):根據拓撲優化結果獲得優化區域的單元密度云圖，通過計算最大優化效 益指標確定合適的密度值，根據優化結果設計模具母體結構，并對所設計的模具結構進行 變形約束條件檢驗。
[0011]上述步驟(4)，通過拓撲優化運算獲得模具母體的單元密度云圖，根據計算最大優 化效益指標選擇合理的密度值(通過拓撲優化運算可以獲得優化區域的單元密度云圖，不 同的密度值對應不同的材料分布，通過對比不同密度值對應的優化效益指標選擇密度值， 優化效益指標越大則表明該密度值對應的材料分布越趨于合理），確定優化結果，參考此時 的單元分布完成模具母體結構的設計。
[0012] 上述步驟（3)，建立拓撲優化有限元模型時需定義拓撲優化三要素，包括優化目 標、優化變量和優化約束;優化目標是滿足優化約束時，優化區域的材料合理分布、實現優 化區域的體積最小化;優化變量是優化區域的單元密度;優化約束即為模具結構的允許變 形量。
[0013] 上述步驟(2)，采用有限元分析方法(Dynaform)對拉深、彎曲等成形工序進行數值 模擬，在*. dyn(后處理文件)文件中增加*DATABASE_NCFORC語句(關鍵字文件），獲得模具與 坯料的接觸力;基于Def 〇rm-3D(有限元分析軟件)對沖孔、沖裁等分離工序進行數值模擬， 獲得沖壓過程中模具與坯料的接觸力文件(*.KEY)，其中坯料設置為彈塑性體，凸凹模、壓 邊圈等沖壓工具設置為剛性體;然后通過載荷映射將接觸力作為力的邊界條件加載至拓撲 優化有限元模型中。
[0014] 為了反映結構減重和結構剛度兩種因素之間的相互影響，在選定單元密度值時引 入優化效益指標公式，即：
[0016] 定義結構優化體積比V f r a。= V / V 〇，其中V 〇為模具原始結構設計空間的初始體積，V 為優化后結構的體積。優化體積比Vfra。則代表了結構減重情況，V fra。越小表示結構減重效果 越好。定義結構優化變形量比Sfrac； = S/So，其中So為原結構初始變形量，S為優化后結構的變 形量，Sfrac越小表示結構變形越小。優化效益指標OPT越大，表明優化所獲得的結構越合理。
[0017] 本發明相對于現有技術，具有如下的優點及效果：
[0018] (1)本發明是基于有限元數值模擬方法，可預先對級進模模具結構進行受力分析 和拓撲優化設計，能夠較為準確預測模具結構的彈性變形量。
[0019] (2)本發明采用的多工位級進模模具結構拓撲優化方法，能夠有效提高模具結構 剛度，減小模具結構彈性變形量，從而使沖壓件的質量更加穩定。同時，可以提高材料的利 用率，有效減小模具的體積和重量，達到輕量化的效果。
【附圖說明】
[0020] 圖1是級進模模具母體結構拓撲優化設計流程圖
[0021] 圖2是某多工位級進模下模可優化區域
[0022] 圖3是不同的單元密度值對應的優化效益值 [0023]圖4是優化后下模墊腳結構
[0024]圖5是某多工位級進模上模可優化區域
[0025] 圖6是優化后上模墊腳結構
[0026] 上圖中：1墊腳（可優化區域）；2下模模座；3下模墊腳;4上模墊腳可優化區域;5上 模模座;6上模墊腳
【具體實施方式】
[0027] 下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。
[0028] 如圖1至6所示。本發明公開了一種多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法。 [0029]圖1所示為多工位級進模模具母體結構拓撲優化設計的流程圖。
[0030] 主要分為以下步驟:1、根據模具母體以外的凸凹模等零件、叉車位、落料槽等結構 要素，確定母體的優化區域;2、采用有限元分析方法對拉深等成形工序、沖裁等分離工序進 行數值模擬，獲得沖壓過程中模具的受力，其中坯料設置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈等沖 壓工具設置為剛性體;3、基于變密度法對模具母體結構進行拓撲優化，設置凸凹模、模具母 體等為彈性體，將步驟2中的模具受力作為力的邊界條件映射至拓撲優化有限元模型中，以 模具結構允許變形為優化約束條件進行拓撲優化設計有限元模擬，選擇不同的單元密度值 進行比較，根據最大優化效益指標確定優化結果;4、根據優化結果對模具母體進行設計并 檢驗所設計的模具是否滿足變形約束條件。本發明能夠有效提高模具結構剛度，使沖壓件 的質量更加穩定。同時，使模具達到輕量化的效果。
[0031] 以下通過實施例舉例說明本發明多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法。
[0032] 1)下模模具母體結構拓撲優化
[0033] 采用本發明提出的多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，對該級進模下模模 具母體結構進行優化設計。首先是對母體可優化空間進行設計，如圖2所示，確定母體可優 化空間。然后，基于有限元法分別采用Dynaform、Defo;rm-3D對成形工序和分離工序進行數 值模擬，定義凸凹模、壓邊圈等沖壓工具為剛性體，坯料為彈塑性體，獲得各沖壓工序中模 具與板料的接觸力。然后，定義拓撲優化三要素:優化目標、優化變量、優化約束，以優化區 域的體積最小化為優化目標，以優化區域的單元密度為優化變量，以接觸力作用點的線性 位移(彈性變形量)為優化約束條件，即保證最大線性位移不超過某一限定值。在該實施例 中限定點的最大線性位移小于〇 . 1mm。在Hyperworks中建立模具母體結構拓撲優化有限元 模型，并將接觸力作為邊界條件映射至拓撲優化有限元模型上，通過迭代運算獲得拓撲優 化結果。優化變量（單元密度值）的變化區間是0~1，分別選擇單元密度值大于0.1、〇. 2、 0.3、0.4時的單元分布進行對比，并計算其對應的優化效益值，按照單元密度大于0.10、 0.20、0.30、0.40設計后結構的優化效益值分別為1.5608、1.5049、1.5322、1.4934，如圖3所 示。可見單元密度大于0.1時的優化效益指標最佳，因此，下模墊腳結構選取單元密度大于 〇. 10作為參考進行結構設計最為合理。
[0034] 圖4所示為按單元密度大于0.10進行設計的下模母體（即墊腳）結構，具有9條墊 腳。該套模具原先已按經驗進行設計，需要11條墊腳，即優化前后分別為11和9條墊腳。分別 對這兩種結構施加所需要的接觸力，得到優化前后的最大變形量分別為0.082mm和 0.077mm，均滿足最大變形小于0.1mm的變形約束條件，而且與優化前相比，優化后變形量減 小了6.1 %，重量減輕了 13.2%。
[0035] 2)上模模具母體結構拓撲優化
[0036]首先是對上模母體可優化空間進行設計，由于是上模，不存在落料槽及叉車位，因 此只要根據凸凹模的安裝需求，將不可優化區域確定并去除之后，便是模具母體可優化空 間，如圖5所示。然后按照上一實施例的步驟進行拓撲優化(優化約束仍為限定點的最大線 性位移小于0.1mm)，對比單元密度值大于0.10、0.20、0.30、0.40時的單元分布，并同樣通過 對優化效益指標進行計算，選取優化效益指標最佳的單元密度大于0.10的情況作為結構設 計的依據。
[0037] 圖6所示為按照單元密度大于0.10進行設計的下模母體(即墊腳)結構，具有8條墊 腳。該套模具原先已按經驗進行設計，需要11條墊腳，即優化前后分別為11和8條墊腳。分別 對這兩種結構施加所需要的接觸力，模擬計算得到優化前后的最大變形量基本相等，均滿 足變形約束條件，但與優化前相比，優化后的重量減輕了 26.6%。
[0038] 如上所述，便可較好地實現本發明。
[0039] 本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質 與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的 保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟（1):根據模具母體以外的結構要素，對模具母體的優化區域進行設計，確定模具 母體的優化區域； 步驟(2):采用有限元分析方法對沖壓工序進行有限元模擬，獲得沖壓過程中模具與坯 料的接觸力，其中坯料設置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈設置為剛性體； 步驟(3):建立多工位級進模模具母體結構拓撲優化有限元模型，定義凸凹模、模具母 體為彈性體，以接觸力作用點的線性位移為響應，以優化區域的體積為優化目標，以結構變 形的允許范圍為優化約束，以優化區域的單元密度為優化變量，基于變密度法實現模具母 體結構的拓撲優化； 步驟(4):根據拓撲優化結果獲得優化區域的單元密度云圖，通過計算最大優化效益指 標確定合適的密度值，根據優化結果設計模具母體結構，并對所設計的模具結構進行變形 約束條件檢驗。2. 根據權利要求1所述多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，其特征在于：步驟 (4)，通過拓撲優化運算獲得模具母體的單元密度云圖，根據計算最大優化效益指標選擇密 度值，確定優化結果，參考此時的單元分布完成模具母體結構的設計。3. 根據權利要求1所述多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，其特征在于：步驟 (3)，建立拓撲優化有限元模型時需定義拓撲優化三要素，包括優化目標、優化變量和優化 約束；優化目標是滿足優化約束時，優化區域的材料合理分布、實現優化區域的體積最小 化;優化變量是優化區域的單元密度;優化約束即為模具結構的允許變形量。4. 根據權利要求1所述多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，其特征在于：步驟 (2)，采用有限元軟件Dynaform、Defo;rm-3D分別對成形及分離工序進行數值模擬，通過在* .dyn文件中增加*DATABASE_NCFORC語句及*. KEY文件，獲得模具與坯料的接觸力；其中坯料 設置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈設置為剛性體;然后通過載荷映射將接觸力作為力的邊界 條件加載至拓撲優化有限元模型中。5. 根據權利要求2所述多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，其特征在于： 為了反映結構減重和結構剛度兩種因素之間的相互影響，在選定單元密度值時引入優 化效益指標公式，即：定義結構優化體積比Vfrac； = V/V()，其中Vo為模具原始結構設計空間的初始體積，V為優 化后結構的體積;優化體積比Vfra。則代表了結構減重情況，Vfra。越小表示結構減重效果越 好;定義結構優化變形量比S frac； = S/S()，其中So為原結構初始變形量，S為優化后結構的變形 量，Sfrac越小表示結構變形越小;優化效益指標OPT越大，表明優化所獲得的結構越合理。
【文檔編號】G06F17/50GK105893661SQ201610191125
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】夏琴香, 姚小春, 徐曉, 程秀全, 劉曉龍, 張得良, 郭鳴驥, 羅忠濤, 王二冬, 沈偉
【申請人】華南理工大學, 東莞市中泰模具股份有限公司