冲压工艺论文

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冲压工艺论文范文第1篇

【论文摘要】：针对汽车覆盖件冲压的有限元模拟方面的具体问题进行了研究，采用弹塑性有限元的数值模拟及试验研究的方法，对汽车覆盖件拉延过程中的成形进行了研究。针对拉延模拟结果进行应力应变分析，寻找工艺参数的优化方案，改进的工艺方案使破裂情况明显改善。

由于冲压工艺具有生产效率高、质量稳定、成本低以及可加工复杂形状等一系列优点，在机械行业的应用非常广泛，占有十分重要的地位[1]。但是冲压模具的设计主要依据工程师长期积累的经验。对于复杂的成形工艺和模具，设计质量难以得到保证;一些关键性的设计参数要在模具制造出来之后，通过反复的调试、修改才能确定。这样就浪费了大量的人力、物力和时问[2-3]。随着有限元技术和计算机技术的发展，数值模拟已逐渐成为工艺分析及优化设计的有效工具。

1.有限元模型的建立和参数设定

一般汽车覆盖件工艺设计流程具体分析如下:(1)根据产品图及产品冲压工艺设计，进行详细的车身产品工艺性分析。为了实现拉延或创造良好的拉延条件，必须合理考虑冲压方向、工艺补充部分形状以及压料面形式、拉延筋布置等重要工艺因素。其中包括利用计算机进行的工艺补充面三维设计。(2)在满足产品使用的前提下，将过剩的质量要求及时反馈给产品设计部门，进行研讨，力争把产品完善到最简单、最合理的工艺要求，以克服产品的过剩质量，减少不必要的工装投入。(3)利用计算机进行车身产品的冲压工艺性分析，进行图面形状的分析探讨和尺寸公差的分析研究，在充分理解、把握产品使用性能要求的前提下，考虑用户使用和维修，利用塑性加工原理、冲压工艺知识和模具设计结构的有关知识，设计冲压工艺过程图。在设计过程中，同时要分析冲压工艺方案，发现不足之处，进行必要的修正。(4)模具设计人员按照冲压工艺过程图的基本要求进行模具设计，模具CAD设计包括上、下模座，工作部分零件，导向部件，定位零件和进出料装置等设计。数控编程和模型人员按照冲压工艺过程图和模具图进行数控编程和模型制造，最后按照冲压工艺过程模具图要求进行机械加工和模具装配调试，最终调试出合格的产品。

选用某轿车内部地板零件产品图，此零件是一个比较复杂的中小型车身结构件。由于零件拉延深度深，并且具有局部反拉延，因此成形过程估计会出现问题，为了验证问题所在我们利用CAE软件进行模拟成形计算。对于复杂冲压零件的成形过程，不但同一时刻不同位置的板坯所承受的变形方式和变形程度不同，而且不同时刻同一位置的板坯所承受的变形方式和变形程度也不同;另外，冲压工艺边界条件的设定对变形路径和各部分的变形程度的影响也非常明显。

一般划分网格时，首先建立一个拓扑结构模型。这一步骤是连接分离的型面，使你可以在网格划分的时候得到连续的网格(两个相连的元素在分界线之问共同享用相同的节点)。系统能通过你所定义的公差自动辨认普通表面之问的分界线，以建立我们所说的拓扑模型。建立好拓扑结构以后，应定义网格划分的参数，并进行网格的自动划分。一般情况下要求用户最少确定四个参数，包括最小元素大小，最大元素大小，两个相连的元素之问的法向夹角，网格的弦高。最小元素的大小影响着网格划分中最小元素的尺寸。当模型的型面比较平坦时它最大元素的大小则受最大元素参数的影响。两个相连的元素之问的法向夹角所起的作用是规定了两个相连元素之问的最大法向夹角，即当两个元素的夹角大于用户给定的值时，这两个元素会分裂为更多的元素，故它影响着倒角和小圆角部分的网格密度，它的值越小网格则越密。例如:一般我们在划分模具网格时，它的拉延圆角最好有五行元素，这时调整法向夹角的参数就可以达到目的。弦高的大小则影响着大网格半径表面上的网格密度，它的值越大，则网格越少。在汽车覆盖件模拟中，板料数据一般都是曲线，因此板料的网格划分与模具的划分不一样。

根据实际需要确定板料特性，应力应变关系=537(0.0102+)0.23MPa，法向各项异性系数为1.8。其他参数如下:扬氏模量2.07E+5MPa;屈服极限210MPa;泊松比0.28;板材厚度0.8mm;板料质量密度7.83E-9;r0=1.87,r45=1.27,r90=2.17。由于摩擦系数必须有实验得出，特别是几种常用材料在工业生产中的实际摩擦系数。考虑到汽车覆盖件生产厂家和模具生产厂家的实际，一般不考虑使用油，在拉延前要使用清洁防锈油清理兼。因此我们必须通过试验来得出在几种不同条件下的摩擦系数，例如干摩擦和加清洁防锈油后的摩擦。还有就是拉延筋的拉延阻力在不同形状拉延筋情况下的取值。测定为此我们设计了覆盖件模具的摩擦系数和实际拉延筋拉延阻力的测定的试验，详细试验结果在第六章中。摩擦系数根据测量结果给定0.175,拉延筋选取单圆筋，拉延阻力为0.178KN/mm。

2.汽车覆盖件冲压的有限元模拟结果分析

经过计算后，板料的FLD如图2所示。在FLD图中，红色表示破裂，粉红色表示起皱，而在应变云图中红色表示正应变，深蓝表示副应变。从FLD图中我们可以看出四处破裂，分别是大鼓包处，凹坑底部，最下方的小鼓包处，右上方的直壁处。通过主应变和次应变云图可以看出在突起的鼓包顶端处为双向拉应变发生破裂，并目_从板料轮廓的变化发现在有拉延筋的地方板料儿乎没有流动，形成过度胀形，凹坑底部破裂处也同样出现胀形过度问题。而模具拉延直壁处的破裂却是不同形式的，该处的主应变为拉应变，次应变为压应变，为明显的拉深破裂状态。之所以只有这个直壁角破裂是因为这个角离大鼓包最近，并且通过成形过程的模拟我们发现这个直角壁首先成形，从而在凹坑成形前破裂。其它四个角由于拉延高度低并且没有复杂的凸凹变形，都有足够的板料流动量，板料的流动情况良好，所以没有破裂。

3.汽车覆盖件冲压工艺改进方案

在去掉拉延筋，变化压边力后还是无法缓解，于是决定改变模型，我们把拉延直壁消除降低了模具拉延高度;把型面中那一个接近大直角型面过渡改为一个小缓坡，减缓了陡峭程度;由于模具进料困难，所以去掉拉延筋，然后设定压边力为400KN,摩擦系数为0.12，进行模拟后如图4所示。可以看出与未改前的情况有很大的不同，破裂情况明显改善，尤其是右上角直壁处的破裂变得很小，这是由于降低了它的拉延高度。

4.结论

世界上每年的钢材有半数以上被轧制成板料和管料。金属板、管的成形和加工在航空、航天、汽车、船舶及许多民用工业中都占有相当重的比例。因此，提高相应的成形技术和制造水平是一个具有普遍意义的大课题。因此，文章在汽车覆盖件数值模拟和试验研究的基础上，采用有限元的数值模拟及试验研究的方法，对汽车覆盖件拉延过程中的成形进行了数值模拟和试验研究。

参考文献

[1]李东升,黄小明,胡世光.汽车覆盖件拉延筋的单元模拟试验研究[D].北京航空航天大学学报，1995.21(2):67-71.

冲压工艺论文范文第2篇

【关键词】冲压模具设计；机械运动；控制；灵活运用

【Abstract】Be stamping process middle , mechanical movement transfixion all the time. Various stamping handicraft realization all has it's basic to move mechanism , that this moves is closely related to the mould , that various mould physical design composes in reply Mechanics design all is for satisfied it's the request being able to realize specially appointed motion ultimately. The mould being able to accomplish realization strictly or not designing that stamps required motion of handicraft , has direct impact to the quality arriving at the stamping document , controls therefore answering mechanical movement in design for die and mould being in progress. Demand at the same time for reaching the product form dimension's , not being able to rigidly adhere to or be confined to various fundamental handicraft motion pattern middle, but to respond to uninterrupted growth and be innovative , direct on mechanical movement flexible application in design for die and mould.

【Key words】Stamp design for die and mould; Mechanical movement; Under the control of; Flexible application

【中图分类号】G610 【文章标识码】B 【文章编号】1326-3587（2012）01-0058-01

一、引言

本论文是以冲压工艺学基本理论为依据，通过对各种冲压工艺基本运动的分析，提出了对冲压模具设计的要求。首先阐述冲压过程中，机械运动的基本概念，然后逐项分析了冲裁、弯曲、拉深工艺的基本运动机理，指出模具设计中应着重控制到的内容，并介绍了在模具设计中对机械运动灵活运用的方法和一些实例。最后总结了根据具体情况进行产品工艺运动分析的方法，并强调在模具设计中，对机械运动的控制和灵活运用对提高设计水平和保证冲压件品质的重要意义。

二、冲压过程中机械运动的概述：中国塑料模具网

冷冲压就是将各种不同规格的板料或坯料，利用模具和冲压设备（压力机，又名冲床）对其施加压力，使之产生变形或分离，获得一定形状、尺寸和性能的零件。一般生产都是采用立式冲床，因而决定了冲压过程的主运动是上下运动，另外，还有模具与板料和模具中各结构件之间的各种相互运动。

机械运动可分为滑动、转动和滚动等三种基本运动形式，在冲压过程中都存在，但是各种运动形式的特点不同，对冲压的影响也各不相同。

既然冲压过程存在如此多样的运动，在冲压模具设计中就应该对各种运动进行严格控制，以达到模具设计的要求；同时，在设计中还应当根据具体情况，灵活运用各种机械运动，以达到产品的要求。

冲压过程的主运动是上下运动，但是在模具中设计斜楔结构、转销结构、滚轴结构和旋切结构等，可以相应把主运动转化为水平运动、模具中的转动和模具中的滚动。在模具设计中这些特殊结构是比较复杂和困难，成本也较高，但是为了达到产品的形状、尺寸要求，却不失为一种有效的解决方法。

三、冲裁模具中机械运动的控制和运用

冲裁工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压牢，凸模下降至与板料接触并继续下降进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动导致板料分离，然后凸、凹模分开，卸料板把工件或废料从凸模上推落，完成冲裁运动。卸料板的运动是非常关键的，为了保证冲裁的质量，必须控制卸料板的运动，一定要让它先于凸模与板料接触，并且压料力要足够，否则冲裁件切断面质量差，尺寸精度低，平面度不良，甚至模具寿命减少。

按通常的方法设计落料冲孔模具，往往冲压后工件与废料边难以分开。在不影响工件质量的前提下，可以采用在凸凹模卸料板上增加一些凸出的限位块，以使落料冲孔运动完成后，凹模卸料板先把工件从凹模中推出，然后凸凹模卸料板再把废料也从凸凹模上推落，这样一来，工件与废料也就自然分开了。

对于一些有局部凸起的较大的冲压件，可以在落料冲孔模的凹模卸料板上增加压型凸模，同时施加足够的弹簧力，以保证卸料板上压型凸模与板料接触时先使材料变形达到压型目的，再继续落料冲孔运动，往往可以减少一个工步的模具，降低成本。

有些冲孔模具的冲孔数量很多，需要很大冲压力，对冲压生产不利，甚至无足够吨位的冲床，有一个简单的方法，是采用不同长度的2～4批冲头，在冲压时让冲孔运动分时进行，可以有效地减小冲裁力。

对那些在弯曲面上有位置精度要求高的孔（例如对侧弯曲上两孔的同心度等）的冲压件，如果先冲孔再弯曲是很难达到孔位要求的，必须设计斜楔结构，在弯曲后再冲孔，利用水平方向的冲孔运动可以达到目的。对那些翻边、拉深高度要求较严需要做修边工序的，也可以采用类似的结构设计。

四、弯曲模具中机械运动的控制和运用

弯曲工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压死，凸模下降至与板料接触，并继续下降进入凹模，凸、凹模及板料产生相对运动，导致板料变形折弯，然后凸、凹模分开，弯曲凹模上的顶杆（或滑块）把弯曲边推出，完成弯曲运动。卸料板及顶杆的运动是非常关键的，为了保证弯曲的质量或生产效率，必须首先控制卸料板的运动，让它先于凸模与板料接触，并且压料力一定要足够，否则弯曲件尺寸精度差，平面度不良；其次，应确保顶杆力足够，以使它顺利地把弯曲件推出，否则弯曲件变形，生产效率低。对于精度要求较高的弯曲件，应特别注意一点，最好在弯曲运动中，要有一个运动死点，即所有相关结构件能够碰死。

冲压工艺论文范文第3篇

关键词：产品设计；教学；行业；探索

工业设计的核心是产品设计，产品设计的教学时主要考虑设计三要素：产品功能、工艺性和形态美学。在此三要素中，学校重点培养的是学生的造型设计能力，即形态美，导致学生对产品功能及工艺知识知之甚少，和企业实际需求间存在一定的错位。因此，以手机行业为背景，从企业生产实践出发、对产品设计课程理论教学和实践教学进行了有意探索。

1企业对产品设计人才的具体要求

作为高校教师，经常看到毕业生在双选会上找到对口的工作的同时，学生明显缺乏胜任岗位的信心。虽然，学生在校期间成绩较为优秀，但是实践能力欠缺，面对用人单位的专业且接地气的面试问题，经常显得无所适从。其主要原因在于核心课程产品设计教学和企业需求之间出现了错位。产品设计首先要考虑的是产品的功能，产品只有具有一定的功能，才是其得以存在的价值基础，而产品功能的实现，必须依赖于一定的零部件单元，产品零部件单位在三维空间中的大小及布局是产品设计必须考虑的核心问题，也是对形式追随功能的有力解释；其次是产品功能实现的工艺性，即材料、结构、工艺等内在生产要素可行性；最后考虑的是产品美的形态，形态的考虑必须要考虑实现产品功能的零部件单元大小及布局对外观造型的影响。在于工业设计作为应用型为主的专业，应该强调设计实践，重理论、轻实践(或理论与实践脱节)的设计教育定位难以满足市场的要求。[1]据调查，现在国内高校工业设计专业培养计划中开设产品设计课程的高校很多，但是仅限于一般的产品设计流程，虽有工艺知识的讲解，但是讲解内容过于简单，且和企业实际有一定的偏差。虽然有模具设计课程学习，对产品成型技术有一定的了解。但是，学生毕业时一般不懂产品内部结构的组成，更谈不上结构工艺上的实现，设计的产品造型往往不易制造，甚至根本没有考虑生产工艺要求，导致无法生产制造。因此工业设计专业产品设计课程教学应结合企业需求，在培养学生审美能力的同时，重点培养学生工程设计相关内容的教学，使学生在产品功能单元布局合理的情况下，实现产品外观造型及内部结构设计。从而缩小理论与实践的差距，推进产教融合。

2产品设计课程教学的探索

设计必须基于一定的行业背景，不同的行业有不用的设计标准，并结合设计材料有产品结构设计的推荐值。本文结合工业设计专业学生就业方向：产品设计、平面设计、环境设计及设计管理。主要以产品设计中小型产品（手机行业）为背景，进行了产品设计课程理论和时间教学的有益探索。

2.1产品设计课程理论教学探索

产品设计核心课程，表达了对设计问题多样性、复杂性的关注并促使教学情境作出适时改变。[2]以手机行业产品设计为例，塑料零部件居多，钣金件较少。因此，在产品设计课程的理论教学过程中工程设计的内容应补充加强：手机堆叠2D布局、常见LCDLENS规格参数、前盖、后盖、按键设计、DOME设计、电池盖设计、电池盖按键设计、天线设计、耳机插孔设计、speaker设计、microphone设计及装配结构等。（1）零部件的堆叠：针对手机产品设计，首先要对实现产品功能的所有零部件进行有效合理的布局。在Pro/Engineer三维参数化工程设计软件中，有强大的产品零部件布局功能，能够在设计之初保证所有功能实现的零部件单元进行合理的布局。（2）结构及工艺：钣金件主要为冲压工艺完成产品结构的设计。塑胶件的设计，主要是结合手机制造过程中常见生产加工工艺（如注塑工艺）对诸所涉及的产品零部件的壁厚、拔模角度、圆角、凸台、加强筋、装配柱、嵌件、螺纹、表面装饰花纹及图文标识、卡钩、卡扣、止口、链接等结构依据行业标准规范及推荐值进行详细的产品结构设计。（3）掌握常见的表面处理方式如真空电镀、丝印、移印、化学腐蚀、喷砂、抛光、拉丝、滴胶、激光焊接、电泳涂装、镭雕、镶钻、阳极氧化及高光切削等原理及加工后效果。

2.2产品设计课程实践教学探索

（1）案例式教学。鉴于学生基于手机行业背景的产品设计基础理论知识薄弱，实践能力不强的特点，宜采用深入浅出、通俗易懂的“案例教学法”。所谓案例教学是指把案例引入课堂环节，以手机产品设计实践案例的形式让学生进行设计实践，引导学生综合运用所学的理论知识，去分析解决产品设计过程中实际问题能力的一种教学方法。案例教学将部分真实设计案例引入课堂，使学生在一段相对短的时间内，亲历手机产品设计所有过程，通过实践、视频结合的方式实际、生动，富有吸引力和启发性，从而能有效地提高学生运用所学理论和知识分析、解决实际问题的能力。（2）深入企业进行设计实践。工业设计本身是一门实践性很强的学科，早在包豪斯的教学体系中就明确提出了“干中学”的教学方法，通过实践活动来培养学生发现和解决问题的能力。[3]深入企业进行设计实践，其对象不仅是学生，课程教学老师也可以参与其中。今年我院毕业年级学生深入重庆小康动力有限公司进行设计实践，在学校老师和企业导师的指导下完成毕业设计论文。学校鼓励教师进行行业背景培训，我院工业设计专业三名老师赴四川长虹电器有限公司进行为期连个月的企业实践锻炼。通过企业间建立有效的沟通交流实践平台在提升老师实践教学水平的同时，对专业学生结合企业实际需要，发现问题、分析问题解决问题的能力也得到了有效的提升。

3结论

在分析了目前工业设计专业产品设计课程教学中存在的不足和人才培养与企业实践之间的偏差后，提出了工科工业设计专业产品设计课程教学的基本想法。因院校不同、办学层次、办学条件、专业方向不同，在此，对于工业设计专业产品设计课程教学进行了有益的探索希望能起到抛砖引玉的作用，给同行提供必要的参考。

作者:田朋飞 单位:攀枝花学院

参考文献:

[1]严波，严春妍，丁治中，等.产品设计课程群实验教学方法与手段的改革[J].实验室研究与探索，2012（5）：128.

冲压工艺论文范文第4篇

一、高校材料类本科专业人才培养现状

目前，我国本科教育，特别是地方高校教育普遍存在的问题是严重缺乏创新意识和创新能力，难以适应快速发展的人才市场需求。一方面，在实际教育过程中，学校注重理论教育，轻视实践操作技能培训，只满足在现有知识的记忆和再现，不能使用知识大胆创新探索。另一方面，学生毕业后进入社会，在面对不断变化的科学技术和先进的生产手段的实际工作中遇到的创新主题，从自己的知识储备的质量和能力方面，似乎严重不足。近年来，材料科学与工程教育改革在中国发展迅速，许多高等院校材料从人才培养模式、课程体系、教学内容、实验教学体系和教学方法等许多方面进行了大胆的改革和创新。材料科学与工程一级学科，在淡化专业个性教育模式的基础上，构建“大学科”主题共用知识，培养面宽，在高质量研究型人才培养方面取得了一些好的经验和成果。对于“985工程”和“211工程”院校可能很适合，但对于生源差和科研实力不高的地方高校而言，不能盲目地复制其他重点大学的改革模式。

二、地方性高校金属材料工程专业培养模式

1.地方性高校金属材料工程专业定位。金属材料工程是工业经济发展的重要支柱，在航空航天工业、能源化工领域、国防军工方面、冶金机电行业均发挥着相当重要的推动作用。如何依托地方，为地方工业经济发展培养具有金属材料工程专业背景知识的应用型创新人才，是目前国内高校金属材料工程专业建设面临的重大课题。地方本科院校金属材料工程专业人才培养应基于地域化目标定位，结合自身资源条件和区域工业经济发展对人才的需求状况，构建金属材料工程本科专业人才的培养体系，并通过突出地方特色培养金属材料工程专业人才的核心竞争力。根据江西省新材料产业和工程技术发展的实际需要，为江西省材料产业和工程技术发展储备工程技术人才；同时增进学校与政府、与金属材料表面技术行业、金属材料热处理行业以及相关企业之间的互动，联合培养应用型人才。此外，通过理论与实践教学相结合，以创新实验项目为载体，突出创新能力的培养；以企业工程项目为载体，培养工程应用意识，提升工程方面的素质和能力，出于这种原因，我校金属材料工程专业人才培养的主要目标定位是：具备金属材料工程领域的基础知识，了解材料科学与工程领域的相关专业知识，能在材料制备与质量检测分析、金属材料热处理、钢铁冶金与机械加工企业和相关行业工作，适应社会主义经济发展的高层次、高素质的应用型创新人才。

2.地方性高校金属材料工程培养模式。金属材料工程建设将学校的现实与当地区域经济发展相结合，坚持技术应用研究人才培养目标定位，从而有效地开展错位竞争、拓展生存和发展空间较大的专业。根据培养目标，积极探索切实可行的人才培养体系、机制和人才培养模式。人才培养模式改革是各种教学过程改革的重中之重，应该遵循高等教育的发展规律，仔细研究适应未来高等教育的科学发展趋势，根据培养高素质人才的总体要求，建立起能够充分激发在校大学生的学习主动积极性和创新创业精神，能使学生的个性得到充分发展，同时也能整体增长知识、能力和素质，具有新时代新特征的多样化应用型高层次工程人才培养模式。结合地方经济的工业发展，九江学院的金属材料工程专业在整个教学体系中，理论主干课程包括物理化学、电工电子学、材料科学基础、金属工艺学、热处理原理、热处理工艺及设备、金属材料学、材料研究方法、材料失效分析、材料力学性能、金属材料工程专业综合实验。与此同时，开设了两个专业方向，（1）金属材料塑性成型与模具方向：金属塑性成形原理、锻造工艺及模具设计、冲压工艺及模具设计、挤压工艺及模具设计、模具CAD/CAM软件应用、模具制造工艺学、Pro/E造型及模具设计、压铸工艺及模具设计。（2）金属材料热处理与测试方向：先进材料制备技术、粉末冶金原理、无损检测、材料的腐蚀与防护、冶金质量分析、材料物理性能检测、材料表面技术工程、先进复合材料。为了配合理论教学，大量安排实践性课程与之配套，让学生能够利用理论知识解决实际工程技术问题，实践性教学课程主要包括金工实习、金属材料专业实验、热处理工艺及设备课程设计、粉末冶金原理课程设计、材料表面技术课程设计、生产实习、毕业实习、毕业论文（设计）等。

三、地方性高校金属材料工程专业培养模式改革创新

1.培养模式进行改革探索。作为地方性高校的金属材料工程本科专业，应该充分认识到地方性区域工业经济未来发展对自己学校所设置的金属材料工程本科专业人才的确实需求，根据该本科专业的定位和特色，确定专业人才培养模式。金属材料工程专业的培养模式要从我校的实际出发，根据目前九江及周边区域工业经济与本专业相关单位的现状及发展，在原有培养模式的基础上，逐渐将原有的一味培养技术应用型人才过渡到应用技术研究创新型人才的培养目标和定位，这样才能有效地开展多层次培养，避免将学生培养成一个模子技能的技术人才，根据学生的特色，因材施教，拓展专业培养的发展空间，形成专业的办学特色，形成应用技术研究创新型多层次人才的培养新模式。

2.授课体系进行改革修订。为了能更好的对金属材料工程应用型本科人才培养计划和课程进行改革，我们在现有基础之上进行了以下准备性的工作：在相关大学进行调查研究，学习专业课程体系建设的成功经验，探索课程建设的内涵和专业内容集成优化，访问有关材料企业，了解社会对金属材料工程本科专业所需要的新知识、新能力和高素质要求，对九江学院近几年毕业的金属材料工程专业的学生进行系列性的跟踪调查，了解就业单位对我们学校该专业毕业生的满意程度，以及该专业毕业生对现有的人才培养模式、课程体系、专业教学知识点的意见及建议，邀请校内外知名教学专家，召开系列专家指导会，制定该本科专业课程体系和专业教学知识点方面改革的确实可行的方案，撰写新的人才培养方案，专业教学大纲内容将随之进行整合优化。专业主干基础课程建设得以加强，并根据区域经济发展的社会需求，设置相应并可行的必修课程，同时形成金属材料热处理与测试方向、金属材料塑性成型与模具方向两个具有一定地域工业特色的专业方向，使该专业的在校大学生形成比较完整的基础性知识及社会所需要的专业性知识。

3.配套平台进行改革探索。为配合模式及课程改革，必须对教学及研究平台进行更新建设，充分并有效地发挥本专业的专业实验室设备优势。近两年，本专业在原有实验设备的基础上，通过多渠道项目经费购置了200多万元的教学兼科研实验设备，满足了本专业各种专业理论课程的配套实践性教学需要。目前，九江学院金属材料工程的专业实验室有：表面技术实验室、粉末冶金材料及工艺实验室、材料化学制备实验室、材料物性检测实验室、材料热处理实验室、金相制样及分析实验室、铸造技术实验室、材料力学性能实验室和材料微纳结构分析实验室。通过这一系列实验平台的建设，金属材料工程专业的发展将得以支撑。根据本专业的特色，在九江和周边地区与九江新联传动机械有限公司、九江森源科技有限公司、九江博德新材料研究公司、九江奥盛钢缆科技有限公司等企业进行实质性地合作，建立产学研及学生实习见习基地，并聘请企业技术骨干和学校教师联合指导毕业论文（设计）工作，学生的实践操作能力和工程技术应用能力得以较好的培养。

四、结束语

冲压工艺论文范文第5篇

关键词：车身结构静刚度链；主断面；参数化；刚度优化分配

中图分类号：U463.82 文献标志码：A

Fast Calculation for Stiffness Chain of Vehicle-body

Structure Based on Parameters of Main Section

LIU Zijian，RAO Junwei，LIU Yu，QIN Huan

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082， China）

Abstract：The fast calculation of stiffness chain model by directly using the parameters of real main section is the key problem which should be solved in the design of vehicle-body stiffness chain. Taking the control and engineering on the parameters of stiffness chain nodes as the target， this paper evaluated the relationship between the parameters of stiffness chain nodes and the parameters of main section property. Furthermore， the parameterized method of controlling the real shape of the main section was studied by using the polar coordinate method and computing method of complex section properties that considers single variable control theory based on an established and improved computing model for static stiffness chain of vehicle body. It achieves the targets of parameterized calculation for the stiffness chain nodes and the engineering for the parameters in stiffness chain model， which provides a foundation for the investigation on the optimal distribution of static stiffness based on real main section structure and shape. Finally， the proposed method was verified by a numerical example of a light-weight of vehicle body.

Key words：static stiffness chain of vehicle-body structure； main section； parameterization； stiffness optimum distribution

汽车正向开发流程的车身工程设计阶段分为概念设计和详细设计.概念设计是车身结构设计的前期阶段，任务是为详细设计提供结构可行的方案.车身的整体结构及性能都取决于概念设计的结果，一旦留下设计缺陷，在后续流程中将难以弥补.现代轿车的车身一般采用承载式结构，车身需抵御汽车行驶的复杂载荷，因此，车身的刚度性能尤为重要.车身主断面是分布在车身各个重要位置，用以描述车身结构细节的横截面，它既是控制车身结构和性能的关键点，也是描述车身结构概念设计方案的重要工具.车身主断面的形状及尺寸是影响车身刚度性能的重要因素，因此，主断面设计是车身结构概念设计的重要内容.国内外学术界和工业界对汽车车身结构概念设计方法和车身刚度性能的研究高度重视.如本田汽车公司的Fujii等人[1]研究了基于拓扑优化技术的车身概念设计方法；福特汽车公司的工程师研究了一种基于重要零部件刚度性能的车身框架结构，建立了车身概念模型，并详细与有限元模型的静刚度和动刚度进行了分析对比，评估了概念设计模型的可靠性[2-3]；常伟波等人[4]提出了正面碰撞性能主导的轿车车身正向概念O计流程和方法；侯文彬等人[5]针对客车车身概念设计的特点，开发了客车车身结构概念设计与优化系统，等等.上述研究针对车身结构概念设计的某些具体问题提出了解决方法，然而，关于主断面优化与性能主导的正向概念设计方法关系的讨论还不多见.

本文在建立和完善轿车车身刚度链计算模型的基础上，以刚度链节点参数可控和工程化为目标，建立了节点参数与主断面截面属性参数的对应关系，研究了截面形状控制的参数化方法和对应的截面属性计算方法，提出了基于真实主断面结构形状的白车身刚度优化分配方法.论文最后以一个车身轻量化优化计算的实例，验证了以静刚度性能为主导的车身结构正向概念设计刚度链方法的可行性.

1 车身刚度链建模

由车身的结构形式、材料特性、动静载荷所决定的车身整体刚度及其各部分刚度的作用关系，称为车身结构刚度链[6].车身刚度链以主断面、接头等为节点沿载荷传递路径分布，准确描述结构与材料、载荷与变形，以及节点之间的相互关系.依据刚度链概念，可以将车身结构分解成为多个子系统，每个子系统对应于一个子刚度链，形成树状层次结构的完整车身刚度链，如图1所示.如轿车车身总体上可分为横梁系统、左侧围系统、右侧围系统和底板系统等.依据构成关系和设计要求，以两前车轮轴中心点为原点，X轴水平向后，Z轴垂直向上建立整车设计坐标系S0.进一步建立梁单元表示的车身结构简化几何模型，确定主断面的数量和位置，按照构成关系对节点编号，获得某车型1/2车身的具有18个主断面的车身刚度链几何模型如图2所示.利用对称性，不难得到整个车身的刚度链几何模型.

以如图3所示的车身弯曲工况[7]为例，讨论图2所示刚度链的静刚度分析模型.按照车身刚度测试规范，在车身后悬架位置处约束X，Y，Z方向的平动自由度，前悬架位置处约束Y，Z方向的平动自由度，在座椅安装点左右对称施加垂直向下的力F=1 000 N，车身整体的弯曲刚度由车身底架处最大垂直挠度来评价.

首先讨论车身侧围刚度链分析模型.左侧围的受力及单元划分情况如图4所示，其中0，1，2，…，15为多个梁单元相交的节点；①，②，…，B17为主断面所在处的梁单元；共有16个节点和17个单元，添加约束和外载荷如图4所示.

侧围刚度链的组成单元及其所对应的主断面编号如表1所示.依据表1中主断面与单元的对应关系，设与某一主断面对应的组成单元具有相同的截面属性，可以将17个单元的横截面特性用9个截面属性集合来描述，即主断面属性，记为C（i）={A Iy Iz}（i），其中i为主断面编号，取值分别为1，4，5，8，9，10，12，13和15，与图2中主断面编号一致；A为主断面面积；Iy，Iz为主断面惯性矩.

以图5（a）所示的子刚度链1为例讨论刚度链计算模型.子刚度链1主要是由前纵梁、门槛梁以及后地板纵梁组合而成，为了真实地模拟刚度链1的受力情况，在节点0和节点7处添加铰链约束，将整体视为一个简支连续梁结构，且各个组成单元可以具有不同的截面属性.在节点2处添加竖直向下的集中载荷F，在耦合点1，3，6处添加未知状态向量，故可以推导出节点0和节点7的状态向量，以及节点1-6的载荷向量.

对连续梁结构求解状态向量时，可以利用传递矩阵法[8-9]建立数学模型.子刚度链1所对应的连续梁结构，可以离散成7个单元，单元编号依次为①，②，…，⑦，其中单元①的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（1），EI（1） ，GA（1）/μ（下标为单元对应的主断面编号，下同）；单元②，③，④的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（10），EI（10） ，GA（10）/μ；单元⑤，⑥，⑦的抗拉刚度、抗弯刚度、抗剪切刚度分别为EA（12），EI（12） ，GA（12）/μ；单元长度依次为l（1），l（2），…，l（7）.如图6所示.

根据传递矩阵法可求出最右端状态向量Sr（7）和最左端状态向量Sl（1）的递推关系如下：

Sr7=T7Sl7

Sl7=F6Sr6

Sr6=T6Sl6

Sl6=F5Sr5

Sr2=T2Sl2

Sl2=F1Sr1

Sr1=T1Sl1 （1）

式中：T（i）为单元i的场矩阵；F（i）为节点i的载荷向量.如：节点0处为铰接约束，只有径向约束剪力Ql以及平面内的转角φl，节点0的状态向量为Sl（1）={0，Ql，0，0，0，φl}T（1） ；在节点2处只承受有垂直向下集中载荷F，节点2处的载荷向量为F2={0，F，0，0，0，0}T（2），等等.

将方程组（1）从下往上迭代，可确定最右端节点状态向量Sr（7）和最左端节点状态向量Sl（1）的关系式，即传递方程：

Sr7=[∏6i=1（T8-i×F7-i）]×

T1×Sl1（2）

除单元⑤和单元⑥之外，其他单元的局部坐标系均与整车设计坐标系S0平行，它们的场矩阵T（i）表达式为：

Ti=

1000000100000li1000-liEAi001000-l3i6EIi-μliGAil2i2EIi01li0-l2i2EIi-liEIi001 i≠5，6 （3）

卧⑤和⑥的局部坐标系与整车设计坐标系S0之间存在一个夹角，通过坐标变换有：

Tk=λ-1kkλk（4）

式中：T（k）为单元k在S0坐标系中的场矩阵；（k）为单元k在局部坐标系Sk中的场矩阵.

对图5中的子刚度链2和子刚度链3也可以进行类似的讨论.

设节点2处在集中载荷F作用下竖直向下变形量Δz为基本未知量，利用静平衡条件和传递方程（2）可以求得子刚度链1的弯曲变形量Δz与各主断面截面属性集合C（i）的关系表达式：

f1C1，C10，C12，Δz=0（5）

子刚度链1与子刚度链2在节点1和节点6处耦合，建立两者的耦合方程：

Sl（2）-Sl（8）=0

Sl（7）-Sl（15）=0 （6）

同理，可得出子刚度链2和子刚度链3的数学模型及子刚度链间的耦合方程.将上述3个子刚度链数学模型简单记为f1，f2和f3，耦合方程分别记为Q1（2），Q1（3）和Q2（3）.

由上述讨论可得如下方程：

f1=0

f2=0

f3=0

Q1（2）=0

Q1（3）=0

Q2（3）=0（7）

方程组（7）即为车身左侧围的静态刚度链数学模型，记为F1，同理可得车身右侧围和9个横梁的刚度链模型，分别记为F2，F3，F4，…，F11.子系统刚度链i与子系统刚度链j的耦合方程记为Gi（j），则车身整体刚度链模型为：

F1，F2，…，F11T=0

G1（3），G1（4），…，G1（11），G2（3），

G2（4），…，G2（11）T=0 （8）

根据方程组（8）可以求得节点2竖直向下的变形量Δz与各主断面属性C（i）之间的函数关系式：

Δz=f（C1，C2，…，C18）（9）

式中：变形量Δz由18个主断面的截面属性集合（即54个变量）表示，如果直接对这些参数进行优化，将会遇到优化变量太多且优化出来的数据无法对主断面具体形状进行描述等问题.因此，有必要对主断面形状参数化和截面属性计算方法进行研究.

2 主断面属性计算及形状参数化方法

车身主断面是由若干钣金件焊接而成的形状复杂的封闭截面，图7（a）所示为某车门槛梁主断面实物图.由于主断面的形状、面积、惯性矩等截面属性是决定车身刚度、强度、加工工艺性等的关键因素，因此，准确求取各种形状主断面的截面属性，并根据车身性能设计要求优化匹配多个主断面的属性参数，是实现车身优化设计必须解决的关键问题.现有的处理方法是将主断面简化成为矩形或圆形等简单形状进行计算[10]，求解结果与实际情况差距较大.由式（8）所示刚度链计算模型和车身弯曲变形计算公式（9）可知，只要建立车身实际主断面形状属性参数的计算方法，就可以利用刚度链方法对实际车身结构进行分析优化，大幅提高设计质量，具有重要意义.

2.1 主断面属性参数计算

基于真实主断面形状的截面参数计算仍需要进行少量简化，简化原则如下：

1） 忽略加工工艺要求的小结构，如小圆角、小倒角等，将其简化为一个点；

2） 曲率不大的曲线段，在尊重原断面形状的前提下，用直线代替.

如图7（b）所示为简化后的门槛梁主断面形状，它是由多条直线段经结点连接而成的封闭图形.

设主断面由n条直线连接构成，将其分成n个区段.设第i个区段的长度为Li，板厚为ti，如图8所示（图中数字表示结点编号），则由弗拉索夫薄壁杆件理论[11]可推导出用分段法求取主断面实体部分面积和惯性矩的计算公式如式（10），（11）和（12）所示.

2.2 主断面形状参数化方法

车身主断面由外板、内板和加强板组成.主断面形状不仅取决于刚度、强度、工艺、碰撞安全等车身性能的需求，而且与整车外观造型、总布置和内饰设计密切相关，在车身结构设计中经常变化.针对2.1节讨论的主断面属性参数计算公式，进一步研究一种简单有效的主断面形状参数化生成方法，是利用刚度链模型进行车身刚度优化设计必不可少的重要环节.

文献[12]提出了一种基于极坐标的截面形状计算公式如式（13）所示.

r′i=（π-dv-δik×π+1）ri （13）

式中：（ri，δi）（δi的单位为弧度）为截面实体部分上点的极坐标；k为形状变化程度控制系数，通常可取k=2；dv（dv∈（0，2π））为极坐标控制参数.下面讨论利用式（13）实现主断面形状控制的方法.设已知图8所示主断面，以截面参考坐标系原点o为极点，z轴正方向为极轴，建立极坐标系，如图9所示，则可计算出该主断面所有结点的极坐标值（ri，δi）.在此基础上，对应于一个给定的dv值，由式（13）计算出一组新结点的极坐标值（r′i，δi），依次连接这些新结点，即可获得与原截面形状类似的新截面.当dv-δi>π时，计算点的极径ri将减小，反之将增大，从而对截面形状进行连续的控制，极径ri的变化程度取决于dv和k的取值.

利用式（13）控制图8所示主断面形状时须特别注意外板的处理.图8中结点1至结点8表示的车身外板部分的形状是车身设计流程已经冻结的A级面确定的，不允许进行修改，故形状参数化设计的主要对象是内板和加强板.另外，在确定参数化结点和参数变化区间时还需考虑冲压工艺和装配要求等因素，如防止出现冲压负角等.图9为针对结点9，10，14，15，16，17应用式（13）控制门槛梁主断面形状变化的情况，此时dv的取值为1.5，k的取值为2.

2.3 dv控制的主断面属性计算

下面继续以门槛梁为例介绍基于形状控制参数dv的主断面属性计算步骤.

第一步是⒚偶髁涸始主断面的结点坐标转换为极坐标.其二是确定k值，并给定一个dv值，代入式（13），逐个计算出变形后新主断面各结点的极坐标值.其三是将新结点的极坐标值换算成为oxyz坐标系下的直角坐标值.最后利用式（10），式（11）和式（12）计算新主断面属性值.表2为设计变量dv分别取1.1，1.2，1.3，1.4，1.5时计算所得门槛梁主断面属性值.

上述直接利用式（10）至式（12）计算截面属性的方法不仅步骤较多，需频繁地进行坐标换算，而且是逐点求解，计算效率难以提高.为了适应主断面优化设计中高效迭代求精计算的需求，依据表2数据拟合只有一个变量dv的门槛梁主断面属性近似计算公式：

A=106.4×dv+289.7 （14）

Iyy=62 640×dv2+ 87 800×dv+82 140 （15）

Izz=11 900×dv2-7 236×dv+13 680 （16）

同理，利用上述方法可以拟合出其他主断面属性关于形状控制参数dv的函数关系，在此不再一一赘述.

可以通过对比分析验证所拟合公式的准确性.如将公式（11）计算出来的Iyy精确值与公式（15）计算出来的Iyy拟合值进行对比，分析结果如表3所示.

结果表明拟合计算的最大的误差为3%.同样可以对A和Izz进行类似的计算误差分析，可以认为拟合公式具有较好的计算精度.调整和优化dv的取值方式还可以进一步减少计算误差.

上述方法可将车身的某一主断面形状由一个参数dv来控制，并且主断面的所有截面属性均是关于dv的函数，因此在进行主断面属性参数优化匹配时，每个主断面只需对一个参数进行优化，在大大减少优化计算难度，提高优化效率的同时，可以直接获得与工程设计要求吻合度很高的主断面，从而为车身设计精度提供保障.

3 主断面驱动的车身刚度优化分配

下面将主断面形状和截面属性的参数化设计方法与车身刚度链计算模型相结合，进一步研究基于刚度链方法的车身结构优化设计问题，目的是实现主断面属性驱动的车身刚度优化分配.讨论弯曲工况下车身主断面的优化问题.选取的设计变量为18个主断面属性参数：

X=[X1，X2，…，X18]T（17）

式中：

Xi={dv（i），t（i）}T （18）

式中：dv（i）（dv（i）∈（0，2π））和t（i）为第i个主断面的截面属性参数，dv（i）的初值设为1.为了减少计算量，取相同板厚t（i）=0.8 mm，所以需要进行优化的设计变量共有18个.

考虑车身的弯曲工况和设计要求，在节点2处添加竖直向下的载荷F=1 000 N，约束条件为加载处竖直向下位移Δz≤1 mm，由式（9）有：

Δz=f（C1，C2，…，C18）≤1 mm （19）

车身的整体刚度表达式为：

k弯=2F/Δz （20）

在满足车身弯曲刚度的条件下须使车身的质量最小，因此建立车身轻量化设计的目标函数为：

min f（m）=ρ∑18i=1（A（i）l（i）） （21）

式中：A（i）为第i根梁的截面面积，其值是关于dv（i）的函数；ρ为已知的材料密度；l（i）为第i根梁的结构长度，其值可以通过车身简化几何模型（图2）得到.

由上述设计变量、目标函数和约束条件决定的优化计算模型得：

X=[X1，X2，…，X18]T

min f（m）=ρ∑18i=1（A（i）l（i））

s.t. 0≤Δz≤1 mm （22）

求解式（22）时，首先根据产品研发要求和设计经验确定一组原始主断面，编写刚度链计算和各主断面属性拟合的MATLAB程序，并调用适当的优化计算模块完成优化计算.表4是采用遗传算法[13]，经过160步迭代使目标函数收敛后求得的车身侧围主断面形状控制参数dv的优化结果（其他主断面的优化结果不再一一列出），此时，在满足弯曲刚度约束条件下，白车身的最轻质量为0.212 5 T，弯曲刚度为3 260 N/mm.

根据得到的dv优化值进一步计算各主断面的结点坐标，利用拟合公式计算优化后截面属性，如表5所示.图10为门槛梁主断面形状优化前后的对比图，其中实线为优化前的主断面形状，虚线为优化后形状的变化部分.

为了验证刚度链设计方法的可行性，本文利用身详细有限元模型，加载弯曲工况后模型如图11所示，该模型包括461 942个单元、465 722个节点、17 925个焊点.将上述模型用刚度链方法优化所得主断面形状赋予有限元模型的相应部位，进行计算，并对两个模型计算所得的弯曲刚度和车身质量大小进行对比分析，结果如表6所示.

根据表6数据可得到刚度链设计方法计算出的弯曲刚度与修改后有限元模型计算出的弯曲刚度误差仅为1.3%，表明刚度链方法与传统有限元方法的误差在合理的范围内，将刚度链方法优化出来的主断面形状赋予有限元模型，修改后的有限元模型的弯曲刚度（3 218 N/mm）明显高于初始有限元模型（3 112 N/mm）且质量越轻（减少了1.4%）.

4 结 论

本文依据车身结构刚度链构成关系，在分别建立各子刚度链和耦合方程的基础上，采用传递矩阵法建立了车身静刚度链计算模型，并明确了刚度链节点参数与主断面截面属性参数的对应关系；以真实主断面形状为对象，利用极坐标法建立了形状参数化控制方法，以及由单一变量dv控制的截面属性计算方法，并验证了计算方法的准确性；本文的研究实现了刚度链节点属性的参数化计算和刚度链模型计算对象的工程化，为基于真实主断面结构形状的车身刚度优化分配研究打下了基础.最后以一个车身轻量化优化计算实例验证了研究方法的可行性和优越性.

本文仅对弯曲工况下主断面进行了优化.如何结合刚度链方法综合考虑车身NVH、安全、工艺等多学科因素，完成车身所有主断面的优化设计，是值得深入研究的问题.

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