基于CAE分析的沖壓件結構設計優化

冀冠一

摘 要：現在很多模型和物件的基本結構都是沖壓件結構，其設計方案還不夠完善，研究人員和技術人員在經過多次實踐以后，對其進行科學合理的調整，本文將以液晶電視的底板為研究對象，簡要敘述沖壓件形成過程，分析其中產品結構優化設計過程，并證明該設計的可行性，加工過程速率提高，值得學者和技術人員進行深入的研究。

關鍵詞：CAE；優化設計；沖壓；底板

中圖分類號：TG385.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0075-02

最初，我國的五金沖模技術主要是根據經驗和一些前人的資料，結合所要制作出的沖壓件的結構，設計出其對應的模具，技術人員根據其用途使用該模具，對不適宜的地方進行修改，甚至對該磨具進行重新設計，直到該模具滿足人們的需求，這既是對沖壓件質量的保證，也是在一定程度上增加沖壓件的使用壽命，但是產品的制造成本較大。現在計算機技術發展迅速，被用于各個行業，將計算機技術用于沖壓件制造的過程，尤其是計算機輔助工程CAE，作為新型技術被廣泛使用，且其性價比高。沖壓模CAE技術是利用數值計算理論構造其求解方法，模擬出實際成形中板材彎曲、拉伸、回彈過程，定量地給出成形過程的狀態參數。沖壓模CAE技術能夠在模具制成之前，根據壓力計的壓力情況，預測其成形情況，發現其中可能存在的問題，結合問題的成因，將其設計結構進行修改和完善。本文筆者以某一大型液晶電視（LCD）底板沖壓件為例，使用UG方法設計沖壓件的三維結構，用Dynaform進行有限元網格、定義邊界條件和載荷等前處理，再利用LS-DYNA求解器進行分析，從而對沖壓件結構設計進行指導和對沖壓件的成形工藝可行性進行驗證。

1 沖壓件成形工藝分析

沖壓件成型過程包含多個過程，其每個過程都至關重要，因此在沖壓件成形之前技術人員需要對其成型工藝進行分析，本文筆者主要分析沖壓件產品特征、沖壓件成形有限元模型和經驗法設計結果及對比三方面，從中明確出引入CAE分析，優化沖壓件結構的必要。

1.1 沖壓件產品特征分析

液晶電視的底板包括立柱、立柱支撐件、面板和底板四部分組成，這四個部件從上至下緊密銜接，因為液晶電視的平均質量在20Kg左右，因此其底板需要能夠支撐起20Kg的重量，地板的四周分布有均勻排列的螺絲孔，并將其固定橡膠墊上，防止打滑情況，并支撐底座，立柱上的圓盤是與液晶面板接觸的平面，其下連有旋轉立柱，其設計是依據鈑金塑性成形原理，設計者發散其設計思維，兼具實用與藝術，并將其零件的機械性能、整機的機械強度和穩定性得到了很好的改善。

1.2 沖壓件成形有限元模型

底板沖壓件有限元模型包括凸模、胚料和凹模三部分，當以SGCC為原材料時，該模型的壁厚為1.5mm，彈性模量為212000GPa，泊松比為0.3，抗拉強度為300MPa，其中磨具間隙為磨具壁厚的0.1倍，即0.15mm，工件接觸摩擦系數取0.1，根據這些參數進行試驗，證明其可行性。當使用其他原材料時，都有相應的技術參數，這些技術參數都是經過驗證的，具有很高的可行性，但是在后期發展中，可以根據這些數據衍生出很多其他模具的技術參數，完善模具，提高該產業發展速度。

1.3 經驗法設計結果及對比分析

筆者根據經驗法設計出試沖樣件和有限元仿真得到的成形極限圖-FLD兩種產品，經過對比分析，發現兩款產品出現問題的區域幾乎一致，例如產品破裂的區域和產品翹曲的區域，這直接說明仿真產品與實際沖壓件產品在其結構、質量和使用年限上是非常相似的，因此，沖壓件結構設計者如果在正式將涉及投入使用之前，引進有限元仿真成形質量結果分析，就可以避免殘次品大量出現，降低生產成本，提高生產效率，使得產品更加快速、科學合理的進入市場。

2 產品結構設計優化及對比分析

2.1 產品結構設計優化

根據上述分析可以看出，仿真產品與實際沖壓件產品在其結構、質量和使用年限上是非常接近，技術人員可以通過分析有限元仿真的實用性、瑕疵情況，尋找出沖壓件機構設計中存在的不足，本文筆者通過對液晶電視底本沖壓件有限元仿真產品元件進行分析，發現該液晶電視底板結構設計可以優化以下幾點，一是增加破裂區的圓角，并且圓角采用變倒圓角的方式，隨著拉伸高度高的地方相應地增加圓角半徑，增加其拉伸彈性；二是降低該底板結構中頂面與底面間過渡區的坡度，且盡可能地使其拉伸深度大小一致，過渡均勻，減小過渡區的剛性強度，增加地板支撐重量；三是翹曲部分區域可通過壓邊加拉延筋等途徑改善等。這些優化措施不僅僅適用于液晶電視的底板，對現在人們所需的沖壓件結構有很大的幫助。

2.2 試驗結果對比分析

通過對液晶電視底板進行產品結構優化，并得到其優化后的有限元仿真結果-FLD圖，對該圖進行分析，分析結果是能夠從該突出看出結構變形區域多數集中在塑性變形較好的范圍內，結構中可能出現破裂的區域能夠通過后期修改和完善，將破裂區進行修復，還有一部分區域需要使用壓邊工藝才能將其進行修復或者改善。并且在實驗結構對比分析階段，還可以繪制出產品結構設計優化后的CAE分析結果-厚度云圖，從該圖中可以確定整個沖壓件的厚度最低界限，但是也是根據材料而定，一般不能低于按原設計的50%。根據現有的模具可以分析出，在沖壓件結構設計過程中引入CAE分析，能夠在一定程度上提高產品的質量，并且提高產品設計開發的效率，這對于模具行業的發展有重要的意義。

3 結語

近些年，我國經濟發展結構正在進行調整，提倡降低資源浪費，對于高消耗的模具行業這是一大挑戰，為了響應國家號召，模具行業的技術人員積極尋找降低浪費的辦法。現在再沖壓件結構設計中引入數值模擬技術，在產品開發初期和模具試用前預測出產品可能出現的問題，包括質量問題和設計問題，在后期進行改善，因此其為產品結構設計優化和改善提供有力的指導，大大提高了產品開發效率。從本文的描述可以看出，利用有限元仿真工具，對于產品開發具有指導意義。

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