第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
目前，解决问题的有效办法主要有新能源技术和汽车轻量化技术。研究数据显示，若汽车整车质量降低 10%，燃油效率可提升(6～8)%，汽车装备每减少 100 千克，百公里油耗可降低(0.3～0.6)升，二氧化碳排放可减少约 5 克/公里。汽车车身约占汽车总质量的 30%。空载情况下，约 70%的油耗用于车身质量上。从驾驶方面来看，汽车减重后加速性能提高。同时，车辆控制稳定性、振动及噪音也均有改善。从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性减小，制动距离减小，安全系数提高。轻量化将成为未来车体的一大发展趋势。
从1994年至1998年，国际钢铁协会（International Iron & Steel Institute，IISI）推进汽车轻量化项目，涉及超轻车身（Ultralight Steel Auto Body，ULSAB）、超轻覆盖件（UltraLight SteelAuto Closure，ULSAC）、超轻悬挂件（UltraLight SteelAuto Suspensions，ULSAS）和在此基础上的超轻概念车项目（Ultralight Steel AutoBody-Advanced Vehicle Concepts，ULSAB-AVC）。文献[6]指出：使用高强钢（HighStrength Steel，HSS）和先进高强钢（Advanced High Strength Steel，AHSS）可以有效降低汽车质量，提高耐碰撞安全性能。文献[6]中数据显示，至 2008 年，德国 Mercedes 公司 C 型轿车的车身和结构件中，约 70％采用 HSS 生产，20％采用 AHSS/UHSS 生产。目前已被广泛采用的 AHSS 主要有双相钢（Dual phase，DP）、相变诱发塑性钢（Transformation induced plasticity，TRIP)、复相钢（Complexphase，CP）和马氏体钢（Martensitic，Mart）。
1.2 冲压模具弹性变形分析的研究现状
在传统的低强度钢冲压成形中，冲压模具受力状况不是很恶劣，弹性变形很小，损坏和失效的情况很少，对板料成形质量的影响也较小。在板料成形数值模拟中，由于不考虑模具的弹性变形，通常把模具设置为理想的刚性体。随着 AHSS的广泛应用，冲压模具的受力状况趋于恶劣，其弹性变形对整个模具结构和板料成形质量的影响已成为一个不能忽略的重要因素。Roll[20]在 NUMISHEET’2008的论文中明确指出考虑模具弹性变形是金属板料成形数值模拟值得关注与研究的方向。
国外已有学者研究模具弹性变形对板料成形的影响。Shulkin 等认为考虑模具弹性变形行为是提高数值模拟预测精度的有效途径。但是在某种程度上，压边圈自身的弹性变形可以使法兰边上的压边力分布趋于合理，材料流动趋于理想，最终达到改善工件成形质量的效果。实验和模拟结果表明，压边圈发生很小的变形，压边力的分布会产生很大的变化。Zhang将凸、凹模分别视为刚性体和弹性体，研究了平面应变和平面应力状态下板料的回弹机理，结果表明凹模的弹性变形是影响回弹的一个重要因素。Doege 等[23]为了获得更为合理的压边力分布，设计了薄板结构的压边圈，使其弹性变形更为显著。实验和数值模拟研究发现，使用刚性压边圈时，由于法兰区域板料的局部增厚，造成压边力的不均匀分布。而在使用更易发生弹性变形的压边圈时，结构的弹性变形与板料厚度的不均匀分布是相互协调的，最终使得压边力的分布更为均匀。此外，工具发生倾斜的情况下，易变形的压边圈比传统的刚性压边圈适应性更好，能最大程度地保证板料的成形质量。Lingbeek 等[24]将十字形盒形件拉深模具设置为弹性体，更为全面地分析了模具弹性变形对工件成形的影响。
实验研究方面，Gao 等[30]利用传感器测量了模具与板料接触表面离散点的接触压强，结合薄板样条（Thin Plate Spline，TPS）插值技术，提出了一种在线检测成形过程中工具与板料之间接触压强分布（Contact Pressure Distribution，CPD）的新方法。近年来，国内一些学者也开始关注冲压过程中模具的弹性变形行为。孙成智等[31]研究了带顶杆的冲压模具压边圈的受力（不考虑板料厚度变化）。模拟所获得的压边圈应力分布趋势与实验结果较为吻合。张贵宝等[32,33]针对结构复杂的大型汽车冲压件成形模具，提出了一种基于板料成形数值模拟的模具结构分析方法，通过实验验证了该方法的有效性。文献[34]针对 HSS 冲压生产对噪声因素敏感的问题，分析了坯料初始厚度波动、压边力变化、坯料定位误差以及模具安装定位误差对 DP600 双曲底面盒形件拉深模具成形载荷、变形和应力分布的影响。
第二章 冲压模具结构分析与拓扑优化的理论基础
2.1 基于板料成形数值模拟的结构分析理论基础
AHSS 在冲压生产中的广泛应用使冲压模具受力状况加剧，与传统低强度钢冲压生产相比，模具损坏、失效问题明显增加。由于 AHSS 的成形性较差、回弹严重，以及冲压模具的刚度不足，AHSS 冲压模具调试更困难。传统低强度钢冲压模具设计准则、规范已不能满足 AHSS 冲压模具设计的要求。仅依靠增大模具的厚度和体积、选择高硬度的模具材料解决 AHSS 冲压模具问题，增加了模具材料成本及生产能。
模具非正常损坏给模具企业造成重大的经济损失。频繁地调试、修改模具不仅影响了生产进度、延长了产品交期，而且导致产品质量不稳定，降低了企业信用等级。AHSS 的广泛应用，促使冲压模具强度刚度校核、寿命预测以及进一步的结构优化等问题，越来越被企业界及学术界所重视。进行冲压模具强度刚度校核、寿命预测以及结构优化，首先应该分析冲压模具在整个冲压过程中的受力以及在该作用力下的应力及变形。根据模具在整个冲压过程中的最大应力进行强度校核，其最大应力不应超过模具材料的屈服应力，并要有一定的安全余量。而根据模具在整个冲压过程中的最大变形进行模具刚度校核时，冲压模具压边圈及凹模压料面的弹性变形会影响压边力在压料面上的分布，进而显著影响板料的成形性。在模具寿命预测方面，则应根据模具在整个冲压过程中的应力历程进行模具疲劳寿命预测。当进行模具结构优化时，可以根据模具在整个冲压过程中的应力和变形分布进行优化，从而在保证模具安全系数的基础上减轻模具重量[63-65]。
第三章 非等高非等宽AHSS 弯曲............................34-52
3.1 非等高非等宽AHSS 弯曲类零件............................ 34-35
3.2 非等高非等宽AHSS 冲压件成形............................ 35-40
3.2.1 模拟设置 ............................35-37
3.2.2 模拟分析 ............................37-40
3.3 拉深筋概述 ............................40-42
3.3.1 拉深筋原理............................ 40-41
3.3.2 拉深筋形式............................ 41
3.3.3 拉深筋作用 ............................41-42
3.4 基于拉深筋和近似模型............................ 42-51
3.4.1 拉深筋布置与结构形式............................ 42-43
3.4.2 近似模型构建 ............................43-49
3.4.3 优化搜索............................ 49-51
3.5 本章小结............................ 51-52
第四章 耦合模具弹性变形和结构............................ 52-70
4.1 考虑压边圈弹性变形的回弹............................ 52-57
4.2 压边圈结构拓扑优化............................ 57-65
4.3 压边圈结构拓扑优化对回弹............................ 65-69
4.4 本章小结............................ 69-70
第五章 DP780 钢板冲压回弹实验研究............................ 70-86
5.1 实验目的............................ 70
5.2 实验设备及模具 ............................70-73
5.2.1 实验设备............................ 70-71
5.2.2 实验模具............................ 71-73
5.3 回弹实验数据采集 ............................73-76
5.4 实验数据分析............................ 76-85
5.5 本章小结............................ 85-86
结论
主要工作内容及研究成果如下：选取冲压模具压边圈的关键位置，研究了压边圈在板料成形过程中的弹性变形分布、变化，分析了压边圈弹性变形与压边力的相互影响关系，以及拉深筋对压边圈弹性变形和压边力分布的影响。揭示了压边圈弹性变形与冲压回弹的关系。分析了拉深筋、压边力等冲压工艺参数对冲压回弹的影响变化，提出了基于拉深筋、压边力等参数的新冲压工艺优化方案。
实验表明，优化后冲压件回弹由2.217mm 降低到 1.933mm，降低了 13%。针对冲压模具压边圈受力变化，应用载荷映射算法，将成形模拟中的节点载荷加载为结构分析的力边界条件，实现了板料成形分析与模具结构分析的无缝连接，提高了结构分析的精度。根据压边圈在冲压成形过程中的受力变化，采用关键载荷步的节点载荷进行结构分析，得到了较准确的全局拓扑优化结果，提高了结构分析的稳健性及效率。在结构分析的基础上，利用 Altair OptiStruct 软件建立冲压模具压边圈的拓扑优化模型。在控制压边圈弹性变形的基础上，对压边圈进行拓扑优化，以减轻模具重量。优化后压边圈设计空间体积降低了 70.2%，而压边圈弹性变形增加了约 26.2%，板料 Z 向最大回弹增加了约 18.9%。
基于压边圈拓扑优化的单元密度阈值，调整压边圈结构，建立压边圈拓扑结构与冲压回弹的关系，并耦合冲压成形工艺优化与模具结构拓扑优化，实现板料冲压回弹与压边圈结构的多目标优化。模拟结果表明，当拓扑阈值为 0.783 时目标值最优，压边圈设计空间重量减轻了 52.2%，板料 Z向最大回弹值降低了 4.0%。