减振钢板冲压成形缺陷及工艺优化实验研究与数值模拟

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汽车在行驶过程中来自路面的颠簸,以及发动机内部部件的高速旋转和往复运动产生大量的振动。基于节能减排的考虑,车体上大量使用强度高但厚度薄的钢板,以减轻汽车重量。这类高强钢通常比较容易产生车内噪声。目前,汽车制造厂商通过大量增设隔音或者吸音层、涂覆吸音材料等措施来缓解车体内噪音。虽然有些措施的减振降噪能力比较强,但价格昂贵。树脂复合减振钢板是一种典型的复合型钢板,是由金属/高分子阻尼材料/金属复合而成的,可以有效地将金属材料和高分子材料的特性结合起来,使其既保持了金属材料的加工成形性能,又具有高分子材料的阻尼特性,是减振降噪的理想环保产品。对汽车车身而言,可同时满足零件结构强度、减振降噪、车体轻量化的要求。因此,该种钢板成为了当前国内外研究的热点。减振钢板虽然具有良好的减振性能,但在冲压成形加工过程中容易出现不同于普通钢板的缺陷。本文针对目前存在的理论和工艺,深入开展了冲压成形缺陷的机理研究和工艺优化分析,取得的主要研究成果如下:提出了改进的非线性粘弹性模型,描述树脂层材料在成形过程中的变形行为。该模型物理意义明确,涉及到的参数只需要简单的搭接板剪切和T剥离中的单向拉伸和应力松弛实验就可以确定。。同时,对商业化软件ABAQUS进行了二次开发,将本文所提出的改进的模型集成到了该软件中。比较了二维Cohesive单元和接触界面模型的优缺点,发现cohesive单元在数值计算过程中更容易收敛。在减振钢板复杂成形件的数值模拟中,针对三维建模的问题,利用固体壳单元离散表层钢板,模拟显示可节省大量的计算时间。提出采用满意度函数法对减振钢板拉深成形工艺进行多目标优化设计,且利用响应面法构造设计参数与目标函数之间的关系。数值计算显示具有较高的求解效率且建模简单。在可靠性分析中,分别采用一次二阶矩法和蒙特卡罗模拟方法对随机模型进行求解。研究了考虑树脂层非线性粘弹性特性的减振钢板回弹特性。V型弯曲和U型弯曲实验研究和数值模拟发现:V形件弯曲时的成形速度、放置时间、表层钢板初始屈服应力和树脂层厚度对回弹影响显著;U形件弯曲时的压边力、成形速度、树脂层厚度和表层钢板初始屈服应力对回弹的影响显著。研究了考虑树脂层非线性粘弹性特性的减振钢板脱层缺陷。U形件弯曲研究表明:增加成形速度可以部分抑制脱层发生的趋势,而增加压边力可以有效地消除脱层的发生。阶梯型底的方盒拉深研究表明:表层钢板的起皱易引起脱层。增加压边力和摩擦可以有效地阻止起皱的发生,也阻止了由起皱引发的脱层。然而,当起皱被抑制后,进一步增加压边力和摩擦系数将增加脱层发生的概率。研究了减振钢板拉深成形工艺的可靠性和多目标优化设计。基于满意度函数法对阶梯形底方形盒拉深成形工艺进行了多目标优化设计,基于确定性多目标优化设计的结果,采用可靠性分析考察了成形工艺参数的波动性对成形质量的影响,以进行工艺的可靠性评估。先将压边力和摩擦系数设置成随机变量,通过一次二阶矩法来进行可靠性分析;进一步将三个噪声因素考虑进去。将板料厚度、法向和切向脱层判据设置为随机变量,采用蒙特卡罗模拟方法求解。研究结果表明:可靠性分析以后,就可以得到优化了的并具有稳健性的设计解。
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