CN101539952B - 一种用于成形模具与成形装备的耦合刚度测试分析的工作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于成形模具与成形装备的耦合刚度测试分析的工作方法，包括以下步骤：(1)建立模型；(2)对模具与设备模型进行模拟分析；(3)对设备模型进行单独模拟分析；(4)对(2)与(3)的模拟分析结果进行解算与分析，得到在系统中的制件——成形模具——成形设备系统中模具刚度所占的份额的差值与系统耦合分析的边界条件。本发明的优越性：(1)使成形模具具有良好的刚度；(2)可以降低成形模具制造成本；(3)达到优化成形设备的性能和技术参数、优化成形模具结构设计、保证成形产品质量的目的；(4)该方法在金属塑性成形中，成形模具刚度占成形模具与成形设备耦合总刚度的份额比例在20％～30％，证明应用的合理性和可靠性。

Description

一种用于成形模具与成形装备的耦合刚度测试分析的工作方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种对模具和设备的测试分析工作方法，特别是一种用于成形模具与成形设备的耦合刚度测试分析的工作方法。 

(二)背景技术：

金属的塑性成形通过成形模具和成形设备实现，成形模具提供成形产品的形状，成形设备提供成形所需要的压力。为了保证成形产品的形状、尺寸精度要求成形模具和成形设备具有足够的刚度。传统的设计方法是对成形模具和成形设备分别进行设计，分别要求成形模具和成形设备单独使用时都能满足成形产品的精度要求，这样使得成形模具和成形设备的外形尺寸产生变化，造成了浪费。因此，研发一种用于模具与设备的刚度测试方法以保证成形产品的精度要求是模具研制工作者的一项重要课题。 

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于成形模具与成形设备的耦合刚度测试分析的工作方法，它能够克服上述缺点，是一种既可以满足成形产品形状、尺寸的精度要求，又可以分别适当降低在传统设计中对成形模具与成形设备过高的刚度要求的工作方法。 

本发明的技术方案：一种用于成形模具与成形设备的耦合刚度测试分析的工作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

(1)建立模型：采用CAD软件Pro/E对成形模具与成形设备进行三维实体建模，建立有限元分析模型； 

(2)对模具与设备模型进行整体模拟分析：根据成形制品的成形条件，将成形模具与成形设备刚性联结在一起，进行整体的有限元模拟分析； 

(3)对设备模型进行单独模拟分析：根据成形制品的成形条件，单独对成形设备进行有限元分析； 

(4)对(2)与(3)两次的有限元模拟分析结果进行解算：比较(2)与(3)两次的有限元模拟分析结果，应用常规数学解析方法得到差值即为在制件——成形模具——成形设备系统中模具刚度所占的份额与系统耦合分析的边界条件。 

上述所说的步骤(4)中的解算方法可以采用如下方法： 

(1)成形模具与成形设备耦合应力及变形分析： 

①工作载荷分析 

测量成形设备生产实际中所受的最大压力x； 

②建立有限元模型 

根据成型设备特点，采用CAD软件Pro/E对其进行三维实体建模，采用ANSYS有限元分析软件中的三维8节点四面体实体单元Solid45对模型进行网格划分； 

③确定边界条件 

确定位移边界条件和力边界条件； 

④应力应变的分析结果 

1)应力分析分析成形设备的Von Mises应力分布，计算成形模具及成形设备整体最大的Mises应力值及出现位置，分析成型设备在施加载荷方向(在ANSYS中为y方向)上的应力分布，计算最大的y方向应力值及出现位置； 

2)变形分析分析成形模具与成形设备整体等效位移分布情况，计算最大的等效位移值及出现位置；分析y方向上位移分布情况，计算最大的y方向上位移值及出现位置； 

(2)成形设备自身应力及变形分析 

去掉模具部分，按照前述步骤重新进行模拟分析，得到： 

①应力分析分析成形设备Von Mises的应力分布，计算成形设备最大的Mises应力值及出现位置；分析成型设备施加载荷方向(在ANSYS中为y方向)上的应力分布，计算最大的y方向应力值及出现位置； 

②变形分析分析成形设备等效位移分布情况，计算最大的等效位移值及出现位置；分析成形设备y方向上位移分布情况，计算最大的y方向上位移值及出现位置； 

(3)模具与设备耦合模拟分析结论： 

比较两种情况下的模拟计算结果，包括：成形模具与成形设备耦 合时、成形设备去掉成形模具时的差值，即在成形模具与成形设备的耦合分析时，成形模具所占的值，和在成形模具与成形设备的耦合一体化分析时成形模具所占的百分比份额。 

本发明的工作原理：本案基于弹塑性变形理论、机械多体系统理论、塑性成形加工技术及有限元技术等多学科领域及相关科学，建立工件塑性成形过程的有限元模型，通过模型解算，获得工件塑性成形过程的载荷分布，作为制件——成形模具——成形设备系统耦合分析的边界条件，采用弹性有限元技术，分析成形模具与成形设备的静刚度，建立静刚度模型，再对成形模具与成形设备进行刚性联结分析及单独对成形设备进行分析，比较两种情况的结果，通过解算后得到模具刚度所占的份额与系统耦合分析的边界条件，从而达到优化成形设备的性能和技术参数、优化成形模具结构设计、保证成形产品质量和降低生产成本的目的。 

本发明的优越性与技术效果在于：(1)使成形模具具有良好的刚度；(2)可以降低成形模具制造成本；(3)该方法可以达到优化成形设备的性能和技术参数、优化成形模具结构设计、保证成形产品质量的目的；(4)通过该方法实践验证，在金属塑性成形中，成形模具刚度占成形模具与成形设备耦合总刚度的份额比例在20％～30％，证明该方法应用的合理性和可靠性。 

(四)附图说明：

图1本发明所涉一种用于成形模具与成形设备的耦合刚度测试分析的工作方法中的成形设备模型； 

图2为图1中所涉成形设备机身力学模型； 

图3为图1中所涉成形设备与成形模具的Von Mises应力分布结果示意图； 

图4为图3中所涉成形设备与成形模具的y方向应力分布结果示意图； 

图5为图1中所涉成形设备与成形模具的等效位移分布结果示意图； 

图6为图5中所涉成形设备与成形模具的y方向上位移分布结果示意图；

图7为图1中所涉成形设备的Von Mises应力分布结果示意图； 

图8为图7中所涉成形设备的y方向应力分布结果示意图； 

图9为图1中所涉成形设备的等效位移分布结果示意图； 

图10为图9中所涉成形设备的y方向上位移分布结果示意图。 

(五)具体实施方式：

实施例：一种用于成形模具与成形设备的耦合刚度测试分析的工作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

(1)建立模型：采用CAD软件Pro/E对THP34Y-1000型船体板材成形液压机进行三维实体建模，建立有限元分析模型； 

(2)对THP34Y-1000型船体板材成形液压机的模型进行整体模拟分析：根据THP34Y-1000型船体板材的成形条件，将THP34Y-1000型船体板材成形液压机刚性联结在一起，进行整体的有限元模拟分析； 

(3)对液压机进行单独模拟分析：根据THP34Y-1000型船体板材的成形条件，单独对液压机进行有限元分析； 

(4)对(2)与(3)两次的有限元模拟分析结果进行解算：比较(2)与(3)两次的有限元模拟分析结果，应用常规数学解析方法得到差值即为在THP34Y-1000型船体板材成形液压机系统中模具刚度所占的份额与系统耦合分析的边界条件。 

上述所说的步骤(4)中的解算方法可以采用如下方法： 

(1)成形模具与成形设备耦合应力及变形分析 

①载荷分析 

THP34Y-1000型液压机是用于造船厂船体厚钢板的弯曲成形。生产实际中的最大压力为10000KN。 

②有限元模型 

根据液压机结构特点，采用CAD软件Pro/E对其进行三维实体建模，如图1所示。液压机主要部件是机身，弯曲模具安装在液压机机身上梁的移动装置上。具体情况是：工作油缸固定在上梁的移动装置上，工作油缸内装有活塞，活塞的下端通过联接装置与压头相连接，压头下表面安装着弯曲模的凸模，下横梁的移动装置上安装回转工作台，其上安装着凹模。

③边界条件 

采用ANSYS有限元分析软件中的三维8节点四面体实体单元Solid45对模型进行网格划分，如图2所示。确定位移边界条件和力边界条件。 

④应力应变分析结果 

1)应力分析液压机Von Mises应力分布如图3所示。最大的Mises应力出现在旋转台下部，最大应力值为44.108MPa。施加载荷方向(在ANSYS中为y方向)上的应力分布如图4所示。最大的y方向应力出现在旋转台下部，应力值为—50.569MPa，符号表示为压应力。 

2)变形分析图5为液压机等效位移分布情况，最大的等效位移为0.199076mm，位于凹模两个半圆柱区域。图6为液压机y方向上位移分布情况。最大的y方向上位移为0.196663mm，位于凹模区域和一小部分的回转台上。 

(2)THP34Y-1000型液压机机身应力及变形分析 

去掉模具部分，按照前述步骤重新进行模拟分析。得到： 

①应力分析液压机Von Mises应力分布如图7所示，最大的Mises应力为34.299MPa，位于旋转台与下横梁接触部分。施加载荷方向(在ANSYS中为y方向)上的应力分布如图8所示，最大的y方向应力为—39.763MPa，符号表示为压应力，位于旋转台与下横梁接触部分。 

②变形分析图9为液压机等效位移分布情况，最大的等效位移为0.151912mm，位于旋转台大部分区域。图10为液压机y方向上位移分布情况，最大的y方向上位移为0.150548mm，位于旋转台大部分区域。 

(3)模具与设备耦合模拟分析结论. 

比较两种情况下的模拟计算结果，包括：成形模具与成形设备耦合时、成形设备去掉成形模具时(液压机机身)、差值(在成形模具与成形设备的耦合分析时，成形模具所占的值)和在成形模具与成形设备的耦合一体化分析时成形模具所占的份额(百分比)。如表6所示：

表6计算结果 

  

	安装模具时	去掉模具时	差值	模具所占份额
					最大Von Mises应力	44.108MPa	34.299MPa	9.809MPa	22.2％
最大的y方向应力	-50.569MPa	-39.763MPa	-10.806MPa	21.4％
					.最大的等效位移	0.199076mm	0.151912mm	0.047164mm	23.7％
最大的y方向上位移	0.196663mm	0.150548mm	0.046115mm	23.4％

从计算结果可以看出： 

①在成形模具与成形设备耦合模拟分析中，成形模具所占的份额比例在20％以上。因此，在制件成形过程中，不能忽略成形模具的影响。特别是提高成形制件的精度，仅靠成形设备的刚度是不够的，还应使成形模具具有良好的刚度，以保证成形产品的质量要求。 

②从数值上分析，成形模具所占的位移量比成形设备整体位移量低一个数量级，因此，对于制件成形尺寸精度，成形设备刚度是占主导地位的。 

③在成形模具设计时，单纯提高成形模具刚度是不能完全解决成形制件的精度问题。因此，在成形模具设计时刚度选择应适当，这样可以降低成形模具制造成本。 

总之，通过基于成形产品的成形模具与成形设备耦合刚度分析方法，可以达到优化成形设备的性能和技术参数、优化成形模具结构设计、保证成形产品质量和降低生产成本的目的。

Claims (2)

1.一种用于成形模具与成形设备的耦合刚度测试分析的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)建立模型：采用CAD软件Pro/E对成形模具与成形设备进行三维实体建模，建立有限元分析模型；

(2)对模具与设备模型进行整体模拟分析：根据成形制品的成形条件，将成形模具与成形设备刚性联结在一起，进行整体的有限元模拟分析；

(3)对设备模型进行单独模拟分析：根据成形制品的成形条件，单独对成形设备进行有限元分析；

(4)对(2)与(3)两次的有限元模拟分析结果进行解算：比较(2)与(3)两次的有限元模拟分析结果，应用常规数学解析方法得到差值即为在制件——成形模具——成形设备系统中模具刚度所占的份额与系统耦合分析的边界条件。

2.根据权利要求1所说的一种用于成形模具与成形设备的耦合刚度测试分析的工作方法，其特征在于所说的步骤(4)中的解算方法可以采用如下方法：

(1)成形模具与成形设备耦合应力及变形分析：

①工作载荷分析

测量成形设备生产实际中所受的最大压力x；

②建立有限元模型

根据成型设备特点，采用CAD软件Pro/E对其进行三维实体建模，采用ANSYS有限元分析软件中的三维8节点四面体实体单元Solid45对模型进行网格划分；

③确定边界条件

确定位移边界条件和力边界条件；

④应力应变的分析结果

1)应力分析分析成形设备的Von Mises应力分布，计算成形模具及成形设备整体最大的Mises应力值及出现位置，分析成型设备在施加载荷方向，也就是ANSYS中的y方向上的应力分布，计算最大的y方向应力值及出现位置；

2)变形分析分析成形模具与成形设备整体等效位移分布情况，计算最大的等效位移值及出现位置；分析y方向上位移分布情况，计算最大的y方向上位移值及出现位置；

(2)成形设备自身应力及变形分析

去掉模具部分，按照前述步骤重新进行模拟分析，得到：

①应力分析分析成形设备Von Mises的应力分布，计算成形设备最大的Mises应力值及出现位置；分析成型设备在施加载荷方向，也就是ANSYS中的y方向上的应力分布，计算最大的y方向应力值及出现位置；

②变形分析分析成形设备等效位移分布情况，计算最大的等效位移值及出现位置；分析成形设备y方向上位移分布情况，计算最大的y方向上位移值及出现位置；

(3)模具与设备耦合模拟分析结论：

比较两种情况下的模拟计算结果，包括：成形模具与成形设备耦合时、成形设备去掉成形模具时的差值，和在成形模具与成形设备的耦合一体化分析时成形模具所占的百分比份额；所述差值即在成形模具与成形设备耦合分析时，成形模具所占的值。

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