基于CAE分析的冲压件结构设计优化

冀冠一

摘 要：现在很多模型和物件的基本结构都是冲压件结构，其设计方案还不够完善，研究人员和技术人员在经过多次实践以后，对其进行科学合理的调整，本文将以液晶电视的底板为研究对象，简要叙述冲压件形成过程，分析其中产品结构优化设计过程，并证明该设计的可行性，加工过程速率提高，值得学者和技术人员进行深入的研究。

关键词：CAE；优化设计；冲压；底板

中图分类号：TG385.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0075-02

最初，我国的五金冲模技术主要是根据经验和一些前人的资料，结合所要制作出的冲压件的结构，设计出其对应的模具，技术人员根据其用途使用该模具，对不适宜的地方进行修改，甚至对该磨具进行重新设计，直到该模具满足人们的需求，这既是对冲压件质量的保证，也是在一定程度上增加冲压件的使用寿命，但是产品的制造成本较大。现在计算机技术发展迅速，被用于各个行业，将计算机技术用于冲压件制造的过程，尤其是计算机辅助工程CAE，作为新型技术被广泛使用，且其性价比高。冲压模CAE技术是利用数值计算理论构造其求解方法，模拟出实际成形中板材弯曲、拉伸、回弹过程，定量地给出成形过程的状态参数。冲压模CAE技术能够在模具制成之前，根据压力计的压力情况，预测其成形情况，发现其中可能存在的问题，结合问题的成因，将其设计结构进行修改和完善。本文笔者以某一大型液晶电视（LCD）底板冲压件为例，使用UG方法设计冲压件的三维结构，用Dynaform进行有限元网格、定义边界条件和载荷等前处理，再利用LS-DYNA求解器进行分析，从而对冲压件结构设计进行指导和对冲压件的成形工艺可行性进行验证。

1 冲压件成形工艺分析

冲压件成型过程包含多个过程，其每个过程都至关重要，因此在冲压件成形之前技术人员需要对其成型工艺进行分析，本文笔者主要分析冲压件产品特征、冲压件成形有限元模型和经验法设计结果及对比三方面，从中明确出引入CAE分析，优化冲压件结构的必要。

1.1 冲压件产品特征分析

液晶电视的底板包括立柱、立柱支撑件、面板和底板四部分组成，这四个部件从上至下紧密衔接，因为液晶电视的平均质量在20Kg左右，因此其底板需要能够支撑起20Kg的重量，地板的四周分布有均匀排列的螺丝孔，并将其固定橡胶垫上，防止打滑情况，并支撑底座，立柱上的圆盘是与液晶面板接触的平面，其下连有旋转立柱，其设计是依据钣金塑性成形原理，设计者发散其设计思维，兼具实用与艺术，并将其零件的机械性能、整机的机械强度和稳定性得到了很好的改善。

1.2 冲压件成形有限元模型

底板冲压件有限元模型包括凸模、胚料和凹模三部分，当以SGCC为原材料时，该模型的壁厚为1.5mm，弹性模量為212000GPa，泊松比为0.3，抗拉强度为300MPa，其中磨具间隙为磨具壁厚的0.1倍，即0.15mm，工件接触摩擦系数取0.1，根据这些参数进行试验，证明其可行性。当使用其他原材料时，都有相应的技术参数，这些技术参数都是经过验证的，具有很高的可行性，但是在后期发展中，可以根据这些数据衍生出很多其他模具的技术参数，完善模具，提高该产业发展速度。

1.3 经验法设计结果及对比分析

笔者根据经验法设计出试冲样件和有限元仿真得到的成形极限图-FLD两种产品，经过对比分析，发现两款产品出现问题的区域几乎一致，例如产品破裂的区域和产品翘曲的区域，这直接说明仿真产品与实际冲压件产品在其结构、质量和使用年限上是非常相似的，因此，冲压件结构设计者如果在正式将涉及投入使用之前，引进有限元仿真成形质量结果分析，就可以避免残次品大量出现，降低生产成本，提高生产效率，使得产品更加快速、科学合理的进入市场。

2 产品结构设计优化及对比分析

2.1 产品结构设计优化

根据上述分析可以看出，仿真产品与实际冲压件产品在其结构、质量和使用年限上是非常接近，技术人员可以通过分析有限元仿真的实用性、瑕疵情况，寻找出冲压件机构设计中存在的不足，本文笔者通过对液晶电视底本冲压件有限元仿真产品元件进行分析，发现该液晶电视底板结构设计可以优化以下几点，一是增加破裂区的圆角，并且圆角采用变倒圆角的方式，随着拉伸高度高的地方相应地增加圆角半径，增加其拉伸弹性；二是降低该底板结构中顶面与底面间过渡区的坡度，且尽可能地使其拉伸深度大小一致，过渡均匀，减小过渡区的刚性强度，增加地板支撑重量；三是翘曲部分区域可通过压边加拉延筋等途径改善等。这些优化措施不仅仅适用于液晶电视的底板，对现在人们所需的冲压件结构有很大的帮助。

2.2 试验结果对比分析

通过对液晶电视底板进行产品结构优化，并得到其优化后的有限元仿真结果-FLD图，对该图进行分析，分析结果是能够从该突出看出结构变形区域多数集中在塑性变形较好的范围内，结构中可能出现破裂的区域能够通过后期修改和完善，将破裂区进行修复，还有一部分区域需要使用压边工艺才能将其进行修复或者改善。并且在实验结构对比分析阶段，还可以绘制出产品结构设计优化后的CAE分析结果-厚度云图，从该图中可以确定整个冲压件的厚度最低界限，但是也是根据材料而定，一般不能低于按原设计的50%。根据现有的模具可以分析出，在冲压件结构设计过程中引入CAE分析，能够在一定程度上提高产品的质量，并且提高产品设计开发的效率，这对于模具行业的发展有重要的意义。

3 结语

近些年，我国经济发展结构正在进行调整，提倡降低资源浪费，对于高消耗的模具行业这是一大挑战，为了响应国家号召，模具行业的技术人员积极寻找降低浪费的办法。现在再冲压件结构设计中引入数值模拟技术，在产品开发初期和模具试用前预测出产品可能出现的问题，包括质量问题和设计问题，在后期进行改善，因此其为产品结构设计优化和改善提供有力的指导，大大提高了产品开发效率。从本文的描述可以看出，利用有限元仿真工具，对于产品开发具有指导意义。

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