模具外文翻譯

1、 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯學(xué)院 (系)： 機械工程及自動化 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 楊 龍 學(xué) 號： 0801010236 (用外外文出處： Ilker Demir, Oguz Kayabasi, Bulent Ekici. Probabilistic design of sheet-metal die by Finite element method. Materials and Design 29(2008)721-721. 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語： 簽名： 2011年 月 日注：請將該封面與附件裝訂成冊。附件

2、1：外文資料翻譯譯文基于有限元方法的板料成形模具可靠性設(shè)計摘要 板料成形模具中，最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在連接模具與框架的金屬棒上。采用有限元方法和可靠性分析研究金屬棒的疲勞性給模具壽命的預(yù)測帶來了很大的方便。為了降低板料成形模具中的應(yīng)力，同時提高它的疲勞壽命，論文提出一種有效的設(shè)計方案，即將有限元分析、近似模型、數(shù)值優(yōu)化算法和可靠性設(shè)計方法Monte Carlo模擬集成在一起從而形成了一種自動設(shè)計工具。 這種集成的可行性在使用可靠性設(shè)計技術(shù)時得到了檢驗，最終借助可靠性設(shè)計結(jié)果將金屬棒的疲勞性預(yù)測了出來，分析結(jié)果中顯示材料的體積節(jié)省了43%，應(yīng)力值也比最初設(shè)計時降低46.3% ，疲勞系數(shù)降低了36%。

3、1. 引言 板料成形工藝中，計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助設(shè)計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)這三項技術(shù)是基礎(chǔ)。尤其是在汽車制造業(yè)中，由于板成形模具主要在高負載條件下工作，所以成本很高，為此，提高模具工作部分的使用時間對降低大量生產(chǎn)的成本來說就顯得非常重要。在板料成形過程中，模具結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，模具要擠壓金屬數(shù)十萬次，該過程中一個最重要的問題就是預(yù)測模具工作部分的疲勞壽命1?；谶@個原因，模擬板料成形模具的變形問題和預(yù)測它的疲勞壽命已成為近期關(guān)注的重要問題，同時有限元方法（FEM）也變得越來越重要，尤其是在模擬變形和疲勞的過程中。有限元方法的研究用的是理想模型，但現(xiàn)實制造業(yè)中

4、并不存在這種模型，因為會出現(xiàn)一些不可預(yù)測的設(shè)計參數(shù)。為了避免這些參數(shù)帶來的不確定性，設(shè)計人員常使用安全系數(shù)。近些年來，一些設(shè)計人員又開始使用可靠性設(shè)計技術(shù)來替代這些安全系數(shù)?？煽啃栽O(shè)計技術(shù)甚至在一些困難的工程領(lǐng)域如實體或中空模具在擠壓時的性能分析2，焊接鋼管結(jié)構(gòu)的疲勞性分析3及隧道支撐設(shè)計4等方面也得到了廣泛有效的應(yīng)用。 板料成形模具中，最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在連接模具與框架的金屬棒上。用有限元方法和可靠性分析研究金屬棒的疲勞性給模具壽命的預(yù)測帶來了很大的方便。板料成形設(shè)計時，摩擦力和壓邊力會帶來一些不確定性，這時可以通過Monte Carlo模擬來分析系統(tǒng)的可行性5，即使已經(jīng)得到了疲勞性測試的結(jié)果

5、，該結(jié)果的可靠性也需要通過模擬來證實6。 在這項研究中，為了降低板料成形模具中的應(yīng)力，同時增加它的疲勞壽命，我們提議出一種有效的設(shè)計方案，這種方案就是將有限元分析、近似模型、數(shù)值優(yōu)化算法和可靠性設(shè)計方法Monte Carlo模擬集成在一起從而形成了一種自動設(shè)計工具。應(yīng)用這種方法，板料成形模具中金屬棒上的最大應(yīng)力問題可以很簡單地通過數(shù)值優(yōu)化算法來解決。該過程中對模具工作部分進行了兩種類型的加載，分別是螺旋彈簧加載和氣墊彈簧加載。這個結(jié)果的可行性用可靠性設(shè)計技術(shù)得到了檢查和完善，最終借助可靠性設(shè)計結(jié)果將金屬棒的疲勞性預(yù)測了出來。由這種優(yōu)化處理問題的方法產(chǎn)生了優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，以下內(nèi)容里將詳細介紹設(shè)計的

6、過程。2. 最優(yōu)化算法、有限元模型、可靠性設(shè)計和疲勞2.1 最優(yōu)化方法 一般地，形狀或材料設(shè)計優(yōu)化問題可以用以下的約束最小化公式表達7：最小化：y0(x) (1)使之滿足：yj(x)0 (j=1,c) (2) 在設(shè)計空間內(nèi)：xilxixiu (i=1,N) (3)這里y0(x) 是目標(biāo)函數(shù)，yj(x)(j=1,c)是約束函數(shù)，x=x1，x2，xN是設(shè)計變量中的矢量。xil和xiu分別表示設(shè)計變量的物理上界和下界，c和N分別表示約束的個數(shù)和設(shè)計變量的個數(shù)。約束和目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)是重量、穿透深度、能量吸收等等。 用公式(1)-(3)解決形狀優(yōu)化問題可以有效地更換目標(biāo)和約束函數(shù)與響應(yīng)面(RS)的逼近，這

7、種優(yōu)化逼近在文獻上常常被稱為近似優(yōu)化設(shè)計。近似優(yōu)化方法在ANSYS DO模塊中得到了實施，它在該研究中的應(yīng)用如圖1所示，ANSYS DO模塊為目標(biāo)或約束函數(shù)的求解創(chuàng)建并應(yīng)用了遙感多項式逼近，具體如下8：在這里a,b,c是待定的系數(shù)。 在優(yōu)化設(shè)計過程中，ANSYS DO首先要創(chuàng)建N+2個設(shè)置以便建立一種線性近似，這些設(shè)置表示了該設(shè)計中所有參數(shù)的值。ANSYS DO不僅能隨機地生成設(shè)置還能利用優(yōu)化數(shù)據(jù)庫中已存在的設(shè)置。形狀優(yōu)化分析是通過有效的設(shè)置實施的，分析的結(jié)果再用來創(chuàng)建目標(biāo)和約束的線性逼近，高階逼近如二次和二次交叉RS逼近是通過最小二乘法創(chuàng)建出來的，這時數(shù)據(jù)庫里要有足夠的設(shè)置。優(yōu)化設(shè)計是建立在

8、補償函數(shù)的基礎(chǔ)上用數(shù)值優(yōu)化算法求解公式(1)(3)預(yù)測出來的，預(yù)測結(jié)果通過精確分析(ANSYS)得到證實，如果預(yù)測的目標(biāo)和約束與ANSYS分析的結(jié)果相同，或者估計的優(yōu)化設(shè)計足以達到要求，那么優(yōu)化循環(huán)回路就會結(jié)束，否則，新計算出來的數(shù)據(jù)將添加到已存在的設(shè)置中，建立新的逼近。2.2 幾何造型和有限元造型 幾何造型是一種參數(shù)化建模，如圖2和圖3中所示，它出自Ford Turkey。用高頂面板模具來作示范，它的尺度上限和下限同樣也是出自Ford。A=1400(對稱模型)，B=650(對稱模型)，C1=75，C2=75，C3=75，D=200，E=40（金屬棒寬度) T=40（框架寬度） 有限元方法的第

9、一步是建立有限元模型和幾何模型。這個步驟中，采用八頂點的六面體單元對四分之一的模具模型進行網(wǎng)格劃分，模型的單元數(shù)是15264個單元，該單元用的是ANSYS庫里的SOLID45類型，它由八個節(jié)點組成的，每個節(jié)點都有三個自由度，如圖3所示。圖3.有限元模型:(a)整個模型(b)對稱模型 有限元方法的第二步是選擇能夠代表材料性能的材料模型，因為應(yīng)力和應(yīng)變值發(fā)生在彈性極限處，所以常常選擇線性均勻的彈性材料。材料牌號為GG30的可鑄鍛材料：彈性模量(E)：210000 MPa,泊松比(v): 0.3,密度：7.86e-6 kg/mm 有限元方法的第三步是提供負載和邊界條件，這里就用到了具有對稱邊界條件的

10、四分之一模型。不僅要將動態(tài)負載加載到該模型中，靜態(tài)重量也要考慮進去。這里分別提供了螺旋彈簧和氣墊彈簧的加載條件，如圖4所示。該研究的另一個目的是根據(jù)這兩種加載狀態(tài)，預(yù)測該系統(tǒng)的疲勞壽命。圖4.模型兩種加載類型的特點3.實驗結(jié)果3.1 有限元和優(yōu)化結(jié)果 有限元分析的結(jié)果是可以接受的，最大應(yīng)力如預(yù)期的那樣出現(xiàn)在金屬棒底部，最大撓度出現(xiàn)在中間，如圖5所示。有限元分析、近似模型、數(shù)值優(yōu)化算法集成在一起形成了一種自動化設(shè)計工具。材料節(jié)省了43%，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，優(yōu)化過程之后使用了可靠性處理，可靠性處理的細節(jié)將在下面的部分講到。3.2 可靠性設(shè)計 連續(xù)生產(chǎn)過程中，每件產(chǎn)品都不同于

11、其它產(chǎn)品，這些差異是由于材料、人為因素、標(biāo)注、機器設(shè)置等不確定性造成的。如果有足夠的樣本，可以將每個設(shè)計參數(shù)的統(tǒng)計出來，根據(jù)它們出現(xiàn)的頻率可以得出它們的概率，然后這些參數(shù)就稱為隨機變量。傳統(tǒng)工程計算中用的是這些變量的平均值，然而它們不是一個常數(shù)而是在一定范圍內(nèi)變化的量，如果對結(jié)果的精確度要求很高，這些變量的其它值要比平均值用的更多，如標(biāo)準(zhǔn)偏差。在標(biāo)準(zhǔn)計算中，使用安全系數(shù)消除了一系列變化的因素。在可靠性設(shè)計中，設(shè)計參數(shù)的概率分布可以計算出來，概率分布的結(jié)果顯示了設(shè)計的可靠性。設(shè)計者可以根據(jù)顧客的要求使用可靠值，從而以最小的成本換取最高的安全和質(zhì)量。 設(shè)計參數(shù)或獨立隨機變量的分布代表一種類型，最常

12、用的分布類型是正常分布、對數(shù)正態(tài)分布、均勻分布、指數(shù)分布、分布、分布。這些隨機變量的分布類型如表2所示。3.3 Monte Carlo模擬 圖6為Monte Carlo方法流程圖，根據(jù)參數(shù)發(fā)生的概率來確定它們在每個循環(huán)的值。在Monte Carlo方法中，產(chǎn)生了均勻分布的隨機數(shù)，即用這些參數(shù)的累計分布將它們的值轉(zhuǎn)化成數(shù)字，這一過程是參考參數(shù)的概率密度函數(shù)實現(xiàn)的。為了獲得一項近似的分布類型，需要大量的試驗。3.4 可靠性設(shè)計結(jié)果 用可靠性設(shè)計技術(shù)可以得到應(yīng)力可靠性圖表，像在表中看到的那樣，應(yīng)力值隨著可靠性的增加而增加，50%的可靠性對應(yīng)螺旋彈簧加載的應(yīng)力值約為43MPa，即要使可靠性達到50%，

13、應(yīng)力值必須低于43MPa。而99%的可靠性分別對應(yīng)螺旋彈簧和氣墊彈簧加載的應(yīng)力值為80MPa和100Mpa。如果系統(tǒng)設(shè)計是用來抵御螺旋彈簧加載的80MPa應(yīng)力，它會因具備99%的可靠性而表現(xiàn)得很耐用，如圖7。圖7.兩種加載狀態(tài)應(yīng)力可靠性曲線 可靠性設(shè)計技術(shù)的使用使安全系數(shù)變得更有效，正如圖中，1.8的安全系數(shù)足以獲得99%的可靠性。一般情況下，2.5-3的安全系數(shù)才能用于模具設(shè)計，如果使用了可靠性設(shè)計技術(shù)，1.8的安全系數(shù)也就足夠了，如圖8。這就減少了約30-40%的成本從而增加了利潤。對于氣墊彈簧加載條件，安全系數(shù)約為1.5就可以了，而且可以獲得更高的利潤。圖8.兩種加載狀態(tài)安全系數(shù)可靠性曲

14、線 敏感的隨機變量對應(yīng)力和撓度的影響也顯示在圖9中，由圖可知，C2是對應(yīng)力起最顯著作用的變量，A，壓力，B，D，E和C3是另外一些重要的變量。C2，E，C3是對應(yīng)力起負作用的變量，即它們的值越高，應(yīng)力就越小。楊氏模量和密度像預(yù)期的那樣對應(yīng)力幾乎不起作用，T和C1也是如此。 C2是對撓度影響最大的一個變量。D,A,壓力，楊氏模量和B對撓度也有影響。C2和楊氏模量對撓度起負作用，而C1，C3，E，T和密度對撓度不起作用。圖9.對應(yīng)力敏感的隨機變量 隨機變量的矩陣相關(guān)系數(shù)如表3所示，括號內(nèi)的值是不重要的變量，C2的值是負的，這是因為它對應(yīng)力和撓度都是起負作用，如圖10。圖10.對位移敏感的隨機變量3

15、.5 模具疲勞 循環(huán)載荷作用下，材料強度會隨著時間增加而降低，在應(yīng)力低于極限應(yīng)力處會出現(xiàn)斷裂，這些都是由疲勞引起的，因此在模具設(shè)計過程中要進行疲勞計算。一套模具在自動化工業(yè)生產(chǎn)中要使用數(shù)十萬次，設(shè)計不好的話就會因疲勞而不能再使用。在板料生產(chǎn)過程中，皺紋的產(chǎn)生與很多的參數(shù)有關(guān)，如壓應(yīng)力、壓邊力和時間選擇等等。皺紋會產(chǎn)生應(yīng)力集中進而產(chǎn)生裂紋，如圖11。裂紋又隨著循環(huán)負荷而傳播，最終導(dǎo)致模具失效，這就是為什么在設(shè)計板料成形模具時，一定要得到可靠的、長久的疲勞壽命。圖11.板料成形中的模具失效 同樣在模具中，最大應(yīng)力一般也發(fā)生在連接模具與框架的金屬棒處，設(shè)計較好的金屬棒能夠抵抗循環(huán)負荷和疲勞。以最小的

16、成本獲得最大的抵抗力是最終的目的，可靠性設(shè)計在這里就起了重要的作用。 這次研究中，模具的疲勞壽命是基于有限元分析方法利用ANSYS軟件預(yù)測出來的，而計算是則是基于Goodman、Soderberg和Gerber理論，這在表4中有說明。 表4中，N表示負載周期中疲勞壽命安全系數(shù)，Se和Su分別表示材料的疲勞極限和抗拉強度極限。平均應(yīng)力m和交變應(yīng)力a可通過下面的公式得到：有限元分析里的Von Misses應(yīng)力在疲勞壽命計算中得到了應(yīng)用。所有的疲勞分析是按照無限壽命標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的（即N=周期），如圖12。3.6 疲勞可靠性分析 根據(jù)疲勞理論解釋，安全系數(shù)對無限循環(huán)加載是非常必要的。如果疲勞安全系數(shù)是通過

17、Goodman、Soderberg和Gerber計算出來的，它們的值分別是5.65、5.23、5.72，即如果安全系數(shù)是5.23，它將可以無限次的使用。然而考慮到系統(tǒng)的可靠性，更有效的疲勞安全系數(shù)將獲益更多。從以上可以看出，最大應(yīng)力處計算出來的C2、A和壓力是最重要的隨機變量，用這三個變量可以將疲勞可靠性計算出來。如圖13所示，安全系數(shù)從5減小到3.2，這就意味著節(jié)約了36%的材料和勞動力。4.結(jié)論l 使用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)能使具有相同的最大應(yīng)力時，體積減小到原來的43%。l 氣墊彈簧加載比螺旋彈簧加載對系統(tǒng)多提供25-40%的壓力。l 最大應(yīng)力出現(xiàn)在金屬棒的底部，而最大撓度則出現(xiàn)在重心處。l 可靠

18、性設(shè)計技術(shù)表明，安全系數(shù)為1.8時可以獲得99可靠性（不包括疲勞計算），而安全系數(shù)為1時可靠性約為50。l 應(yīng)力受C2、A和壓力值的影響最大，而不受楊氏模量和密度的影響。l 位移受C2、D、A、壓力和楊氏模量的影響最大，而不受密度的影響，楊氏模量對位移有影響而對應(yīng)力無影響。l 疲勞計算要求的安全系數(shù)在5.2-5.7之間，然而通過使用可靠性設(shè)計技術(shù)使得安全系數(shù)在3.2-3.5之間就已經(jīng)足夠了，這是上面提到的1.8安全系數(shù)值的兩倍，安全系數(shù)為1時循環(huán)負載將不能加載。l 可靠性設(shè)計技術(shù)為靜態(tài)、動態(tài)和循環(huán)負載條件提供了預(yù)測更高效的安全系數(shù)的方法，這些系數(shù)意味著設(shè)計將會更加輕便和便宜。鳴謝 這項研究已經(jīng)

19、由FORD OTOSAN TURKEY Tool and Die and Prototype Manufacturing Department做了出來。在此作者要感謝Ferit Firat，是他為設(shè)計過程提供了需要的數(shù)據(jù)。參考文獻1 Gustavsson A, Larsson M, Melander A. Fatigue life of pressed steel sheet components. Int J Fatigue 1997;19(89):6139.2 Sheikh AK, Arif AFM, Qamar SZ. A probabilistic study of failures

20、of solid and hollow dies in hot aluminum extrusion. J Mater ProcessTechnol 2004;155156:17408.3 Chryssanthopoulos MK, Righiniotis TD. Fatigue reliability of welded steel structures. J Construct Steel Res 2006;62:1199209.4 Oreste P. A probabilistic design approach for tunnel supports. Comput Geotech 2005;32:52034.5 Kleiber M, Rojek