框架式复材成型模具轻量化设计方法

框架式复材成型模具轻量化设计方法

仵向龙   张泽亮    潘发展

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西  西安  710089

摘要：框架式通常包括型面板和支撑结构[，其中支撑结构通常是通过实验设计的，并保留设计定义隔板参数，如层厚度和层间距。模具质量越高，材料消耗越大，模具的制造成本就越高。因此，有必要研究轻量级设计。基于Abaqus软件，目标是轻量化模具，在实体和壳单元条件下对复合材料进行建模，进行硬度和强度分析，可靠地分析材料实体被代替壳单元，优化复合材料隔板的厚度并确定材料的尺寸。

关键词：框架式；成型模具；有限元分析

目前，保证模具的硬度，业内普遍采用保守设计来确定型板、隔板厚度、通风孔等参数。模具质量更高，材料消耗更高，生产成本增加。热容量的增加也会影响复材成型，而质量的提高也对相应设备的制造，运输和使用提出了更高的吨位要求，这就需要设计轻量化。

一、框架式模具结构分析

轻量化设计主要是对设计对象的优化和对材料、结构、制造等的分析。其中，设计优化是实现轻量化的重要途径，结构优化通常包括拓扑、形状和尺寸。在设计结构的模具时，研究人员进行了拓扑优化研究。使用拓扑已被用于开发轻量化结构和框架式模具复合材料的组件，优化的拓扑通常是不规则形状的，需要重新设计桁架难以加工。尺寸优化通过减小隔板厚度和增加列间距间距来减轻模型的重量，而不改变现有模型的形状。复合结构材料的模具如图1所示由型面板、吊耳、隔板。图1中的复合模型的长度、总宽、总高、隔板厚、间距分别是2040、1140、488、10、335mm，吊装模具共有4个在两侧模具用于吊耳，纵横焊接以确保板的硬度。一般采用隔板厚度间距较小设计方法，但这种方法不仅会造成材料损失，而且还会增加模具的总重量，这不符合轻量化模具的概念，为了保证模具的硬度，减小了模具的总重量，在减小厚度的条件下，但由于设计轻量化，采用实体分析方法制作多个3D实体模型需要大量的计算。因此，壳单元模型是有限元分析和尺寸优化的首选，保证了壳单元计算的准确性。

图1成型模具结构

二、典型工况分析

1.建立有限元模型。为了比较壳与实体单元准确性，使用壳与实体单元分析了不同条件下的应力和模型位移。研究材料、弹性模量、泊松比、密度、屈服值分别为A3钢、210000MPa、0.3、7800kg/m3、235MPa。对于有限的软件需求，实体与壳单元模型为0.583、0.590吨质量或允许范围的1.2%。在匀速起吊方向上，实体与壳单元被分割成网格，如果它们具有相同的网格大小，则实体模型单元的数量将是壳单元数量的两倍。因此，使用壳单元分析可以减少计算时间，本文框架式分析了结构模型在4种力学性能，环境温度、支撑条件、固定约束4个角边模具底部和总重力下的力学性能。在温度和铺贴条件下，模具的四个下角被固定，所有的重力场和模具都具有均布力，为20000N均布力。在室温下，上升速度均匀，固定吊耳处，重力场施加;环境温度，起吊加速度条件，固定吊耳处，一般重力场施加3倍。

2.分析结果。在参考条件下，应力和移位分布的趋势进行了讨论，壳单元是非常接近的实体单元分析的结果。模拟中不同仿真条件下的最大应力和最大位移。(1)在上述运行条件下，相同的最大应力不得超过屈服强度，以满足设计强度。（2）匀速吊起条件下，最大应力和最大加速起吊之间的近似误差20%。在其他条件下，等效应力的最大误差约为5%。最大位移误差偏差小于3%，一般来说，实体与壳单元模型之间的分析结果略有不同，这些模型可用于壳代替实体单元来分析模型变形量。

三、基于壳单元模具优化设计

为了分析模型的工作条件，可以通过壳代替实体单元来分析模型变形量，所以这部分优化设计主要是基于壳单元模型。

1.趋势分析。如果隔板设计厚度为10mm，且框架重量大于或等于复合材料总重量的50%，则应特别注意优化厚度，以减少重量与模具总重量的比例。首先，隔板厚度法分析复合材料在高强度，吊装、铺贴条件下的应力、位移。根据复合式的要求，可以保持模具的重量、应力、位移趋势，使其与隔板厚度相匹配。如图2所示，总质量和厚度之间的关系从4毫米增加到10毫米，(1)基本上是呈线性正的；(2)与加速吊起条件相对应的最大应力随厚度的增加而增加，并且与铺贴条件的最大应力趋势相反，但在所有情况下，相同的最大应力不超过屈服强度。（3）在所有情况下，最大位移随着厚度的增大而减小，厚度减小，最大变形增大，因此应在重量轻的前提下保证最大变形要求。

图2隔板厚度对不同工况应力/位移影响

2.优化尺寸。使用有限元软件，可以根据内置可用优化算法的用户限制来优化对象分析。本文档基于Bakhus软件模块，该模块用于各种设计变量，以优化尺寸，框架，隔板厚度和尺寸优化。选择负载优化作为目标函数，有限元中的应变能通常是每个单元总应变能，它是结构整体可柔性度量，可以用表示：

柔度是硬度的对倒数，应变能在一定程度上反映了硬度。作为目标功能，应变能力优化了模具铺贴的尺寸和吊起工况，确保模具减小重量，硬度满足要求。在铺贴条件下，分析框架隔板厚度、等效应力、位移分别8mm、22.22MPa、0.063mm;加速吊起条件下的尺寸优化分析表明，厚度、等效应力、位移为8mm，、65.57MPa、0.027mm，一般为保证刚度与强度要求，选用电隔板8mm，模具总重量减轻0.519吨，重量应减轻12%左右。这里描述的优化方法表明，可以通过减小隔板厚度来减轻模具的重量。

使用实体与壳单元，在四个条件下创建了结构材料的最终模型:支撑，匀速吊起、加速吊起、铺贴。使用Abaqus软件分析不同条件下的模型应力、位移，并比较计算实体与壳单元，以确保位移计算在特定条件下不会发生重大变化。壳体单元可以替代实体单元的有限元分析，模具重量根据模具单元的强度进行优化，框架隔板厚度优化为8mm，以保证模具的重量。这可以作为模具尺寸优化，硬度和热平衡测试，钻孔模型和间距效应等研究的参考。

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