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毕业设计(论文)参考文献译文

学生姓名：

系别：机械工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

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译文出处：Singapore Institute of Manufacturing

Technology

对于模具的疲劳寿命分析和改进的CAE方法论

作者：K. K. TONG, M. S. YONG, M. W. FU*, T. MURAMATSU, C. S. GOH and S. X.

ZHANG

出处：新加坡生产技术研究院

摘要

模具的性能和它的使用寿命在金属成形产业中是一个不平凡的问题，这是由于在这个产业集群的压倒一切的三个问题：效率，成本和质量主要是依靠它们。从设计和制造到下游服务的生命周期中模具许多因素都影响芯片的性能和其使用寿命。这些因素主要包括模具设计与结构，材料特性，模具制造和金属成型工艺，模具和服务情况。尽管存在模具已被用于工业领域已有数十年这个事实，但是去研究一个关于模具寿命评估和改进的高效，实用的方法论这个问题尚未完全解决。在本文中，金属疲劳理论与有限元技术被看作是对于模具寿命分析及改善的方法论的一个延展。应力 - 寿命或S -N的方法被用于模具疲劳分析。为广泛探讨和揭示成形载荷周期，基于CAE方法被用于压力分析，基于S -N的方法和CAE分析，CAE的功能的方法随后被计划，并最终在这项研究中实施了。使用工业部件作为方法研究，去验证论了该项方法论的有效性，韧性以及效率。该方法在金属成形行业可以对模具寿命评估和改善提供一个满意的解决方案。

关键词：疲劳寿命分析，CAE功能的方法;模具设计

1.导论

金属成形是一种传统和成熟的技术，但是这个行业正从三个方面面临着全新的要求：效率，成本和质量。基于知识和经验的这种传统的试错方法繁琐，耗时，容易出错，而且还不能提供解决上述需求的满意方案。另一方面，越来越多的金属成形方面正在变

得更加复杂化，小型化，净形，高品质及具有更少的人工操作的制造。模具，是一种生产金属成型零件的工具，它在精密工程业已经成为了一个瓶颈问题。模具的性能和使用寿命直接影响它在这一产业群中厂家的竞争力。

在模具使用的环境下，模具的寿命是一个关键的问题。模具寿命通常定义为模具发生故障之前由模具生产的零件的数量。在冷成型工艺，模具寿命更是至关重要的，因为模具的应力状态比其他形成更严重工艺和模具失效之前，只能生产几千件。如果模具和其结构进行优化设计，制造工艺和材料选择处理得当，则该模具具有更长的使用寿命。虽然是影响模具性能和使用寿命的因素很多，但模具主要还是受到应力状态决定的，不管模具设计，材料性能，制造工艺和工作环境是如何配置的。在实际生产中，常用的模具失效模式可能是疲劳，磨损和塑料变形或偏转。

疲劳失效的源于裂纹萌生，扩展到最后以至于不能够生产出优质的产品。在疲劳破坏的情况下，脆性疲劳在冷锻模中是最常见的疲劳模式。它是由大的循环应力连同高应力集中所引起的。在集中循环应力情形下导致裂纹生出，扩展至增大。模具本体与凸凹模的裂纹和断裂，尤其是尖锐的拐角扽金属模碎裂，是模具疲劳破坏一些常见的类型。

磨损是逐渐磨损金属表面的。钢坯和模具表面之间的摩擦导致磨损和撕裂。越来越多的磨损可以导致模具失效。在成型过程中，模具和坯料的预热，模具的高压成型，模具与坯料之间的不平衡力都能够引起模具的变形和偏斜。这些变形和偏斜同样能够引起模具失效。在这三种常见的失效模式中，，约46％模具失效是疲劳断裂，26％的是磨损，9％的是变形或偏斜，而其余的是杂失效模式（阿里夫等人，2003）。据资料查得，疲劳断裂在模具实效中占据了很大的比例。

在本研究中，重点是模具疲劳失效的调查。模具疲劳是一个会导致过早失效或模具损坏的过程。模具的疲劳断裂在模具服务的过程中通常是通过循环应力引起的。虽然在金属成型行业中，模具已经被用来生产金属成形零件几十年了，但是关于模具疲劳断裂方面的研究是很有限的并且在这个领域中有资料可查的出版作品很少。主要的原因是，金属成形工艺是非常复杂，难以控制和预测的，因为它可以只用几秒钟去完成一个部件的成型。此外，零部件和模具具有复杂3 -维（3D）几何形状，它也是非常困难的，如果可能，通过完全和更准确的传统解决方案，以确定动态应力分布在模具中。只有在数字技术诞生和繁荣的条件下，动态模具应力才能够被确定和研究。随着计算机辅助工程（CAE）平台的出现，金属成形过程和动态应力状态可以同时进行模拟和分析。另一方

面，已经存在了几十年的金属疲劳理论在疲劳预测现在可以用在模具的疲劳作为预测动应力，并且可以通过CAE 方法显露出来。虽然这些技术还没有就解决的模具寿命的问题进行了深入探讨，但是在这个利基领域还是有过很多的努力。阿里夫等人（2003年）基于对许多现实模具失效情况下的模具失效模式进行了广泛的研究。他们尝试在模具外形与模具失效模式之间建立一些联系。

2.方法论

一个CAE 功能的模具在本节的基础上提出了疲劳寿命评估和改进方法，有限元方法，金属疲劳理论和CAD 数据交换技术。有利的技术也简明扼要地阐述。

2.1有限元法

有限元技术，其工程的诞生和成发展在20世纪60年代是由于高速计算机的应用程序以结构分析，在过去的几十年已经应用到各种工程和科学学科。有限元应用到大型塑料成型工程可以追溯到先锋Lee 和小林（1973），是他们奠定了大型塑料变形模拟的工程。自那时以来，塑料有限元方法已被广泛用于在对进程的决定和优化，产品的塑料成形工程质量保证，模具设计（富1988年，小林等人1989年，傅和罗1992～1995年）该塑性有限元的基础是使用变分法制定以下功能和获取速度（用于粘塑性FEM ）或位移（为刚塑性有限元法）解决方案时，它有最小值固定点：

v ij s f

o d v FUd s dv E v λεε⎰⎰⎰+-=Φ0)(， （1） 其中E （ε）是功函数，

f S 是在其上牵引规定的表面，F 为牵引矢量，U 为速度，λ是拉格朗日乘数，0V 是钢坯体积或变形体。

等式（1）的作用是整个变形体。与离散方程（1）相比，其所述功能大约可以用下列等式表达：

()j

j j U λ,,∑Φ≈Φ ， （2） 这是离散化后的非线性。使之线性化，牛顿 - Raphon 法或直接迭代方法都可以使用。linealization 后，下面的线性方程可得：