Tower International是全球領先的汽車結構金屬零部件制造商。該公司為小型和大型汽車、跨界車、皮卡和SUV提供車身結構沖壓件、車框和其它底盤結構以及復雜的焊接部件。Tower的27個制造工廠位于北美、歐洲、巴西和中國的客戶附近。

金屬汽車部件成型的沖壓過程可以產生數千噸的沖壓力。用于這些產品成型的工具（模具組件）必須能夠在汽車部件生產的整個生命周期內承受這種循環負載。同時，為了保持競爭力，工具設計的優化也很重要。車輛部件所用材料的強度越來越高也帶來了新挑戰。這些部件成型所涉及的大載荷增加了設計堅固工具的難度。必須使用線性和非線性分析來支持工具設計過程。

在第一個應用案例中，Tower International工程師面臨的挑戰是確定用于汽車車架組件沖壓的現有模具墊板是否可以用于負載更大的沖壓工藝過程。模具墊板是連接到沖壓床上的板件，用于定位和固定模座，模座用于支撐包含型腔的模具固定器，這些型腔在沖頭下降時使零部件坯料變形。Tower International 的工程師必須評估使用40和55英寸模座時承受1000噸負載后模具墊板的撓度（圖1）。

圖1：1000噸壓力模具墊板模型

如果模具墊板的撓度過大，可能會影響沖壓件的形狀尺寸以及模具墊板的疲勞壽命。在另一個案例中，由灰口鑄鐵制成的模座（用于沖壓機）在 1100噸沖壓力的循環載荷下出現了開裂現象。所采用的灰口鑄鐵是一種相對較脆的材料，伸長率僅為1.71%。Tower International的工程師研究了改用伸長率為12%的球墨鑄鐵的效果。他們需要確定改用新的材料是否能解決開裂問題，以及是否會影響成品零件的尺寸。

利用結構對稱性，Cheng通過采用實體單元對一半的模具墊板和模座進行建模來研究模具墊板新的使用狀況。在各個組件之間定義適當的接觸關系。用于模具墊板和模座的材料是SAE 1008熱軋低碳鋼。她使用對稱的邊界條件，在40英寸和55英寸模座的一半上分配了500噸的力。

圖2：模具墊板研究結果表明，模具墊板撓度小于模座

模具墊板的底部由底座支撐，底座采用剛性表面來模擬。仿真結果（圖2）顯示，使用40英寸模座時，模具墊板頂部的最大撓度為0.4 mm、底部的最大撓度為0.32 mm，而模座的位移為0.52至0.59 mm。55英寸模座頂部的最大撓度為0.4mm、底部的最大撓度為0.34 mm，模座位移為0.58至0.64 mm。在的新應用中，模具墊板的撓度小于模座，從而滿足了設計標準。

在本例中，Cheng評估了灰口鑄鐵和球墨鑄鐵模座在生產壓力環境中的強度。壓力通過模墊施加，模墊采用剛性表面來模擬。在各自獨立的分析模擬中，對模座分別施加了690、 1100、1320和1800噸的負載。仿真結果包括模座上的總等效塑性應變分布云圖。

圖 3：灰口鑄鐵模座的總等效塑性應變圖與物理模座中可見的裂紋相吻合，而球墨鑄鐵模座的仿真表明不會發生開裂

使用現有灰口鑄鐵材料的基準分析顯示，在模座的幾個區域中，塑料應變量高于0.2%。這些熱點與實際模座中出現裂紋的區域非常吻合（圖3）。

圖 4：此仿真結果表明，采用灰口鑄鐵的基準模座在沖壓力大于 690 噸時可能會開裂，而采用球墨鑄鐵的模座即使在 1800 噸時也不會開裂。

另一方面，對球墨鑄鐵模座的模擬結果表明塑性應變沒有升高。仿真結果表明，該模座采用灰口鑄鐵制成在超過690噸的沖壓力下有可能開裂，而由球墨鑄鐵制成的模座即使在1800噸的沖壓力下也不會開裂（圖4）。

“在壓力負荷下破裂的模座需要大量投資來制造新模座來替換，并且還存在停機和收入損失的風險，”Cheng說。“Marc軟件使我們能夠準確預測模座和其它模具組件的性能。

分析結果使我們能夠在第一時間獲得正確的設計，并使模具組件提供可靠的性能，使我們能夠履行對客戶的承諾。