大型覆蓋件沖壓技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵

由于汽車覆蓋件的CAD/CAM技術(shù)相對(duì)成熟，并且不是影響沖壓成形工藝的最關(guān)鍵因素，故下面重點(diǎn)介紹沖壓成形的CAE技術(shù)及其與CAD/CAM技術(shù)一體化問(wèn)題。

1. 沖壓成形CAE前處理系統(tǒng)
沖壓成形過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真人工干預(yù)最多的應(yīng)數(shù)其前處理過(guò)程。目前大多數(shù)沖壓成形的仿真都采用通用的有限元分析前處理軟件。這些前處理軟件雖然功能很但由于 沒(méi)有考慮薄板沖壓成形的特點(diǎn)，使用起來(lái)不方便，對(duì)不熟悉有限元方法的模具設(shè)計(jì)師更是如此。最近美國(guó)ETA推出了eta/DYNAFORM，在一定程度上考慮了薄板沖壓成形的特點(diǎn)。但eta/DYNAFORM是以LS-DYNABD為直接服務(wù)對(duì)象的，薄板沖壓成形的特點(diǎn)利用得并不充分。湖南大學(xué)汽車技術(shù)實(shí)驗(yàn)室最近設(shè)計(jì)的沖壓成形仿真前處理軟件系統(tǒng)最大限度地考慮了汽車覆蓋件沖壓成形的特點(diǎn)，而且是專門為該實(shí)驗(yàn)室自己開(kāi)發(fā)的沖壓成形專用軟件配套的，軟件界面充分考慮模具設(shè)計(jì)師的通用術(shù)語(yǔ)和概念，還具備一定的模具與工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。盡管這一系統(tǒng)有待進(jìn)一步完善，但已顯示出極強(qiáng)的實(shí)用性和竿先進(jìn)性。

汽車覆蓋件沖壓成形CAE前處理系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)至少具備如下功能。

1）精確地描述模具的幾何形狀 根據(jù)不同仿真軟件的要求，模具表面可用解析法表示，也可用有限單元的集合來(lái)表示。當(dāng)用后者時(shí)，有限單元網(wǎng)格所代表的幾何形狀必須與所設(shè)計(jì)的模具表面形狀足夠接近，這個(gè)近似精度應(yīng)當(dāng)是任意可調(diào)的。
2）對(duì)作一形狀板料形成任意的網(wǎng)格 網(wǎng)格單元一般為三節(jié)點(diǎn)三角形單元或四節(jié)點(diǎn)四邊形單元。應(yīng)具有產(chǎn)生任意疏密網(wǎng)格的功能，且疏網(wǎng)格區(qū)與密網(wǎng)格區(qū)應(yīng)能自動(dòng)過(guò)渡。網(wǎng)格質(zhì)量應(yīng)能自動(dòng)檢測(cè)與控制。
3）模具與板料接觸摩擦界面的自動(dòng)定義和任意的特性參數(shù)選擇。
4）沖頭任意運(yùn)動(dòng)特性的自動(dòng)定義。
5）壓邊圈上壓延筋和壓邊力的自動(dòng)定義。
6）板料特性參數(shù)的自動(dòng)定義。
7）對(duì)模型進(jìn)行任意修改的功能。
8）對(duì)模型所包含的全部信息進(jìn)行圖形顯示的功能。
9）友好的用戶界面與幫助功能。

2. 沖壓成形CAE軟件系統(tǒng)
沖壓成形仿真軟件涉及如下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)。
（1）模具的幾何與力學(xué)模型 模具的剛度比板料的大得多，所以一般情況下可作剛體來(lái)處理。但涉及模具的摩擦磨損時(shí)，模具也應(yīng)作為彈塑性體來(lái)考慮。模具的幾何形狀可用有限元網(wǎng)格來(lái)描述，也可用解析面/CAD曲面來(lái)描述。后者的幾何精度高但要求特別的接觸界面處理算法。沖頭的運(yùn)動(dòng)通常以給定的位移歷程或速度歷和來(lái)描述。壓邊圈通常只允許在沖壓方向運(yùn)動(dòng)，而定模的自由度則完全被約束。

（2）板料變形模式與殼體單元 目前，幾乎所有的覆蓋件沖壓成形仿真軟件都假設(shè)板料各處的變形模式符合某種殼體理論，也就是忽略板料厚向應(yīng)力在成形過(guò)程中的影響。然而這個(gè)假設(shè)常常是不成立的。壓筋部分或相對(duì)彎曲半徑較小的區(qū)域的應(yīng)力更接近三維狀態(tài)。這種局部三維應(yīng)力狀態(tài)對(duì)成形過(guò)程仿真結(jié)果的影響影響已開(kāi)始引起研究人員的重視。殼體單元以低階的雙線性單元(包括三角形和四邊形單元)最為常用。這不僅是因?yàn)榈碗A單元便于計(jì)算和接觸界面的處理，也因?yàn)樗鼈冏钸m合于仿真算法。

（3）板料本構(gòu)模型 汽車覆蓋件沖壓成形所用板材由于軋制過(guò)程中的加工硬化等現(xiàn)象而具有明顯的正交各向異性。因此在構(gòu)造板材的準(zhǔn)則和流動(dòng)準(zhǔn)則時(shí)，考慮這種各向異性重要。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的是，沖壓成形過(guò)程本身會(huì)使板料的各向異性發(fā)生改變。目前用得最多的應(yīng)數(shù)Barlat模型和Hill模型以及它們的變體。對(duì)于薄板沖壓成形過(guò)程的仿真來(lái)說(shuō)，本構(gòu)模型中的計(jì)算問(wèn)題也很關(guān)鍵。塑性變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)不僅要滿足屈服準(zhǔn)則。還要滿足板殼理論中厚向應(yīng)力為零的假設(shè)，這就為板料塑性變形的計(jì)算增加了難度。研究表明平面應(yīng)力狀態(tài)下的回映算法具有精度高與計(jì)算工作量小的綜合優(yōu)點(diǎn)。

（4）接觸摩擦理論與算法 汽車覆蓋件的沖壓成形完全靠作用于板料的接觸力和摩擦力來(lái)完成。因此接觸力和摩擦力的計(jì)算精度直接影響板料變形的計(jì)算精度、接觸力和摩擦力的計(jì)算首先要求計(jì)算出任意給定時(shí)刻的實(shí)際接觸面，這就是所謂的接觸搜尋問(wèn)題。在有限元方法中，計(jì)算接觸面實(shí)際上就是找出所有處于接觸狀態(tài)的有限元節(jié)點(diǎn)。盡管接觸搜尋本質(zhì)上是一個(gè)幾何計(jì)算的過(guò)程，但它有十分重要的力學(xué)意義。

接觸力的計(jì)算有兩種基本方法即罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法。罰函數(shù)法是一種近似方法，它允許相互接觸的邊界產(chǎn)生穿透并通過(guò)罰因子將接觸力大小與邊界穿透量大小聯(lián)系起來(lái)。這種方法比較簡(jiǎn)單，也適合于顯式算法，但它在顯式算法中影響臨界時(shí)間步長(zhǎng)，而在隱式算法中則影響系數(shù)矩陣在計(jì)算機(jī)中的可逆性。罰因子的好壞還影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。拉格朗日乘子法不允許接觸邊界的相互穿透，是一種精確的接觸力算法，但它與顯式算法不相容，要求特殊的數(shù)值處理。防御節(jié)點(diǎn)法就是這樣一種處理方法。

摩擦力的計(jì)算首先要求選定一個(gè)適合于兩接觸界面摩擦特性的摩擦定律。目前用得最廣的還是傳統(tǒng)的庫(kù)侖摩擦定律。但該定律有純粘附狀態(tài)的假設(shè)，使顯式算法產(chǎn)生困難。要克服這個(gè)困難要么用罰函數(shù)法要么用防御節(jié)點(diǎn)法計(jì)算純粘附狀態(tài)下的摩擦力。在隱式算法中，摩擦滑移狀態(tài)將導(dǎo)致非對(duì)稱系數(shù)矩陣。從而增加求解困難。近些年來(lái)，一些學(xué)者在充分改實(shí)驗(yàn)觀察基礎(chǔ)上提出了所謂的非線性摩擦定律從而去掉了傳統(tǒng)摩擦定律中純粘附狀態(tài)的假設(shè)，為顯式算法提供了方便。但非線性摩擦定律所用到的表面剛性系數(shù)需依據(jù)兩接觸表面的物理與化學(xué)特性精心選定，并且目前還沒(méi)有足額的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作參考。更通用的摩控定律則借助彈塑性理論，定義一個(gè)類似屈服面的摩擦準(zhǔn)則和一個(gè)類似流動(dòng)準(zhǔn)則助摩擦滑移準(zhǔn)則，并可考慮摩擦表面的各向異性等。

（5）網(wǎng)格細(xì)分與網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù) 一個(gè)大型覆蓋件的沖壓成形過(guò)程的仿真通常涉及上萬(wàn)個(gè)有限單元。為了在沖壓成形的不同階段合理地布局網(wǎng)格的密度，板料的網(wǎng)格細(xì)分或網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)是十分必要的。網(wǎng)格細(xì)分指以某一參考網(wǎng)格為基礎(chǔ)將經(jīng)受過(guò)高應(yīng)變或應(yīng)力梯度的單元分成若干個(gè)小單元，而其他單元保持不變。而網(wǎng)格自適應(yīng)則是指網(wǎng)格隨板料的變形不斷地重新劃分，以保證高應(yīng)變梯度區(qū)有較密的網(wǎng)格而低應(yīng)變梯度區(qū)有較稀的網(wǎng)格。網(wǎng)格細(xì)分和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵是新老有限單元間各物理量如積分點(diǎn)上的應(yīng)為應(yīng)變等的相互換算問(wèn)題。這個(gè)換算關(guān)系處理不好就可能給仿真結(jié)果帶來(lái)誤差，甚至使整個(gè)仿真結(jié)果失效。

（6）隱式算法與顯式算式 將沖壓成形過(guò)程的計(jì)算作為動(dòng)態(tài)問(wèn)題來(lái)處理時(shí)就涉及到時(shí)間域的數(shù)值積分方法問(wèn)題。在80年代中期以前，人們基本上使用牛曼法進(jìn)行時(shí)間域的積分根據(jù)牛曼法，位移、速度和加速度有著如下的關(guān)系：
ui+1=ui+Δtυi[(1-2β)αi+2βαi+1]
（1）
ui+1=ui+Δt[(1-γ)αi+γαi+1]
（2）
式中，ui+1和ui分別為當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的位移，ui+1和ui為當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的速度，ui+1和ui為當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的加速度，β和γ為兩個(gè)待定的算法參數(shù)。由式（1）和式（2）可知，在牛曼法中任一時(shí)刻的位移、速度和加速度都相互關(guān)聯(lián)，這就使得運(yùn)動(dòng)方程的求解變成一系列相互關(guān)聯(lián)的非線性方程的求解。這個(gè)求解過(guò)程必須通過(guò)迭代和求解聯(lián)立方程組才能實(shí)現(xiàn)，這就是通常所說(shuō)的隱式求解法。隱式求解法可能遇到兩個(gè)問(wèn)題。其一是迭代過(guò)程不一定收斂，其二是聯(lián)立方程組可能出現(xiàn)病態(tài)而無(wú)確定的解。隱式求解法的最大優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)設(shè)定合適的β和γ值它具有無(wú)條件穩(wěn)定性即時(shí)間步長(zhǎng)可以任意大。

由于隱式算法的收斂性問(wèn)題，80年代中期后人們?cè)絹?lái)越多地采用中心差分法進(jìn)行沖壓成形過(guò)程仿真的時(shí)域積分。在中心差分法中，位移、速度和加速度的關(guān)系如下：
ui+1=2ui-ui-1+αi(Δt)2
（3）
ui-1=ui+1-ui-1/(2Δt)
（4）
由式（1）可以看出當(dāng)前時(shí)刻的位移只與前一時(shí)刻的加速度和位移有關(guān)。這意味著當(dāng)前時(shí)刻的位移求解無(wú)需迭代過(guò)程。另外，只要將運(yùn)動(dòng)方程中的質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣對(duì)角化，前一時(shí)刻的加速度求解無(wú)需解聯(lián)立方程組，從而使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化，這就是所謂的顯式求解法。顯式求解法的優(yōu)點(diǎn)是它既沒(méi)有收斂性問(wèn)題，也不需求解聯(lián)立方程組，其缺點(diǎn)是時(shí)間步長(zhǎng)受到數(shù)值穩(wěn)精定性的限制，不能超過(guò)系統(tǒng)的臨界時(shí)間步長(zhǎng)。由于沖壓成形過(guò)程具有很強(qiáng)的非線性，從解的精度考慮時(shí)間步長(zhǎng)也不能太大，這就在很大程度上彌補(bǔ)了顯式求解法的缺陷。

顯式算法接明顯的不足體現(xiàn)在回彈的計(jì)算中。為準(zhǔn)確地計(jì)算出沖壓件的回彈量，沖壓成形過(guò)程的計(jì)算必須等工件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)足夠小時(shí)才能終止，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間通常為幾百毫秒甚至達(dá)1秒以上，單純用顯式算法來(lái)求解這樣一個(gè)長(zhǎng)過(guò)程的響應(yīng)包含巨大的計(jì)算工作量。而另一方面卸載后工件動(dòng)態(tài)響應(yīng)中的非線性成分明顯減弱，這些因素綜合起來(lái)就為隱式等法在卸載過(guò)程計(jì)算中的成功應(yīng)用提供了條件，用顯式算法求解沖壓成形的加載過(guò)程而用隱式算法求解其卸載過(guò)程是近幾年人們通過(guò)反復(fù)實(shí)踐摸索出的一條綜合利用這兩種算法的有效途徑。

3. 沖壓成形CAE后處理系統(tǒng)
沖壓成形CAE技術(shù)的成功應(yīng)用離不開(kāi)一個(gè)好的后處理系統(tǒng)。文字、圖形和曲線是后處理系統(tǒng)不可缺少的表達(dá)方式。方便地顯示各材物理量如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、工件厚度分布等是后處理系統(tǒng)的基本功能。顯示方式不僅應(yīng)包括云圖，等值線，還應(yīng)包括時(shí)間歷程曲線和局部量的數(shù)值輸出等。后處理系統(tǒng)除了能直接顯示CAE軟件系統(tǒng)的直接結(jié)果外，還必須能對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行有工程意義的運(yùn)算與綜合，從而得出并直觀地顯示其他工程數(shù)據(jù)如等效應(yīng)力，最大應(yīng)力等，從成形工藝分析角度看，如下幾方面的結(jié)果計(jì)算與顯示尤為重要。①成形力的計(jì)算，②回彈力的計(jì)算，③起皺的顯式，④可能斷裂區(qū)的顯示，⑤不同單元所處應(yīng)變狀態(tài)在成形極限網(wǎng)上的位置。

4. 面向工程師助工藝分析軟件系統(tǒng)
沖壓成形CAE系統(tǒng)的有效使用通常需要很強(qiáng)的有限元方法背景知識(shí)，同時(shí)目前大多數(shù)沖壓成形CAE的前后處理系統(tǒng)都是通用軟件，因而專門化程度較低，不利于模具工程師，尤其是對(duì)非線性有限元方法不熟悉的工程師使用。為了克服這一缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外還在開(kāi)發(fā)一種面向工程師的沖壓工藝分析軟件系統(tǒng)。這種系統(tǒng)以沖壓成形CAE軟件系統(tǒng)及其前、后處理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，配備有專門的沖壓工藝技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和良好的用戶界面。這種系統(tǒng)以模具的術(shù)語(yǔ)、表達(dá)方式和思維方式與模具工程進(jìn)行對(duì)話，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀。它可幫助模具工程師來(lái)確定毛坯形狀與尺寸，壓延筋的布局，模具與沖壓件間的潤(rùn)滑方案，工藝輔料與工藝孔的布置，壓邊力的大小，模具結(jié)構(gòu)尺寸如圓角半徑的調(diào)整等。當(dāng)然，每一次工藝方案和工藝參數(shù)的調(diào)整都涉及一次完整的沖壓成形仿真。這意味著每次工藝方案和參數(shù)調(diào)整后，模具工程師必須等待一段時(shí)間，讓計(jì)算機(jī)“思考”所作的調(diào)整是否合適。這個(gè)計(jì)算機(jī)的“思考”時(shí)間實(shí)際上就是進(jìn)行仿真所需的時(shí)間，與計(jì)算機(jī)的速度和所涉及的仿真模型的大小有關(guān)，可能是幾分鐘也可能是幾小時(shí)，甚至幾十小時(shí)。

5．標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)裝置與反算技術(shù)
沖壓成形的仿真結(jié)果是以輸入到仿真系統(tǒng)的原始參數(shù)為基礎(chǔ)的，其中包括材料的本構(gòu)特性參數(shù)，板料與模具間的摩擦特性參數(shù)等。這些參數(shù)的正確性自然直接影響仿真結(jié)果的有效性。隨著仿真技術(shù)的日益成熟，仿真用原始數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)與裝置越來(lái)越多地得到人們關(guān)注。這種技術(shù)的核心是設(shè)計(jì)一系列標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)方案使板料產(chǎn)生類似于沖壓成形中的變形和受力狀態(tài)，然后測(cè)量一些便于精確測(cè)量的宏觀量如位移和力，再采用有限元方法反算出某一假定的未知微觀量如硬化模量。這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)之所以重要，至少有兩個(gè)方面的原因。首先，大量的材料數(shù)據(jù)都是若干年前用相對(duì)落后的手段獲得的。而且現(xiàn)在材料成分和特性波動(dòng)較大。單靠從設(shè)計(jì)手冊(cè)上獲取原始數(shù)據(jù)是不夠的，而材料生產(chǎn)廠家所能提供的數(shù)據(jù)在數(shù)量上和精度上都是有限的。其次是通過(guò)反算獲得的數(shù)據(jù)與仿真算法具有更好的匹配性。

除了仿真用原始參數(shù)獲取實(shí)驗(yàn)裝置外，仿真軟件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)也很重要。仿真結(jié)果的可靠性在原理和方法完全正確的前提下還受一系列人為因素的影響，如編程的可靠性，模型建立的合理性，參數(shù)輸入的正確性等。因此在使用一個(gè)仿真軟件之前，尤其是開(kāi)發(fā)仿真軟件時(shí)有必要采取一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)措施來(lái)切實(shí)保證各個(gè)環(huán)節(jié)的正確性。只有當(dāng)仿真軟件及使用軟件的各個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)為可靠后，才有理由相信仿真結(jié)果的可靠性。

6. 與CAD/CAM系統(tǒng)的接口與一體化技術(shù)
由于模具的CAD/CAM技術(shù)已相當(dāng)普及，沖壓成形CAE系統(tǒng)與CAD/CAM系統(tǒng)的集成已是大勢(shì)所趨。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是CAE系統(tǒng)如何從CAD/CAM系統(tǒng)中獲取模具的幾何形狀和尺寸以及CAE系統(tǒng)如何將根據(jù)仿真結(jié)果所得的模具設(shè)計(jì)修改方案反饋給CAD/GAM系統(tǒng)。目前用得最多的圖形數(shù)據(jù)傳送方式是采用IGES或VDA格式文件。大部分工業(yè)CAD/CAM系統(tǒng)都提供這類輸出文件，CAE系統(tǒng)只需按IGES或VDA規(guī)定格式提取和解釋圖形信息即可。應(yīng)當(dāng)指出的是，當(dāng)前一些商業(yè)CAD/CAM軟件中提供的IGES或VDA圖形文件并不規(guī)范，這就為這些圖形文件的正確解釋帶來(lái)一定的困難。