CAD/CAE技術在模具設計中的應用

摘 要：模具行業試國家工業發展的重要基礎行業，各種先進技術應首先應用于模具行業，CAD/CAE技術作為一項重要的技術手段，正越來越廣泛地在模具行業得以應用。本文闡述了CAD/CAE技術的發展歷程，以及在模具結構設計和分析過程中的一般應用形式，闡述了CAD/CAE技術的應用中的發展趨勢。

關鍵詞：模具設計；CAD；CAE

隨著科學技術的不斷進步和社會的高速發展，產品更新換代越來越快。無論是工業產品還是家電產品，大多數應用模具成型。因此，產品對模具的精度要求越來越高、越來越普及。由于模具是典型的技術密集型產品，為了表達清楚設計意圖，設計人員必須花費大量的時間來繪制模架、頂桿、滑塊等結構相對固定的零部件。目前，CAD/CAE的發展，為廣大模具設計人員提供了方便。特別是近幾年來，模具CAD/CAE技術發展很快，應用范圍日益擴大，并取得了可觀的經濟效益。

1 模具CAD/CAE的基本概念

CAD：（Computer Aided Design）是利用計算機硬、軟件系統輔助人們對產品或工程進行總體設計、繪圖、工程分析與技術文檔等設計活動的總稱，是一項綜合性技術。

CAE：(Computer Aided Engineering)即計算機輔助工程技術，是以現代計算力學為基礎，以計算機仿真為手段的工程分析技術，是實現模具優化的主要支持模塊。對于模具CAE來講，目前局限于數值模擬方法，對未來模具的工作狀態和運行行為進行模擬，及早發現設計缺陷。

2 CAD/CAE技術的發展過程

2.1 CAD技術的發展過程

（1）20世紀50年代后期至70年代初期，此階段為初級階段——線框造型技術。
（2）20世紀70年代初期至80年代初，此階段是第一次CAD技術革命——曲面（表面）造型技術。
（3）20世紀80年代初期至80年代中期，此階段是第二次CAD技術革命——實體造型階段。
（4）20世紀80年代中期至90年代初期，此階段是第三次CAD技術革命——參數化技術。

參數化設計是用幾何約束、工程方程與關系來定義產品模型的形狀特征，也就是對零件上的各種特征施加各種約束形式，從而達到設計一組在形狀或功能上具有相似性的設計方案。目前能處理的幾何約束類型基本上是組成產品形體的幾何實體公稱尺寸關系和尺寸之間的工程關系，故參數化技術又稱為尺寸驅動幾何技術。

（5）20世紀90年代初期至今，此階段是第四次CAD技術革命——變量化技術。

變量化設計（Variational Design）是通過求解一組約束方程組，來確定產品的尺寸和形狀。約束方程組可以是幾何關系，也可以是工程計算條件。約束結果的修改受到約束方程驅動。變量化技術既保持了參數化原有的優點（如基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改等），同時又克服了它的許多不利之處（如解決實體曲面問題等）。應用變量化技術具有代表性的軟件是SDRC/I-DEAS。

2.2 CAE技術的發展過程

（1）在20世紀60～70年代處于探索階段，有限元技術主要針對結構分析問題進行發展，以解決航空航天技術發展過程中遇到的結構強度、剛度以及模擬實驗和分析。
（2）20世紀70～80年代是CAE技術蓬勃發展時期，出現了大量的機械軟件，軟機的開發主要集中在計算精度、硬件及速度平臺的匹配、計算機內存的有效利用以及磁盤空間利用上，而且有限元分析技術在結構和場分析領域獲得了很大的成功。
（3）20世紀90年代CAE技術逐漸成熟壯大，軟件的發展向各CAD軟件的專用接口和增強軟件的前后置處理能力方向發展。
目前，CAE軟件系統的一個特點是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成零件或裝配部件的造型設計后，自動生成有限元網格并進行計算或進行結構動力學、運動學等方面的計算，如果分析計算的結果不符合設計要求則重新修改造型和計算，直到滿足要求為止，極大地提高了設計水平和效率。

3 CAD/CAE技術在模具設計中的應用

傳統的模具設計是經過概念設計—分析—樣品生產—分析—設計—分析—生產——這樣繁雜的過程后才最終確定那些復雜的模具原形。隨著計算機的發展，CAD/CAE技術逐漸取代了傳統的模具設計理念和設計方法，這種技術使得模具在進行真是的生產（包括樣品生產）之前就已經通過了計算機應用軟件進行了精確的結構設計、結構分析以及成形仿真過程。

3.1 CAD/CAE技術和模具結構設計

模具機構設計應用相應的CAD軟件，根據要實現的功能、外觀和結構要求，先設計草圖，然后生成相應的實體，接著子裝配和總體裝配，仿真模具開模過程，檢查干涉情況，并進行真實渲染。整個過程也可以從上到下進行修改，每個過程的參數都可以改變，并可以設定參數間的關聯性。

（1）草圖重建技術

草圖設計是整個模具設計的基礎。現在的草圖重建技術已經發展的非常成熟，這種技術是模具設計人員用二維和三維設計草圖進行三維建模的關鍵技術。這種技術能夠對草圖的各個尺寸和相關的約束進行修改和重建。目前草圖重建技術已經比較成熟，一些大型的CAD/CAE軟件系統如Pro/Engineer、UG等都提供草圖設計模塊。

（2）曲面特征設計

隨著人們對產品質量和美觀性要求的不斷提高，又由于曲面特征具有的諸多有點，在產品外形設計重，曲面特征設計成為模具設計的一個重要部分。目前CAD業界涌現出一批像EDS的UG、PTC的Pro/Engineer等等一系列的優秀的CAD軟件，它們的三維實體建模、參數建模及復合建模技術，實體與曲面相結合的造型方法，以及自由形式特征技術為模具設計提供了強有力的工具。

（3）變量裝配設計技術

裝配設計建模的方法主要有自底向上、概念設計、自頂向下等三種方法。自底向上方法是先設計出詳細零件，再拼裝產品。而自頂向下是先有產品的整個外形和功能設想，再在整個外形里一級一級的劃分出產品的部件、子部件，一直到底層粗糙的零件。在模具中，由于有些模具的結構非常的復雜，在模具設計時只有采用自頂向下的設計方法，變量裝配設計才支持自頂向下的設計。

變量裝配設計把概念設計產生的設計變量和設計變量約束進行記錄、表達、傳播和解決沖突，以滿足設計要求，使各階段設計（主要是零件設計）在產品功能和設計意圖的基礎上進行，所有的工作都是在產品功能約束下進行和完成。變量裝配技術也是實現動態裝配設計的關鍵技術，所謂動態裝配設計是指在設計變量、設計變量約束、裝配約束驅動下的一種可變的裝配設計。

（4）真實感技術

真實感技術是應用CAD軟件本身具有的渲染技術，賦予已經設計出來的模型諸如顏色和材質屬性，在不同外部條件（如光線）下觀察模型的外觀是否達到原先所設想的美觀性要求。如AUTOCAD的“渲染”模塊和UG重的“VISUALIZATICN”子命令等

3.2 CAD/CAE技術和模具結構分析

模具設計已經不僅僅停留在對外觀和結構的設計上，它已經擴展到對模具結構分析的領域。對已經設計出的模具，運用CAE軟件（尤其是有限元軟件）對其進行強度、剛度、抗沖擊試驗模擬、跌落試驗模擬、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。通過分析檢驗前面的模具結構設計是否合理，分析出結構不合理的原因和位置，然后在CAD軟件中進行相應的修改，接著再在CAE軟件中進行各種性能檢測，最終確定滿足要求的模具結構。

基于有限元分析軟件的應用，關鍵是網格的劃分、模擬計算方法和成形接觸處理等。此外，提供給軟件進行CAE分析的數據也尤為重要，生產條件、設備性能、產品要求、材料特性等都將給模具的CAE分析的準確性帶來影響。

（1）強度和剛度分析

強度和剛度是模具設計中最重要的一項性能要求。運用CAE技術，通過對模具施加約束和載荷等外部條件來模擬模具的真實應用情況，分析模具的強度和剛度是否達到規定要求。模具CAE技術經過短暫的時間已經用在注塑模、壓鑄模、鍛模、擠壓模、沖壓模等模具的優化，并在實際中指導生產。在工程實際中，一般應用ANSYS、ALGOR、DEFORM等進行分析計算。

（2）抗沖擊試驗模擬

CAE技術能夠用于分析隨時間變化的載荷如交變載荷、爆炸與沖擊載荷、隨機載荷和其它瞬態力等對結構的影響。如CAE技術對瞬態分析、模態分析、諧波響應分析、響應譜分析和隨機振動進行分析，為分析產品在特殊與惡劣的環境和工作條件下的物理響應、可靠性與耐用性等提供了完整的評估與解決方案。

（3）跌落試驗模擬

CAE技術也可以用于分析結構由于碰撞或跌落產生的力、變形、應力、位移、振動響應、產品的結構強度、聯接設計，剛度性質、抗沖擊性能、防爆性能及整個系統工作穩定性和完整性做出定量評估。

（4）散熱能力分析

現在的CAE技術可以模擬模具中的溫度分布，通過模擬大功率電子元件產生的能量以及通過傳導、對流和輻射散發出的熱量來確定模具的熱分布，然后再對各種材質模具的散熱能力進行初步分析。

（5）疲勞和蠕變分析

在模具設計中，對于那些可能在集中載荷、循環載荷和常值位移作用下的模具，或處于低溫或者高溫條件工作的模具產品，進行初步的疲勞分析和蠕變分析是非常必要的，這種分析不需要考慮外部的每一個條件，但是這種分析的結果具有很大的參考價值，如果出現不合理的情況，就可以重新進行設計，避免后面不必要的設計和分析。例如：ANSYS專用的疲勞分析軟件模塊FE-SAFE就可以實現各種材料模式下進行高低溫環境和長期載荷作用下的變形和失效問題的研究。

3.3 CAD/CAE技術和模具成形仿真

模具成形是一個非常復雜的過程，有非常多的影響因素，因此對于復雜結構的模具就需要進行成形仿真，檢驗前面所設計的模具在成形時的強度和剛度是否達到要求，只有滿足了成形要求，初步設計工作才最終完成。

（1）冷沖壓成形

冷沖壓模具主要用于金屬和非金屬材料的冷態成形。通過仿真，CAE技術可以檢測成形過程中模具材料的強度水平是否達到要求，熱處理是否發揮了模具的強韌性等。

（2）熱作成形

熱作模具用于高溫條件下的金屬或非金屬成形，模具是在高溫下承受交變應力和沖擊力，工作成形溫度往往較高，對于金屬模具還要經受高溫氧化及燒損，在強烈的水冷條件下經受冷熱變化引起的熱沖擊作用。熱作模具作為熱加工的成形工具，被廣泛的應用于各類壓鑄模、擠壓模、注塑模、熱壓模和鍛模中。

4 CAD/CAE技術在模具設計中的發展方向

模具CAD/CAE技術在傳統的應用基礎上還要不斷的適應新的環境和新的挑戰，尋求新的發展。

（1）逐步提高CAD/CAE系統的智能化程度。人工智能是計算機的幾大功能之一，將人工智能引入CAD/CAE系統，使其具有專家的經驗和知識，具有學習、推理、聯想和判斷的能力，從而達到設計自動化的目的。目前提高智能化程度的路徑有兩條：一是繼續研究專家系統技術的應用；二是開展KBE（基于知識工程）技術的研究，主要是開發基于KBE的專用工具，如UGII中的KF（Knowledge Fusion）。

（2）研究模具的運動仿真技術，即沖模的沖壓過程與注射模的運動仿真。因為沖模與注射模的結構復雜，在沖壓與注射過程中，一些模具零件的運動難免產生干涉現象，特別是級進模還可能存在條料運動與模具運動的干涉，而在設計中這些現象難以發現，故只有采用仿真技術在計算機上顯示其運動狀態，即時改正錯誤的設計，以避免生產中出現問題。

（3）協同創新設計將成為模具設計的主要方向，制造業垂直整合的模式使得世界范圍內的產品銷售、產品設計、產品生產和模具制造分工更明確。模具企業間通過Internet網絡進行異地協同設計和制造。根據企業自身的信息化程度和企業間合作的層次不同，采用的技術手段和方案有很大不同。

（4）模具CAD技術應用的ASP模式，將成為發展方向。由于當今模具行業已經成為高新技術最密集的行業，任何企業都不可能擁有全部最新出現的技術，因此將出現CAD技術應用的ASP模式，即產生各種專門技術的應用服務單位，為模具行業的各個企業提供技術服務，應用服務包括逆向設計、快速原型制造、數控加工外包、模具設計、模具成型過程分析等諸多方面。

（5）基于網絡的模具CAD/CAE集成化系統將深入發展。現代CAD/CAE系統已經實現了從單機到局域網的轉變，目前正在與企業的Intranet整合。在企業行為國際化的大潮下，在Intranet的大環境下建立CAD/CAE系統不久將成為現實。

模具CAD/CAE系統的高智能化程度也會大大提高。在智能化軟件的支持下，而今的模具CAD/CAE技術不再是對傳統設計與計算方法的模仿，而是再先進設計理論的指導下，充分運用本領域專家的豐富只是和成功經驗，其設計結果必然具有合理性和先進性。

5 結論

隨著科技的不斷進步，制造業正向數字化、全球化、網絡化的方向發展，產品的生命周期越來越短，新產品的上市速度越來越快。模具是制造業的基本工藝設備，模具設計的、制造的效率對產品的開發效率有決定性影響。因此在模具設計的過程中，利用先進的CAD/CAE技術進行模具設計省事、省力，而且最為重要的是保證了成型后制品的準確性，減少了試模的次數，縮短了模具的設計及生產的周期。