大型覆盖件冲压技术内容及技术关键

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大型覆盖件冲压技术内容及技术关键
由于汽车覆盖件的CAD/CAM技术相对成熟，并且不是影响冲压成形工艺的最关键因素，故下面重点介绍冲压成形的CAE技术及其与CAD/CAM技术一体化问题。

1. 冲压成形CAE前处理系统
& N# G7 |2 m* {1 b+ S7 w2 F冲压成形过程计算机仿真人工干预最多的应数其前处理过程。目前大多数冲压成形的仿真都采用通用的有限元分析前处理软件。这些前处理软件虽然功能很但由于 没有考虑薄板冲压成形的特点，使用起来不方便，对不熟悉有限元方法的模具设计师更是如此。最近美国ETA推出了eta/DYNAFORM，在一定程度上考虑了薄板冲压成形的特点。但eta/DYNAFORM是以LS-DYNABD为直接服务对象的，薄板冲压成形的特点利用得并不充分。湖南大学汽车技术实验室最近设计的冲压成形仿真前处理软件系统最大限度地考虑了汽车覆盖件冲压成形的特点，而且是专门为该实验室自己开发的冲压成形专用软件配套的，软件界面充分考虑模具设计师的通用术语和概念，还具备一定的模具与工艺设计数据库。尽管这一系统有待进一步完善，但已显示出极强的实用性和竿先进性。

; A4 Z/ ~, ^" ], q& ~% Z- k汽车覆盖件冲压成形CAE前处理系统一般来说至少具备如下功能。
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1）精确地描述模具的几何形状 根据不同仿真软件的要求，模具表面可用解析法表示，也可用有限单元的集合来表示。当用后者时，有限单元网格所代表的几何形状必须与所设计的模具表面形状足够接近，这个近似精度应当是任意可调的。
2）对作一形状板料形成任意的网格 网格单元一般为三节点三角形单元或四节点四边形单元。应具有产生任意疏密网格的功能，且疏网格区与密网格区应能自动过渡。网格质量应能自动检测与控制。
) J6 L8 `9 T/ F- ~3）模具与板料接触摩擦界面的自动定义和任意的特性参数选择。
. G( t1 o9 L" p3 M. i5 b; j2 i4）冲头任意运动特性的自动定义。
5）压边圈上压延筋和压边力的自动定义。
! r( S6 I) G# N$ V4 t1 `6）板料特性参数的自动定义。
7）对模型进行任意修改的功能。
& C2 w3 _7 K% g# \3 i5 W8）对模型所包含的全部信息进行图形显示的功能。
9）友好的用户界面与帮助功能。

8 ]: S5 {9 H0 O' o2. 冲压成形CAE软件系统
' }& t1 T5 a1 D% x2 p6 Z冲压成形仿真软件涉及如下几方面的关键技术。
- u# L  [& x2 s+ y（1）模具的几何与力学模型 模具的刚度比板料的大得多，所以一般情况下可作刚体来处理。但涉及模具的摩擦磨损时，模具也应作为弹塑性体来考虑。模具的几何形状可用有限元网格来描述，也可用解析面/CAD曲面来描述。后者的几何精度高但要求特别的接触界面处理算法。冲头的运动通常以给定的位移历程或速度历和来描述。压边圈通常只允许在冲压方向运动，而定模的自由度则完全被约束。
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（2）板料变形模式与壳体单元 目前，几乎所有的覆盖件冲压成形仿真软件都假设板料各处的变形模式符合某种壳体理论，也就是忽略板料厚向应力在成形过程中的影响。然而这个假设常常是不成立的。压筋部分或相对弯曲半径较小的区域的应力更接近三维状态。这种局部三维应力状态对成形过程仿真结果的影响影响已开始引起研究人员的重视。壳体单元以低阶的双线性单元(包括三角形和四边形单元)最为常用。这不仅是因为低阶单元便于计算和接触界面的处理，也因为它们最适合于仿真算法。

6 a! X* ?& t' m3 s- c5 v# L: y（3）板料本构模型 汽车覆盖件冲压成形所用板材由于轧制过程中的加工硬化等现象而具有明显的正交各向异性。因此在构造板材的准则和流动准则时，考虑这种各向异性重要。同时应当注意的是，冲压成形过程本身会使板料的各向异性发生改变。目前用得最多的应数Barlat模型和Hill模型以及它们的变体。对于薄板冲压成形过程的仿真来说，本构模型中的计算问题也很关键。塑性变形区的应力状态不仅要满足屈服准则。还要满足板壳理论中厚向应力为零的假设，这就为板料塑性变形的计算增加了难度。研究表明平面应力状态下的回映算法具有精度高与计算工作量小的综合优点。

& P* ]$ J8 K. a0 g7 v（4）接触摩擦理论与算法 汽车覆盖件的冲压成形完全靠作用于板料的接触力和摩擦力来完成。因此接触力和摩擦力的计算精度直接影响板料变形的计算精度、接触力和摩擦力的计算首先要求计算出任意给定时刻的实际接触面，这就是所谓的接触搜寻问题。在有限元方法中，计算接触面实际上就是找出所有处于接触状态的有限元节点。尽管接触搜寻本质上是一个几何计算的过程，但它有十分重要的力学意义。

3 }6 M- C: x1 c  `, d接触力的计算有两种基本方法即罚函数法和拉格朗日乘子法。罚函数法是一种近似方法，它允许相互接触的边界产生穿透并通过罚因子将接触力大小与边界穿透量大小联系起来。这种方法比较简单，也适合于显式算法，但它在显式算法中影响临界时间步长，而在隐式算法中则影响系数矩阵在计算机中的可逆性。罚因子的好坏还影响计算结果的可靠性。拉格朗日乘子法不允许接触边界的相互穿透，是一种精确的接触力算法，但它与显式算法不相容，要求特殊的数值处理。防御节点法就是这样一种处理方法。
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- D8 w1 ?5 H4 u) z- e' C摩擦力的计算首先要求选定一个适合于两接触界面摩擦特性的摩擦定律。目前用得最广的还是传统的库仑摩擦定律。但该定律有纯粘附状态的假设，使显式算法产生困难。要克服这个困难要么用罚函数法要么用防御节点法计算纯粘附状态下的摩擦力。在隐式算法中，摩擦滑移状态将导致非对称系数矩阵。从而增加求解困难。近些年来，一些学者在充分改实验观察基础上提出了所谓的非线性摩擦定律从而去掉了传统摩擦定律中纯粘附状态的假设，为显式算法提供了方便。但非线性摩擦定律所用到的表面刚性系数需依据两接触表面的物理与化学特性精心选定，并且目前还没有足额的实验数据作参考。更通用的摩控定律则借助弹塑性理论，定义一个类似屈服面的摩擦准则和一个类似流动准则助摩擦滑移准则，并可考虑摩擦表面的各向异性等。
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（5）网格细分与网格自适应技术 一个大型覆盖件的冲压成形过程的仿真通常涉及上万个有限单元。为了在冲压成形的不同阶段合理地布局网格的密度，板料的网格细分或网格自适应技术是十分必要的。网格细分指以某一参考网格为基础将经受过高应变或应力梯度的单元分成若干个小单元，而其他单元保持不变。而网格自适应则是指网格随板料的变形不断地重新划分，以保证高应变梯度区有较密的网格而低应变梯度区有较稀的网格。网格细分和网格自适应技术中的一个关键是新老有限单元间各物理量如积分点上的应为应变等的相互换算问题。这个换算关系处理不好就可能给仿真结果带来误差，甚至使整个仿真结果失效。
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（6）隐式算法与显式算式 将冲压成形过程的计算作为动态问题来处理时就涉及到时间域的数值积分方法问题。在80年代中期以前，人们基本上使用牛曼法进行时间域的积分根据牛曼法，位移、速度和加速度有着如下的关系：
$ @* j. B) M' _  }! ^1 o0 Gui+1=ui+Δtυi[(1-2β)αi+2βαi+1]
$ V- f0 \, t& x/ _. P, q% w) s' P（1）
ui+1=ui+Δt[(1-γ)αi+γαi+1]
% @  N5 k: \, F! G（2）
7 T1 I6 u2 P( s, G- w! ~2 o$ |3 r式中，ui+1和ui分别为当前时刻和前一时刻的位移，ui+1和ui为当前时刻和前一时刻的速度，ui+1和ui为当前时刻和前一时刻的加速度，β和γ为两个待定的算法参数。由式（1）和式（2）可知，在牛曼法中任一时刻的位移、速度和加速度都相互关联，这就使得运动方程的求解变成一系列相互关联的非线性方程的求解。这个求解过程必须通过迭代和求解联立方程组才能实现，这就是通常所说的隐式求解法。隐式求解法可能遇到两个问题。其一是迭代过程不一定收敛，其二是联立方程组可能出现病态而无确定的解。隐式求解法的最大优点是通过设定合适的β和γ值它具有无条件稳定性即时间步长可以任意大。
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  i( _) ]& T# v% ^4 S/ `8 s# q由于隐式算法的收敛性问题，80年代中期后人们越来越多地采用中心差分法进行冲压成形过程仿真的时域积分。在中心差分法中，位移、速度和加速度的关系如下：
ui+1=2ui-ui-1+αi(Δt)2
, Q+ s+ o3 d+ M! w/ Y- c- U! D7 ^（3）
ui-1=ui+1-ui-1/(2Δt)
, ]/ @4 {5 x- f8 V（4）
由式（1）可以看出当前时刻的位移只与前一时刻的加速度和位移有关。这意味着当前时刻的位移求解无需迭代过程。另外，只要将运动方程中的质量矩阵和阻尼矩阵对角化，前一时刻的加速度求解无需解联立方程组，从而使问题大大简化，这就是所谓的显式求解法。显式求解法的优点是它既没有收敛性问题，也不需求解联立方程组，其缺点是时间步长受到数值稳精定性的限制，不能超过系统的临界时间步长。由于冲压成形过程具有很强的非线性，从解的精度考虑时间步长也不能太大，这就在很大程度上弥补了显式求解法的缺陷。
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2 j  U! w( i9 y* Y显式算法接明显的不足体现在回弹的计算中。为准确地计算出冲压件的回弹量，冲压成形过程的计算必须等工件的动态响应足够小时才能终止，这个响应时间通常为几百毫秒甚至达1秒以上，单纯用显式算法来求解这样一个长过程的响应包含巨大的计算工作量。而另一方面卸载后工件动态响应中的非线性成分明显减弱，这些因素综合起来就为隐式等法在卸载过程计算中的成功应用提供了条件，用显式算法求解冲压成形的加载过程而用隐式算法求解其卸载过程是近几年人们通过反复实践摸索出的一条综合利用这两种算法的有效途径。
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. C  w0 [1 ^# G4 P3. 冲压成形CAE后处理系统
3 P* [) Z9 j  p0 s1 o! B: ?冲压成形CAE技术的成功应用离不开一个好的后处理系统。文字、图形和曲线是后处理系统不可缺少的表达方式。方便地显示各材物理量如应力、应变、位移、工件厚度分布等是后处理系统的基本功能。显示方式不仅应包括云图，等值线，还应包括时间历程曲线和局部量的数值输出等。后处理系统除了能直接显示CAE软件系统的直接结果外，还必须能对这些结果进行有工程意义的运算与综合，从而得出并直观地显示其他工程数据如等效应力，最大应力等，从成形工艺分析角度看，如下几方面的结果计算与显示尤为重要。①成形力的计算，②回弹力的计算，③起皱的显式，④可能断裂区的显示，⑤不同单元所处应变状态在成形极限网上的位置。

, Y( Q$ k: U& R: e' K$ Q+ S  F) t, m4. 面向工程师助工艺分析软件系统
  j: d- n3 c; r7 ~1 J$ ~: n冲压成形CAE系统的有效使用通常需要很强的有限元方法背景知识，同时目前大多数冲压成形CAE的前后处理系统都是通用软件，因而专门化程度较低，不利于模具工程师，尤其是对非线性有限元方法不熟悉的工程师使用。为了克服这一缺点，国内外还在开发一种面向工程师的冲压工艺分析软件系统。这种系统以冲压成形CAE软件系统及其前、后处理系统为基础，配备有专门的冲压工艺技术数据库和良好的用户界面。这种系统以模具的术语、表达方式和思维方式与模具工程进行对话，操作简单，结果直观。它可帮助模具工程师来确定毛坯形状与尺寸，压延筋的布局，模具与冲压件间的润滑方案，工艺辅料与工艺孔的布置，压边力的大小，模具结构尺寸如圆角半径的调整等。当然，每一次工艺方案和工艺参数的调整都涉及一次完整的冲压成形仿真。这意味着每次工艺方案和参数调整后，模具工程师必须等待一段时间，让计算机“思考”所作的调整是否合适。这个计算机的“思考”时间实际上就是进行仿真所需的时间，与计算机的速度和所涉及的仿真模型的大小有关，可能是几分钟也可能是几小时，甚至几十小时。

5．标准化实验装置与反算技术
+ p8 W% {& o1 e* P- J" C冲压成形的仿真结果是以输入到仿真系统的原始参数为基础的，其中包括材料的本构特性参数，板料与模具间的摩擦特性参数等。这些参数的正确性自然直接影响仿真结果的有效性。随着仿真技术的日益成熟，仿真用原始数据的获取技术与装置越来越多地得到人们关注。这种技术的核心是设计一系列标准化实验方案使板料产生类似于冲压成形中的变形和受力状态，然后测量一些便于精确测量的宏观量如位移和力，再采用有限元方法反算出某一假定的未知微观量如硬化模量。这种实验技术之所以重要，至少有两个方面的原因。首先，大量的材料数据都是若干年前用相对落后的手段获得的。而且现在材料成分和特性波动较大。单靠从设计手册上获取原始数据是不够的，而材料生产厂家所能提供的数据在数量上和精度上都是有限的。其次是通过反算获得的数据与仿真算法具有更好的匹配性。
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- A7 A* k: n; J除了仿真用原始参数获取实验装置外，仿真软件的实验验证技术也很重要。仿真结果的可靠性在原理和方法完全正确的前提下还受一系列人为因素的影响，如编程的可靠性，模型建立的合理性，参数输入的正确性等。因此在使用一个仿真软件之前，尤其是开发仿真软件时有必要采取一系列精心设计的实验措施来切实保证各个环节的正确性。只有当仿真软件及使用软件的各个环节都经实践检验为可靠后，才有理由相信仿真结果的可靠性。

6. 与CAD/CAM系统的接口与一体化技术
由于模具的CAD/CAM技术已相当普及，冲压成形CAE系统与CAD/CAM系统的集成已是大势所趋。这里的关键问题是CAE系统如何从CAD/CAM系统中获取模具的几何形状和尺寸以及CAE系统如何将根据仿真结果所得的模具设计修改方案反馈给CAD/GAM系统。目前用得最多的图形数据传送方式是采用IGES或VDA格式文件。大部分工业CAD/CAM系统都提供这类输出文件，CAE系统只需按IGES或VDA规定格式提取和解释图形信息即可。应当指出的是，当前一些商业CAD/CAM软件中提供的IGES或VDA图形文件并不规范，这就为这些图形文件的正确解释带来一定的困难。