淺談覆蓋件的沖壓成型CAE分析技術(shù)

賈 磊

（商丘工學(xué)院，河南 商丘 476000）

目前覆蓋件及模具的設(shè)計(jì)制造工藝、先進(jìn)裝備及CAD/CAM的應(yīng)用已取得了重要進(jìn)展,縮短了設(shè)計(jì)制造周期、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量、減輕了勞動強(qiáng)度,但我國CAE的發(fā)展略顯滯后。從模具開發(fā)的整個(gè)過程來看,設(shè)計(jì)初期的模具工藝結(jié)構(gòu)、沖壓工藝參數(shù)的合理選擇,能有效地減少調(diào)試修模工作量,縮短了開發(fā)周期,降低模具成本。因而,推廣應(yīng)用先進(jìn)的CAE技術(shù),研究板料沖壓的仿真成形是擺在覆蓋件及模具行業(yè)面前的非常重要的課題。

1 CAE技術(shù)簡介

CAE是計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)相結(jié)合而形成的新興學(xué)科。CAE的核心是數(shù)值計(jì)算方法，特別是有限元方法。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，CAE已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，許多大型的通用分析軟件已相當(dāng)成熟并商業(yè)化。CAE軟件分析的對象也逐漸由線性系統(tǒng)發(fā)展到非線性系統(tǒng)，由單一的物理場發(fā)展到多場耦合，并在航空航天、機(jī)械、汽車、船舶、建筑、電子等領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。

CAE（Computer Aided Engineering）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。

2 CAE技術(shù)的發(fā)展

CAE，即計(jì)算機(jī)輔助工程，是指使用計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行建模，模擬其在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)行并觀察其反映的過程。CAE與CAD/CAM的不同之處在于，CAD/CAM主要用于解決產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的問題，而CAE主要用于對產(chǎn)品進(jìn)行模擬和分析，屬于更高層次的應(yīng)用。

CAE的理論基礎(chǔ)起源于二十世紀(jì)40年代。1943年，R.Courant首次提出了有限元分析，即FEA的概念。Courant采用了基于變分的Ritz①方法，得到了振動系統(tǒng)的近似解。隨后，1956年Turner等發(fā)表文章對該方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述。1964年，Besseling元方法是基于變分原理的Ritz方法的另一種形式，從而使Ritz方法的所有理論都適應(yīng)于有限元法，確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。

二十世紀(jì)70初，受計(jì)算機(jī)的限制，CAE主要用于航空航天、國防、核工業(yè)等領(lǐng)域，分析的范圍也很有限。隨著計(jì)算計(jì)技術(shù)的廣泛使用和發(fā)展，有限元方法也迅速發(fā)展起來。以此理論為指導(dǎo)，F(xiàn)EA已由平面問題發(fā)展到空間問題，由線性系統(tǒng)發(fā)展到非線性系統(tǒng)；分析的領(lǐng)域從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)和電磁學(xué)等領(lǐng)域。將FEA逐漸由傳統(tǒng)的分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)，并于CAD結(jié)合，形成現(xiàn)在CAE技術(shù)的框架。

應(yīng)用CAE軟件對產(chǎn)品進(jìn)行模擬和分析時(shí)，一般要經(jīng)歷如圖1所示的步驟，即前處理，求解和后處理。

圖1 CAE的一般步驟

3 CAE技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

3.1 CAE技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是產(chǎn)品設(shè)計(jì)完之后生產(chǎn)樣板，然后進(jìn)行測試，其主要缺陷是在已經(jīng)進(jìn)行大量投入之后才能發(fā)現(xiàn)問題的所在，并需要進(jìn)行大量的的后續(xù)修改工作。CAE的最大好處在于在概念設(shè)計(jì)階段就可以對產(chǎn)品進(jìn)行性能模擬，而不需要做樣板，從而可以將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期較傳統(tǒng)模式提高40%～70%，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

除此之外，CAE還可以在產(chǎn)品的工作原理、工作性能、結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，通過模擬給出產(chǎn)品的最高性能；在產(chǎn)品工作原理不變的前提下，借助CAE計(jì)算分析指導(dǎo)產(chǎn)品中某些部分進(jìn)行修改，以期得到更加優(yōu)良的性能；對失效的產(chǎn)品進(jìn)行分析，找出其失效原因，從而進(jìn)行改進(jìn)；另外，CAE軟件在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大，從最初的幾十個(gè)變量發(fā)展到上萬個(gè)變量，從最初的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化，到現(xiàn)今的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化等。

綜上所述，CAE的應(yīng)用不僅可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本，而且可以對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化和失效分析，從而提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，大大提高企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)向更高速、更小型化的發(fā)展和分析軟件的不斷完善，CAE的應(yīng)用將越來越廣泛。

3.2 覆蓋件的CAE發(fā)展及應(yīng)用

板料成形數(shù)值模擬研究始于20世紀(jì)60年代,之前人們主要用試驗(yàn)分析的方法了解塑性成形的性能,為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在20世紀(jì)70年代中期到80年代中期,主要是建立一些簡單的有限元分析模型和應(yīng)用,包括二維平面問題和軸對稱問題,這階段大多采用薄膜單元。20世紀(jì)80年代中后期開始三維板料成形分析研究,各種板殼單元被應(yīng)用于成形分析。1973年,技術(shù)專家采用剛塑性有限元法模擬了板料沖壓成形過程。1976年,技術(shù)人員用彈塑性有限元法模擬圓形板料在半球形凸模作用下的脹形和拉延過程。1978年,采用完全球沖頭脹形及沖壓成形過程,計(jì)算得到的應(yīng)變分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。1980年,OH.S.I用剛塑性有限元法對成形中的拉彎進(jìn)行分析。此時(shí),人們從簡單的軸對稱脹形分析開始發(fā)展到三維形狀零件的拉延分析,從薄膜單元發(fā)展到一般單元和蛻化殼元,發(fā)展了材料模型,如:剛粘-塑性、彈粘-塑性、結(jié)晶-塑性和速度敏感材料模型,從粗糙到逐步精確的接觸摩擦模型,有限元顯式積分算法也開始應(yīng)用。20世紀(jì)80年代,板料沖壓有限元數(shù)值模擬得到了迅速的發(fā)展。人們在1982年開發(fā)出了一套預(yù)測板料成形成敗的軟件,福特汽車公司的研究人員也從1980年開始就覆蓋件成形分析的彈塑性有限元法展開研究,研制了MTL-FRM系統(tǒng),并在實(shí)踐中應(yīng)用。20世紀(jì)90年代中期以后,人們除了繼續(xù)以往的研究之外,很大部分注意力轉(zhuǎn)向了解決實(shí)際加工中的工藝和技術(shù)問題,如多步成形、回彈起皺、壓邊控制、坯料形狀、工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化、復(fù)雜零件成形等。

目前世界各大汽車公司對板料沖壓成形模擬都相當(dāng)重視,歐美,日本等發(fā)達(dá)國家在汽車主要覆蓋件開發(fā)過程中100%要經(jīng)過仿真檢驗(yàn)。很多實(shí)用的商業(yè)化模擬軟件也在實(shí)踐中得以應(yīng)用。通用板料成形模擬軟件如:ANSYS、ABAQUAS、MARC、AL GOR；專用板料成形模擬軟件如:LS-DYNA、Dyanform、Auto-Form、PAM-STAMP等。

4 結(jié)束語

CAE從60年代初在工程上開始應(yīng)用到今天，已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷史，其理論和算法都經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過程，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中(如航空、航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域)必不可少的數(shù)值計(jì)算工具，同時(shí)也是分析連續(xù)力學(xué)各類問題的一種重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要環(huán)節(jié)。隨著CAE技術(shù)的廣泛飛速發(fā)展，汽車覆蓋件的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造借助CAE技術(shù)的發(fā)展已成為必然趨勢。

[1]胡玉海.車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論與CAE分析技術(shù)[M].重慶大學(xué)出版社，2009.

[2]陳炎嗣等.沖壓模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M].北京出版社，2000.

[4]郭春生等.汽車大型覆蓋件模具[M].國防工業(yè)出版社，2001.