板料成形CAE技术与其应用.docx

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1、板料成形CAE技术与其应用长期以来，困扰广大模具设计人员的要紧问题就是较长的模具开发设计周 期，特别是关于某些特殊复杂的板料成形零件，甚至制约了整个产品的开发 进度，而板料成形CAE技术及分析软件的出现，有效地缩短模具设计周期， 大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高 了企业的市场竞争力。一、前言计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响与改变着工业的各个方面, 甚至影响着社会的各个方面。它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的 变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的 自动化。板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、

2、造型美观的冲压件，具有节约材料、效率高与低成本等优点，在汽车、航空、 模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的 形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的要紧问题就是较长的模具开发 设计周期，特别是关于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以 预防缺陷的产生，只能通过经验或者类似零件的现有工艺资料，通过不断的 试模、修模，才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品 的开发进度。板料成形CAE技术及分析软件，能够在产品原型设计阶段进行工件坯料 形状预示、产品可成形性分析与工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周 期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，

3、降低生产成本，从根本上 提高企业的市场竞争力。板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用能够通过图1与图2进行 对比。图1传统板料成形模具开发模式图2 CAE技术模具开发方式通过比较，就可发现板料成形CAE技术的要紧优点。(1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期推断； 通过对模具方案与冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际 试模次数，缩短开发周期。(2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计与模具设计，增强 模具结构设计与冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。(3)通过CAE分析能够择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各类成形 参数进行优化,提高产品质量。(

4、4)通过CAE分析应用不仅能够弥补工艺人员在经验与应用工艺资料方 面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。二、板料成形需要解决的问题板料成形通过模具对板料施加压力，使板料产生永久性的塑性变形，以 获得预期的产品形状。在这个过程中影响板材变形的因素非常多，要操纵好 变形的形状也非常困难。首先，金属受外力作用会发生变形，变形可分为弹 性变形与塑性变形，弹性变形是可逆的，外力去除后变形体就会恢复成原先 的形状；第二，材料的成分与组织对变形影响极大；第三，塑性变形有多种 方式，再结晶温度下的塑性变形有晶内滑移与挛动、位错(位错分多种形式)， 再结晶温度上的塑性变形有晶间滑移、多晶体扩

5、散与相变变形等；第四，变 形温度、变形速度的影响；第五，变形体内部应力状态的影响；第六，摩擦 与润滑的影响；第七，材料塑性变形后，当变形体内部各部分变形不一致时, 物体内部产生相互牵制与自相平衡的负应力。由于在板料冲压成型过程中，模具的刚性通常远远大于板料的刚性，因 此模具的变形相对板料的变形来说极小，能够忽略不计。在冲压成形过程的计算机仿真中应考虑的问题归结为如下几个方面：(1)板料的大位移、大转动与大应变条件下的弹塑性变形的描述与计算。(2)板料与模具间法向接触力的计算。(3)板料与模具接触面间摩擦的描述及摩擦力的计算。(4)模具的几何描述与运动计算。(5)压力机加载过程的描述与模拟。板料

6、成形的工艺要紧有冲压工艺设计(包含毛坯尺寸计算、分步成形计 算等)、模具设计、冲压设备选择与成形缺陷预测与消除等。板料成形需要解决的要紧问题包含缺陷(起皱、拉裂、回弹)预防、压 边力确定、模具磨损的影响、润滑方案确定、成形力确定、毛坯尺寸确定与 压延筋布置等。基本的板料成形有圆筒件拉伸、凸缘圆筒件拉伸、盒形件拉伸、局部成 型、弯曲成型、翻边成型与胀型等。基本的板料成形，有一些经验公式与类 似零件作为参考。但关于复杂的板料成形，其各部位是连在一起的，相互牵 联与制约，故不要把变形性质不一致的部分孤立地看待，要考虑不一致部位 的相互影响，才不可能造成失误。三、板料成形CAE分析的方法概述L有限元数

7、值模拟的关键技术板料成形CAE技术是建立在有限元法基本原理与数值方法基础上，利用 计算机进行计算与求解的分析方法。有限元数值计算的关键技术如下：(1)模具几何形状的数字描述模具几何形状的数字描述有多种方式，目前较常使用的是STL格式。(2)摩擦边界条件的施加摩擦与金属的成分、毛坯与模具间的相对滑动速度、温度及润滑条件有 关。(3)速度约束条件的施加要紧包含边界自由节点与边界约束节点的运动属性判定。(4)网格划分与重划分技术在有限元数值模拟中，网格质量对数值求解的稳固性、效率及精度至关 重要。网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选 择、网格的密度、单元的编号与几何体素等。有

8、限元网格划分指导思想、划 分方法、原则与重划分技术等能够参考资料，这里不详述。目前的CAE软件 都提供了网格划分、修补与重划分功能，作为板料成形分析的工艺人员，关 键是要掌握好有限元网格划分指导思想、划分方法、原则，利用软件划分出 适当的单元。2 .板成形数值模拟算法简介最早的金属板材成形的数值模拟方法是有限差分法，此方法仅限于解决 诸如球形冲头胀形等轴对称问题。有限元方法的应用使得金属成形模拟获得 突破，相继出现了刚塑性、弹塑性理论，与运用这些理论进行的成形模拟。 单元类型以膜单元与实体单元为主，这些研究工作极大推动了板成形理论的 进展，但由于计算能力的限制没有得到广泛应用。基于动态显式算法

9、的软件的出现标志着板材成形仿真实际应用的真正进 展，与此同时，基于静态隐式增量法的软件也进一步进展。经近二十几年的 进展过程，板材成形CAE技术已经从实验室走向设计室，并在模具设计中发 挥了重要的作用。当前板材成形数值模拟使用的算法分为显式法与隐式法两类，其他还有 一步成形法等。(1)显式算法显式算法包含动态显式与静态显式算法。动态显式算法的最大优点是有 较好的稳固性。另外，动态显式算法使用动力学方程的中心差分格式，不用 直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，也不存在收敛操纵 问题。该算法需要的内存也比隐式算法要少。数值计算过程能够很容易地进 行并行计算，程序编制也相对简单。另外，

10、它也有一些不利方面：显式算法 要求质量矩阵为对角矩阵，而且只有在单元级计算尽可能少时速度优势才能 发挥，因而往往使用减缩积分方法，这样容易激发沙漏模式，影响应力与应 变的计算精度。静态显式法基于率形式的平衡方程组与EUle前插公式，不需要迭代求 解。由于平衡方程式仅在率形式上得到满足，因此得出的结果会慢慢偏离正 确值。为了减少有关误差，务必每步使用很小的增量，通常一个仿真过程需 要多达几千步。由于不需要迭代，因此这种方法稳固性好，但效率低。（2）隐式算法静态隐式算法也是解决金属成形问题的一种方法。在静态隐式算法中， 在每一增量步内都需要对静态平衡方程而迭代求解。理论上在这个算法中的 增量步能够

11、很大，但是实际运算中上要受到接触与摩擦等条件的限制。随着 单元数目的增加，计算时间几乎呈平方次增加。由于需要矩阵求逆与精确积 分，对内存要求很高。隐式算法的不利方面还有收敛问题不容易得到解决与 当开始起皱失稳时，在分叉点处刚度矩阵出现奇异。另有一种静态隐式大增量步软件，也属于静态隐式算法。它已做出了某 些改进，如在一些特殊接触条件处理上使用大增量时步、弯曲与拉伸变形的 非耦合求解算法、高精度的自习惯网格划分等。这些专用于金属薄板成形的 特征有的时候显得非常有效，但在某些方面不可能那么准确。比如，它不能 精确模拟接触与脱离接触的过程，无法有效预测起皱失稳等。（3）一步成形法在这种算法中只使用一个

12、时步，通常使用线性应变路径的假定，同时忽 略接触摩擦过程，能够在短时间内根据成形后的构形计算出初始坯料的尺 寸。假如结合CAD软件与网格划分功能，这一方法能够在设计的初始阶段 提供非常有价值的信息。当然，结果的准确性通常很低，实质上是一种近似 求解。3,板料成形CAE分析的通常步骤板料成形CAE分析的通常过程为前处理（网格划分、定义约束条件、施 加条件与边界条件等），求解（数值计算）与后处理分析结果（应力、应变、 材料厚度分布、能量等历史曲线、云图及动画，切取截面显示、回弹，FLD 图等）。其中前处理工作最为重要，作好网格划分、定义约束条件、施加条 件与边界条件等工作，是有效完成CAE分析的关

13、键。板料成形CAE分析的通常步骤为:（1）利用CAD软件为冲压件（或者各工序冲压件）建模，如图3所示;图3零件建模（2）在银冲CAE软件中输入冲压件模型；（3）网格曲面划分、检查、修补及重划分，如图4图5所示;图4工艺补面图5网格曲面划分（4）调整冲压方向;(5)利用偏移或者拷贝等方法由模型(局部)单元分别生成凸模、凹模， 生成压边圈、辅助补充面及拉延筋等，并对工具完成网格曲面划分、检查、 修改及重划分等工作；(6)网格边界、单元法线、重叠部分等检查；(7)产生毛坯零件并网格化，定义毛坯材料；(8)定义凸模、凹模、压边圈、拉延筋等工具及毛坯，调整相对位置，如 图6所示；(9)定义毛坯边界条件与

14、各类冲压工艺参数，包含接触类型、摩擦系数、 冲压速度、压力或者位移加载曲线等；(10)动画模拟模具工作过程；(11)利用求解器进行有限元法计算；(12)利用后处理器观察分析结果，若结果不理想，调整方案重新进行模 拟计算。利用后处理器观察分析结果，能够清晰各变量(应力、应变、材料厚度 分布、能量等)的历史曲线、云图及动画，截取截面显示(如厚度变化等)、 回弹等。FLD图能够显示每个单元的成形状况，如图7所示。为了便于工程 应用，还可将一些计算结果转化为其他工程信息，如根据变形状态反算出板 料的最佳毛坯形状、尺寸或者工件的回弹分布等。. A图7料厚分布四、板料成形CAE软件简介较多的公司都推出了非

15、常适合于模具设计工程师使用的板料成形数值模 拟软件。国外比较有名的商业化板料成形数值模拟软件有ESI公司的 PAM-STAMP、美国 ETA 公司的 DYNAFORM 与瑞士 ETH 公司的 AUTOFORM 等。这些软件使用自习惯网格技术，实现显隐式无缝转换，精度较高，用一 步法作坯料快速开发，具有较强的模面设计功能与焊板成形分析功能。这些 公司的的产品较为全面，涵盖了板料成形模拟的多个方面，广泛应用于拉伸、 切边、翻边、弯曲、多工位成形、液压胀形与弯管等领域。在自习惯网格技 术是在模拟成形过程中，在坯料遇到比较剧烈变形时自动进行局部区域的网 格细分，以提高这些部位计算的准确度。自习惯网格技

16、术对冲压成形是至关 重要的，由于初始的冲压板材通常比较平坦、形状很简单，刚开始就使用较 小的网格，计算时间将很长。到成形后期，板材变的非常复杂，网格不细将 无法提高计算精度，自习惯网格技术刚好解决了这一问题，并在时间与精度 上巧妙地取得了平衡。自习惯网格技术提高了对零件的表面质量(表面缺陷、 擦伤、微皱纹等现象)推断的准确性。此外还有加拿大FTl公司的FASTFORM, 属于一步法为主的高端产品，计算速度快，操作简单，功能丰富，可大大提 高工艺人员工作效率。我国近几年也开发了较为成熟的板料成形CAE软件，如华中科技大学塑 性成形模拟及模具技术国家重点实验室开发的FASTAMP与吉林大学车身与 模具工程研究所的KMAS等。目前多数的板料成形CAE