板材塑性成形虚拟技术发展探讨

板材塑性成形是利用金属板料在固定状态下的塑性，通过模具及外力的作用而制成零件的一种机械加工方法。与切削加工等方法相比，板料塑性成形不仅具有更高的生产效率，而且能获得更高的材料利用率，因而在国民经济中得到了极为广泛的应用，特别是在航空、宇航、汽车、造船、电器、五金等工业部门，板料塑性成形都是必不可少的主要加工方法。钣金件的生产与应用，特别是汽车工业的发展,是一个国家工业化程度的标志。世界工业发达国家汽车厂商为占有市场,几乎每年都有款式新颖、质量优良、性能先进、装饰舒适的新车型面市。除规模效益外，竞争取胜，要靠先进的科学技术，大力缩短改型换代的周期。

板材成形过程是一个大挠度，大变形的塑性变形过程，涉及金属板在拉深和弯曲的复杂应力状态下的塑性流动，塑性强化，以及引起的起皱，破裂和回弹等缺陷问题。同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。因此，对冲压成形过程中板材的成形性而言，单凭经验很难预先估计，致使模具设计正确性难以评价，往往要等模具加工后试模时问题才能暴露出来，给模具调试造成极大困难，甚至导致模具报废，利用板料成形模拟技术可以及早发现问题，改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模成本。板材的成形分析可在多方面对冲压生产提供有力的技术支持；在设计工作的早期阶段，评价成形件及其模具设计、工艺设计的可行性；在试冲试模阶段，进行故障分析和解决实际发生的问题；在批量生产阶段，用于零件的缺陷分析，改善钣金件的生产质量，同时可用来调整材料选择，降低成本。这样可以避免用实际制造出来的模具进行调试所带来的巨大浪费。这项工作又称为板料成形的计算机辅助工程分析(CAE)。

在汽车工业中，由于车身覆盖件的精度要求越来越高，在传统的冲压生产过程中，无论是覆盖件模具的设计、制造，还是坯料形状和尺寸的确定，冲压工序、工艺参数的规划，都是设计制造原型，经过多次试生产和多次调试修正才能确定，这是一个试错逼近的过程，需要人力、物力和财力的大量消耗，生产成本高，周期长。随着计算机技术和有限元技术的快速发展，板料成形过程的有限元模拟技术提供了解决这一难题的有效手段。板料成形有限元术可以追溯到20世纪60年代，它是伴随着非线性介质力学理论、有限元理论和计算技术的发展而逐步发展起来的。由于板料成形数值模拟技术涉及到连续介质力学中材料的非线性、几何非线性、状态非线性等强非线性的计算，难度很大。在材料的本构关系中，用于板料成形分析的非线性有限元主要采用弹塑性有限元法，并由Hibbit等人采用Euler描述分别建立了大变形弹塑性有限元列式。

适用于大变形问题的有限元的非线性有限元的法提出后，在板料成形模拟中得到了广泛的应用，解决了大批以前用经典方法无法解决的问题。在早期板料成形模拟尚处于探索阶段时，研究工作就已逐渐展开。经过一定时期的发展，板料成形模拟在世界各地蓬勃展开，研究进入了快速发展阶段。三年一届的工业成形中的数值方法和板料成形数值模拟国际会议集中反映了这方面的研究工作的进展情况。这些国际会议交流展示了板料成形分析发展的各个方面，内容涉及新材料模型研究，成形模拟、缺陷及失稳分析、本构方程建立、程序前后置处理、FEM程序开发及与CAD系统连接等。

从二十世纪70年代后期开始，经过二十多年的发展，板料成形技术逐渐走向成熟。目前，板料成形过程的计算机仿真已经走出理论研究和软件开发阶段，正进入实用化阶段，已形成商品化的板料成形分析软件。在世界范围内，美、法、德依次处于该技术的领先地位，已经推出了商品软件。并已得到了许多工业部门广泛应用。美国的通用、福特的大众、奔驰、日本的丰田、日产等大型汽车制造公司，都已开始应用板料成形分析CAE软件指导板料成形件的开发和生产，产生了很好的经济效益。随着我国汽车、飞机等工业的发展。板料成形过程分析的需求日益迫切，板料成形CAE软件在我国应用越来越广泛。

我国对板料成形技术的模拟仿真等方面的研究仍属起步阶段，研究工作主要集中在少数重点大学，如西北工业大学，上海交通大学，吉林大学，华中科技大学等，少数企业如一汽、上汽及一些研究所等开始引进国外软件，如美国开发的ANSYS， DYNAFORM，欧共体五国开发的PAM－STAMP 2G，瑞士联邦工学院开发的AutoForm等。由于缺乏售后服务支持，更多地靠自己在实践中探索试用。由此带来了许多缺点。同时国内大学也自主开发了相应的软件，如北京航空航天大学自主开发的SheetForm；吉林大学与吉林金网格模具工程研究中心联合开发的KMAS，成功的解决了我国汽车工业车身的自主开发与模具制造的“瓶颈”问题，现已经拓展到航空、通信等其它与冷冲压相关的行业。

板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的非常复杂的力学过程。其有限元数值模拟有很多模型和方法还不是十分成熟，在实际应用中也暴漏出了许多不足和待改进的地方，包括材料模型、单元模型、接触摩擦模型、单元模型、拉延筋模型、回弹模型等。在应用软件方面，在处理某些特殊问题时，只能采用近似的几何模型，所以模拟结果与实际试验结果有比较大的出入。

随着工业的发展，为了缩短金属板料冲压模具设计与加工的生产周期及提高模具加工质量，同时也为了提高产品的市场竞争力，CAD/CAE/CAM一体化技术在国外一些先进工业国家得到了应用。这些新技术得采用，保守的估计，可使模具设计与制造周期缩短2/5,模具生产成本降低1/3，进而大大降低成本，增强市场的竞争力，因此这项新的高科技已成为汽车工业自主开发能力形成的关键。CAD/CAM技术经过多年的积累已日趋成熟，随之而来带动着CAE的迅速发展。但由于金属板料冲压成形过程分析是集工程力学、金属压力加工、材料科学、模具技术、板料成形理论、现代计算数学和计算机等众多学科相互交叉、紧密结合的先进制造技术，进展相对比较慢。

为了更好的应用板料冲压成形CAE分析，应从以下方面进行完善：

⑴ 在应用软件成程序设计方面，开发基于面向对象有限元程序设计的软件。以往的程序设计是结构化的软件设计方法，是面向任务的方法，即为某项具体任务而设计。这种方法由于分析与设计阶段的局限性，产生了分析阶段的问题域与设计阶段的求解域的差异。虽然从一定程度上提高了板料冲压仿真软件的开发效率和系统的可维护性，但对于软件的可重用性、可靠性、可扩充性、可移植性以及嵌入其它系统的能力方面，仍然得不到有效改善。采用面向对象方法可以很好的解决这些缺陷。面向对象方法的指导思想是按人们习惯的思维方式建立问题域模型，设计尽可能自然地表现求解方法的软件，为此必须建立直接表现组成问题域的事物及事物间的相互联系的概念，建立适合人们思维方式的描述范式。面向对象方法很好的提高了分析、设计和实现的统一性，有效的改善了软件系统可重用性、可扩充性、可移植性和维护性。

⑵ 在CAE分析软件中，开发基于塑性变形理论的优化设计分析。近些年来，塑性变形理论逐渐成熟，而应用在软件中进行优化分析的很少。通过优化分析，优选工艺参数，优化模具型腔形状和改进模具结构，解决经验设计不足。

⑶ 在CAE有限元模拟技术中，利用有限元和边界元方法分析塑性成形过程，以实现有限元与边界元理论优势互补。

综上所述，目前针对金属板料冲压成形模拟仿真已从理论走向实际应用、并且已带来了巨大的经济效益。由于影响板料冲压成形的因素多而复杂，因素之间还存在耦合关系，再加之产品品种繁多，因此模拟结果与试验结果还有差距，还需要长期不断的摸索和完善。将有限元法这种解决工程技术问题的可靠工具引入金属板料冲压成形的研究，可以高效准确地分析成形过程、检验工模具模型、设计结果，大大降低工模具设计成本和风险。因此,采用有限元法模拟金属板料冲压成形过程，并与计算机辅助工艺设计相结合构筑基于理论、经验和数值模拟的稳健计算机辅助专家系统是金属板料冲压成形研究发展的趋势。

参考文献:

[1]陈文亮 板料成形CAE分析教程 2005

[1]李尚健.金属塑性成形过程模拟[M].机械工业出版社,1998.

[2]钟志华,李光耀.薄板冲压成形过程的计算机仿真与应用[M]. 北京理工大学出版社,1998.

[3]王舂江等.面向对象有限元方法及其C++实现[J].上海交通大学学报,2004,36(6):956-960.

[4]肖祥芷等。模具CAD/CAE/CAM [M] 电子工业出版社 2004

[3]王舂江等.面向对象有限元方法及其C++实现[J].上海交通大学学报,2004,36(6):956-960.

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