金属薄板成形中的数字建模与仿真莫非

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[摘 要]近年来，建模与仿真以及计算设备快速发展，在制造过程中，建模与仿真在工程和制造业中的作用已越来越大，已成为工程实践的日常工具。同时，国际市场日益全球化，竞争日趋激烈，缩短研制时间，节省研制成本是工程和制造业考虑的重点。因此，本文旨在从科学研究和工业应用的角度，综述金属薄板成形中数字建模与仿真的当前形势。

[关键词]金属薄板成形；数字建模；有限元法仿真

中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0034-02

1.绪论

在金属薄板成形中，建模与仿真可用于许多的领域，例如，预测测量流、分析应力、应变分布与温度分布、确定成形力、预测潜在的缺陷与失效根源、改善零件品质与复杂性，以及降低制造费用。现今，常常将建模与仿真作为集成制造环境中，产品和过程设计的整体部分。在决定整个制造费用的早期阶段做出重大决策时，虽然设计费用通常仅在总生产费用的5%与15%之间，但设计阶段中采用建模与仿真，却是至关重要的。因此，金属薄板成形的新近研究均侧重于应用建模和过程仿真。在仿真中，应考虑若干参数和影响因素。材料特性和组成律以及摩擦条件具有显著重要性，而且，为了在金属薄板成形中节约成本，提升可靠进行，建模与仿真时还应考虑几何表示法和计算时间。

2.仿真方法及其主要特征

金属薄板成形中采用的有限元仿真，正在迅猛发展。早期的冲压件数字仿真仅利用计算机了解如何改善成形过程，主要侧重于尝试不同的方法。中期，已推广了相当多的有限元法成功，可达到足以用于解决普通的复杂工业问题。今天，已获得了若干用于成形仿真的商业编码软件。近来，除利用诸如MARC、COSMOS或ABAQUS之类通用软件之外，还更广泛和更经常采用专门针对金属薄板成形的专用软件。在这些专用软件中，PAM-STAMP、AutoFORM、DYNA3D、ITS-3D、OPTRIS、FAST FORM3D是主要工具。

关于几何复杂性，就金属薄板成形工艺而言，在有些情况下，可按二维轴对称问题予以仿真，但在大多数情况下，要求三维解。由于零部件在成形过程中，通常会经历不小的塑性变形，随着仿真继续进行，网格的变形也十分显著，因此，必须重新划分网格，并在旧网格与新网格之间内插数据，以获得精确的结果。该特点使仿真软件不可或缺的自动及自适应重划网格能力，成为其内置技术。目前，在金属薄板成形中所用到商业软件包内，包括了该内置技术。在这方面，自动重划网格应完成以下两个基本任务：（1） 确定符合零件几何特点和复杂性的最佳网格密度分布；（2） 按照该点以前获得的变形生成新网格。

3.有限元仿真在冲压工艺中的预期作用

设计和制造复杂金属薄板件通常非常耗时费钱。传统制造方式是通过实验方法或根据设计人员的实践经验，确定各种零件的可成形性，这样做也会导致可成形性的问题。当引入新材料或制造一款全新零件时，设计人员没有任何经验可资依赖。对于这些零件，要基于工装设计工程师的经验，制造其原型模具。在加工出合格的优质零件之前，需测试原型模具和零件。这样做，需要进行大量变更和调整，以提供硬模具，同样，在生产出优质成品之前，硬模具应经历包括次要（或在许多情况下为主要）调整的一系列试验。这种方法在冲制实践中，会导致研制周期长且研制期费用高。

大多数工业企业迫切希望缩短新制造冲压成套模具的时间，以便在后来节约费用和资源，有限元仿真就能满足这些要去，达到预期目的。在不同的设计和制造阶段，均可有效进行仿真，用以支持决策。在设计阶段需要进行首次仿真。该阶段的仿真旨在大致估计可成形还是不可成形待制造零件。如果答案为“不能”，则必须修改设计。但是，在此阶段，尚未用CAD系统充分描述零件的几何形状，且无工装资料，因而，不可能进行完整仿真。所谓的一步仿真法特别适合这些用途，这是因为产品分析不需要联编程序、补充约定，乃至许多工艺参数和条件。一步有限元法仿真还易于使用和快速提供结果，从而让产品设计人员在正确的时间进行必要变更。

当已设计产品，并确认其“可成形”时，开发循环便进入了需要更精确仿真的过程和模具设计阶段。在此阶段，必须确定冲制步骤（工步）数，例如，第一次拉伸、第二次拉伸、修整、折边，以及设计各冲制工步所用模具的几何形状。在该阶段，通过CAD表面描述对模具几何形状建模，便可依照仿真结果修改模具数据。整合CAD和仿真系统，在有限的生产工装设计时间内，充分获得最佳冲制工步和模具几何形状，是至关重要的。此类分析需要考虑联编程序、补充约定和工艺条件等因素，而有限元仿真适用于必要变更，乃至优化工艺参数，可以确保工艺的可行性以及产品质量的合格率。

有限元仿真在过程控制和过程优化中，也起到了十分重要的作用。例如，许多研究论文均涉及了在伸拉工艺中通过控制压边力，进行过程优化。利用过程仿真，以及通过控制压边力所做过程优化的结果，可提供进一步设计更主动成形工艺的可能性，从而提高产品质量和增强工艺稳健性。

在试验阶段，为了找到解决避免成形缺陷的方案，也需要进行仿真。为了探究缺陷的起始和发展机理，应进行一系列系统性仿真，所获信息应有效地用于下一新模型的制造。不断加强有限元仿真的功能，使之足以预测所有成形缺陷，提供最佳冲制模具和条件，则完全可以从设计与制作程序中取消原型工装，且试验和修改次数可显著减少。从而可大大缩短该过程。这是工业上金属薄板成形中最理想的有限元仿真方案。

4.金属薄板成形仿真的新要求和新近发展

传统的冲压仿真的应用，主要集中于应变预测和推广冲压件的相关技能，是通过“单纯应用”有限元仿真，帮助了用户降低费用和缩短各种零部件的研制期。在现今，也还有无数这方面的实例。仿真不仅能够利用上述方法预测后续问题的费用，而且还容许减少实际测试。

4.1 零件几何形状

如前所述，根据几何复杂性，在有些情况下可按二维仿真金属薄板成形，而在大多数情况下，则需要解三维轴对称的问题。为了进行有效仿真，常可能（及在某些情况下必须）忽略对金属流没有显著影响的所有次要几何特点。不过，在某些特殊问题中，如液压成形，或在许多伸拉工艺中，应考虑尺寸影响。在既定工业中，零件件设计已发生急剧变化。零件几何形状明显受到美学设计的影响。大多数传统形状已为具有混合扫掠曲线和锐角的未来派设计所取代。因而，须引入具有更广泛派生品种和延伸定制化的模型。由于零件几何形状对于任何进一步的设计与仿真具有基准作用，所以，还需要更复杂的零件几何描述。

4.2 工件材料与模具材料

未来精确预测材料流和成形载荷，必须利用可靠数据。在大多数仿真中，均认为模具是刚性的，因而忽略了模具变形和应力。但是，在许多情况下，尤其是在某些薄板成形过程中，相对不大的模具弹性变形，可影响模具―工件接触面处的接触应力分布。因此，只要条件需要，就必须考虑模具的弹性变形。

随着我国高效节能等需求日渐增加，制造厂家必须评估并采用用于结构件的新材料。基于这些需求，已开发了新铝合金和新钢种，例如，超高强钢和双向钢，以及TRIP （相变诱导塑性）钢，可增加先前利用传统钢种的可能约束。采用这些新材料就必须研究材料的特性，利用这些新材料的主要优点是，有助于减轻重量等。对于拟有效制造的零部件，这些新材料需要更高的精确度和参数化程度，以满足成形仿真的需求。保持零件材料历史和参数（例如，应变率、硬化等）溯源的可定制模型，已成为基本要求。

模具与工件之间接触面处的摩擦（及此处的适当传热条件），可显著影响材料流和生产零部件所需的成形载荷。因此，对于大多数金属薄板成形操作而言，从可靠仿真的观点来看，可靠的接触面条件和参数非常重要。

4.3 制造过程

在最近数年里，已发明和引进了加速生产的新设备及新成形机。同样，在最近十年间，成功引入了若干新创新的成形方法，例如，成形修正坯料等的液压成形。这些新研究的目的始终是为了减少零部件数，而同时优化成形工步数。从可行性阶段到最终确认，对于聚集材料供应商和设备供应商而言，仿真都是必不可少的。新设备已改善了生产过程本身，于是又产生了新的问题，坯料传送、定位和坯料修整以及废料处置（图1）。

根据焊接技术的发展，可看到仿真新要求的另一个实例。随着利用激光焊接的增多，要求更复杂的合模方式和极小的翻边公差。该技术对公差控制的确有极大影响，从而，仿真转变为成形阶段零件的回跳问题。过程中的这种演变，再次说明必须提高冲制仿真期间的精度和更加严格的控制。

4.4 协作环境方面的不断改进

前面的章节已阐明了成形过程发展的一些实例，根据新设计，改善了材料、更新了设备和先进工艺。因而，成形仿真已变得并不完善。侧重点已从初始目标（可成形性分析）转移到了全面质量的控制和整合。成形仿真必须适应这些新要求。这些要求中的最重要之处在于：

（i）提供围绕从早期可行性到最终确认每一步过程中的可伸缩革新环境；

（ii）提高评估新工艺和新材料及其特性，以及精确预测回弹性能与表面质量问题的整个模型参数化精度；

（iii）无缝传送与管理仿真数据，保持过程中每阶段溯源零件历史，以便核查产品性能和稳健性，也检查其一致性；

（iv）在可定制的延伸协作环境中，优化开发可利用的计算机资源。

5.结束语

金属薄板仿真的新近变化和趋势清楚表明，需要一种全面、可伸缩整合和革新的冲制方案，以涵盖从零件设计，经由模具设计、模具评估、调整及确认该工艺的整个设计过程。

在过去十年间，成形仿真软件的工业要求，已从“单纯的可成形性”分析到“全面质量”解决方案的整个冲制过程，同样已发生了深刻变化。因此，新的解决方案必须满足这些要求。新一代冲压软件应能够处理从零件几何形状，经由模具设计，到最终工艺确认和质量控制，整个金属薄板成形链的仿真。应由先进的仿真技术和计算机技术的当前发展水平，整合并支持不同的组件。

该方案在设计和制造两个阶段中，均具有显著的优点。应用这些原理时，在理论上可使整个开发循环取得更可靠的成果，即更优化的设计。这种整合方法将实现显著缩短研制期，达到更好的产品质量，并因此更节约设计和生产费用。