1沖壓成型過程的CAE分析

　　目前，隨著非線性理論、有限元方法和計算機軟硬件的迅速發(fā)展，薄板沖壓成型過程的CAE分析技術(shù)日漸成熟，并在沖壓模具與工藝設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用。目前的金屬板料成形CAE系統(tǒng)已能提供以下分析和模擬結(jié)果：材料的流動、厚度的變化、破壞、起皺、回彈，以及殘余應(yīng)力和應(yīng)變，用以預(yù)測產(chǎn)品設(shè)計和加工工藝的合理性。其應(yīng)用可以貫穿產(chǎn)品和模具開發(fā)的全過程，比如：可以在產(chǎn)品設(shè)計階段對設(shè)計師提出產(chǎn)品沖壓可行性分析：可以在模具設(shè)計階段對設(shè)計師的設(shè)計方案進行模擬和驗證;還可以在修模過程中提供直觀形象的指導(dǎo)。

　　沖壓成型過程的CAE分析實質(zhì)上是在計算機上模擬板料變形的全過程，從而判斷沖壓工藝方案的合理性。由于每次模擬就相當(dāng)于一次試模過程。因此在沖壓成型過程中應(yīng)用CAE模擬技術(shù)，可以顯著地減少試模次數(shù)，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本。比如：PAM-STAMP2G在模具設(shè)計中的應(yīng)用就是一個例子，PAM-STAMP2G是法國ESI公司開發(fā)的板金成形過程的有限元計算機模擬求解方案。它整合了從模具設(shè)計的可行性、快速模面生成與修改到?jīng)_壓過程的模擬等環(huán)節(jié)。它包含三個主要功能模塊：1)DIEMAKER：用于快速生成壓科面及工藝補充面：2)QUIKSTAMP：用于快速評估成型模具：3)AUTOSTAMP：用于精確評估成型模具。

　　又如在汽車覆蓋件的拉延模設(shè)計中，合理設(shè)計工藝壓料面和工藝補充及壓延筋可以在很大程度上避免起皺、拉裂以及拉伸不足等制造缺陷。利用PAM-STAMP可以建立多個方案進行計算，優(yōu)選出或優(yōu)化得到較為滿意的模面和壓延筋，作為模具設(shè)計的參考和依據(jù)。而使用AUTOSTAMP中的展平(Flattening)功能得到的板材優(yōu)化曲線，可以用來作為壓料面的外邊界參考.

　　成型CAE在模具設(shè)計中的應(yīng)用，實際上是對模具設(shè)計方案進行評估優(yōu)化的過程。合理應(yīng)用CAE技術(shù)在板料設(shè)計中的應(yīng)用，可以避免和減少傳統(tǒng)模具設(shè)計方法產(chǎn)生的浪費、失誤甚至報廢，有效地提高模具開發(fā)的效率，降低開發(fā)成本.

　　2虛擬制造和裝配在沖壓成型中的應(yīng)用

　　虛擬制造和裝配是基于計算機生成的虛擬環(huán)境。對實體模型進行模擬制造裝配的過程，并對裝配過程和裝配結(jié)果進行分析和驗證。以多彎曲型材的制造為例，多彎曲型材由于其截面形狀復(fù)雜、尺寸精確等特點，正越來越多地用于機械、建筑、裝飾等行業(yè)。但長期以來，多彎曲型材的制造通常都是以多個簡單沖模多次反復(fù)沖壓折彎逐步制造成形的。彎曲件的彎曲形狀越復(fù)雜，工序越多，工件逐步成形的過程也越多，調(diào)試和試模過程也隨之越長，將虛擬制造技術(shù)引入之后。將要制造的多彎曲型材的變形工藝過程正確建模后，可以通過計算機生成的虛擬環(huán)境對其要求的中間的過程進行模擬。根據(jù)中間結(jié)果可以調(diào)整模具的參數(shù)，這樣可大大節(jié)省試模時間和次數(shù)傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)技術(shù)投資大、周期長、制造成本、裝備復(fù)雜程度難以估計，隨著非線性理論、有限元方法和計算機軟硬件的迅速發(fā)展。為滿足市場的需求，虛擬制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造模式中，比如：沖壓成型過程的CAE分析，虛擬裝配在沖壓成型中的應(yīng)用等.虛擬制造己實現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計、加工制造、裝配到檢驗全過程的動態(tài)模擬.使企業(yè)能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率.

　　在沖壓件的裝配中，虛擬裝配技術(shù)能起到獨特的作用，以汽車車身沖壓件組成部件為例，它的組成不僅體積大、數(shù)目繁多，并且相互之間的運動聯(lián)系也非常復(fù)雜，這導(dǎo)致各沖壓件的裝配序列和彼此之間的裝配尺寸難以確定。如果按照傳統(tǒng)的人工試湊裝配方法進行裝配，不但費時費力，有時甚至由于部件相互之間存在干涉導(dǎo)致無法完成組裝成功。針對上述闖題，可應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)來解決車身沖壓件組裝的難題。在建立有關(guān)沖壓件三維模型類庫的基礎(chǔ)上，構(gòu)建虛擬環(huán)境以完成各零部件的裝配過程，并運用仿真手段對裝配結(jié)果進行驗證。因此，操作人員通過與裝配過程進行實時信息反饋和交互，可以直觀地看到自己的組裝結(jié)果，并且在此基礎(chǔ)上進行各部件間的干涉檢驗及布局調(diào)整，從而真正利用虛擬現(xiàn)實的手段實現(xiàn)裝配路線的合理規(guī)劃。

　　沖壓線實體建模的核心問題是解決如何在虛擬環(huán)境中表達和存儲沖壓各零部件的數(shù)據(jù)信息，使之能夠全面支持裝配工藝規(guī)劃、裝配分析與評價以及為裝配仿真提供所需的信息數(shù)據(jù)。因此，裝配模型是進行虛擬裝配的信息基礎(chǔ)和前提條件.

　　建模工作產(chǎn)生的所有的計算機模型格式主要采用CATIAV5文件，也可利用其他CAD系統(tǒng)(如Pro/E、AutoCAD、UG)等來建立，利用中性文件格式進行轉(zhuǎn)換。沖壓件模型庫是構(gòu)成虛擬環(huán)境的主要內(nèi)容，是沖壓件實物數(shù)字化的過程。為了讓虛擬環(huán)境系統(tǒng)更貼近真實，必須對數(shù)字模型作光線、色彩、紋理聲音等方面的處理，使得虛擬裝配仿真達到視覺上的逼真。對汽車車身沖壓線這類復(fù)雜多造型實體的渲染過程，可以通過為造型構(gòu)造LOD的方法來減少實時繪制的開銷，從而加快瀏覽速度。LOD是細節(jié)層次模型(Level Of Detail)的英文簡稱，其主要思想是對于同一實體，根據(jù)其在虛擬場景的距離、視覺特性等規(guī)則，構(gòu)造一組可顯示不同多面體數(shù)量的三維模型。在模型驅(qū)動時根據(jù)所制定的規(guī)則，選擇相應(yīng)的顯示層次，從而達到實時簡化模型，而又不影響視覺效果的目的.

　　應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，通過對虛擬沖壓件裝配后的運行過程進行仿真驗證，替代了原有的實物模型預(yù)裝配。組裝人員通過虛擬裝配的手段實現(xiàn)沖壓件裝配路線的合理規(guī)劃。可有效改善沖壓件的裝配工藝。對于縮短組裝周期、提高組裝質(zhì)量、降低組裝成本有重要的理論與現(xiàn)實意義.

　　除此之外，在技術(shù)的先進性方面，應(yīng)該根據(jù)企業(yè)實際要求不要過度追求世界領(lǐng)先，以解決實際問題，力爭盡快創(chuàng)造效益。比如：1)建立企業(yè)網(wǎng)和工程數(shù)據(jù)庫，初步實現(xiàn)CAD、CAPP、CAM功能;2)進行信息集成推行PDM技術(shù)、特征建模技術(shù)，形成一個CAD、CAPP、CAM的集成系統(tǒng)：3)首先在設(shè)訐、工藝、制造部門建立統(tǒng)一的產(chǎn)品模型。初步實現(xiàn)并行工程：進一步將企業(yè)管理方面的MIS、MRPII與CAD/CAM系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)全廠范圍內(nèi)的信息集成。全面實現(xiàn)并行工程;4)在上述工作的基礎(chǔ)上，對企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)、經(jīng)營等多方面的活動進行建模、仿真，實現(xiàn)虛擬制造.

　　總之，基于產(chǎn)品的數(shù)字化模型，應(yīng)用先進的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計、加工、制造到檢驗全過程的動態(tài)模擬，并對企業(yè)的運作進行了合理的決策與最優(yōu)控制.虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型(Soft Prototype)取代了實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產(chǎn)品評估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。企業(yè)的生產(chǎn)因為虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用而具有了高度的柔性化和快速的市場反應(yīng)能力，因而市場競爭能力大大增強。作為一種先進的制造模式，虛擬制造的應(yīng)用范圍必然會不斷擴大，給更多的企業(yè)帶來更大的收益.