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(jì)算機(jī)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(jì)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(dòng)、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(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)師提出產(chǎn)品沖壓可行性分析：可以在模具設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬和驗(yàn)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(shí)質(zhì)上是在計(jì)算機(jī)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(jì)中的應(yīng)用就是一個(gè)例子，PAM-STAMP2G是法國(guó)ESI公司開發(fā)的板金成形過程的有限元計(jì)算機(jī)模擬求解方案。它整合了從模具設(shè)計(jì)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(gè)主要功能模塊：1)DIEMAKER：用于快速生成壓科面及工藝補(bǔ)充面：2)QUIKSTAMP：用于快速評(píng)估成型模具：3)AUTOSTAMP：用于精確評(píng)估成型模具。

　　又如在汽車覆蓋件的拉延模設(shè)計(jì)中，合理設(shè)計(jì)工藝壓料面和工藝補(bǔ)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(gè)方案進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jì)中的應(yīng)用，實(shí)際上是對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化的過程。合理應(yīng)用CAE技術(shù)在板料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以避免和減少傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的浪費(fèi)、失誤甚至報(bào)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(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境。對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行模擬制造裝配的過程，并對(duì)裝配過程和裝配結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)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(diǎn)，正越來越多地用于機(jī)械、建筑、裝飾等行業(yè)。但長(zhǎng)期以來，多彎曲型材的制造通常都是以多個(gè)簡(jiǎn)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(zhǎng)，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(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境對(duì)其要求的中間的過程進(jìn)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(shí)間和次數(shù)傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)技術(shù)投資大、周期長(zhǎng)、制造成本、裝備復(fù)雜程度難以估計(jì)，隨著非線性理論、有限元方法和計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展。為滿足市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工制造、裝配到檢驗(yàn)全過程的動(dòng)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(jì)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(dú)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行裝配，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有時(shí)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(duì)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(kù)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(yùn)用仿真手段對(duì)裝配結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。因此，操作人員通過與裝配過程進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行各部件間的干涉檢驗(yàn)及布局調(diào)整，從而真正利用虛擬現(xiàn)實(shí)的手段實(shí)現(xiàn)裝配路線的合理規(guī)劃。

　　沖壓線實(shí)體建模的核心問題是解決如何在虛擬環(huán)境中表達(dá)和存儲(chǔ)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(píng)價(jià)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。沖壓件模型庫(kù)是構(gòu)成虛擬環(huán)境的主要內(nèi)容，是沖壓件實(shí)物數(shù)字化的過程。為了讓虛擬環(huán)境系統(tǒng)更貼近真實(shí)，必須對(duì)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(dá)到視覺上的逼真。對(duì)汽車車身沖壓線這類復(fù)雜多造型實(shí)體的渲染過程，可以通過為造型構(gòu)造LOD的方法來減少實(shí)時(shí)繪制的開銷，從而加快瀏覽速度。LOD是細(xì)節(jié)層次模型(Level Of Detail)的英文簡(jiǎn)稱，其主要思想是對(duì)于同一實(shí)體，根據(jù)其在虛擬場(chǎng)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(dòng)時(shí)根據(jù)所制定的規(guī)則，選擇相應(yīng)的顯示層次，從而達(dá)到實(shí)時(shí)簡(jiǎn)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(duì)虛擬沖壓件裝配后的運(yùn)行過程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，替代了原有的實(shí)物模型預(yù)裝配。組裝人員通過虛擬裝配的手段實(shí)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(duì)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(shí)意義.

　　除此之外，在技術(shù)的先進(jìn)性方面，應(yīng)該根據(jù)企業(yè)實(shí)際要求不要過度追求世界領(lǐng)先，以解決實(shí)際問題，力爭(zhēng)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(kù)，初步實(shí)現(xiàn)CAD、CAPP、CAM功能;2)進(jìn)行信息集成推行PDM技術(shù)、特征建模技術(shù)，形成一個(gè)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(shí)現(xiàn)并行工程：進(jìn)一步將企業(yè)管理方面的MIS、MRPII與CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)全廠范圍內(nèi)的信息集成。全面實(shí)現(xiàn)并行工程;4)在上述工作的基礎(chǔ)上，對(duì)企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)等多方面的活動(dòng)進(jìn)行建模、仿真，實(shí)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(jìn)的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造到檢驗(yàn)全過程的動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)企業(yè)的運(yùn)作進(jìn)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(shí)物樣機(jī)，通過對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)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?yàn)樘摂M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(chǎng)反應(yīng)能力，因而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力大大增強(qiáng)。作為一種先進(jìn)的制造模式，虛擬制造的應(yīng)用范圍必然會(huì)不斷擴(kuò)大，給更多的企業(yè)帶來更大的收益.