在設(shè)計(jì)制造鈑金沖壓成形零件中采用虛擬沖壓－板料成形模擬技術(shù)  

 內(nèi)容提要：介紹在設(shè)計(jì)、制造鈑金沖壓成形零件中采用虛擬沖壓板料成形模擬技術(shù)的意義與必要性、該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、我們?cè)谠擁?xiàng)技術(shù)上取得的研究進(jìn)展，探討該技術(shù)在我國(guó)的實(shí)現(xiàn)途徑。

作者: 施法中 (北京航空航天大學(xué))   黃迪民 (中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司)   陳中奎 徐丙坤 宋靖宇(北京航空航天大學(xué))

          0、引言
          鈑金件即由金屬板料制成的零件，在飛機(jī)中約占零件總數(shù)的1/2, 在卡車中超過總重量的1/2,
      在轎車中達(dá)3/4，在其它行業(yè)也有較多的應(yīng)用。鈑金件的生產(chǎn)與應(yīng)用，特別是汽車工業(yè)的發(fā)展,是一個(gè)國(guó)家工業(yè)化程度的標(biāo)志。自改革開放以來，我國(guó)汽車工業(yè)已發(fā)生了巨大變化，汽車年產(chǎn)量從1978年的15萬輛躍增到1997年的157萬輛。汽車工業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。但是與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)全國(guó)一年的產(chǎn)量還不及一個(gè)國(guó)外大汽車公司的年產(chǎn)量。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的提高,汽車將有一個(gè)很大的需求市場(chǎng)。國(guó)外多家汽車廠商已瞄準(zhǔn)了我國(guó)這一市場(chǎng)。一俟我國(guó)加入世界貿(mào)易組織（WTO）,我國(guó)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將成為國(guó)際市場(chǎng)的一部分。屆時(shí)關(guān)稅降低,國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)將面臨進(jìn)口車涌入的沖擊。即使我們能獲得有限的保護(hù)期，這一天也會(huì)很快到來。據(jù)5月27日《信息時(shí)報(bào)》報(bào)道，我國(guó)轎車工業(yè)在未來兩三年內(nèi)很可能再次下調(diào)20%，降至60-80%,以適應(yīng)總體關(guān)稅水平到2000年降到15%的要求。這表明今后我國(guó)汽車工業(yè)指望得到關(guān)稅保護(hù)的力度將會(huì)越來越小。
         
      世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家汽車廠商為占有市場(chǎng),幾乎每年都有款式新穎、質(zhì)量?jī)?yōu)良、性能先進(jìn)、裝飾舒適的新車型面市。除規(guī)模效益外，競(jìng)爭(zhēng)取勝，要靠先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，大力縮短改型換代的周期。
          汽車鈑金件的生產(chǎn)主要依靠模具來完成。在車型設(shè)計(jì) 模具設(shè)計(jì)、制造與調(diào)試
      投產(chǎn)的整個(gè)周期中，模具設(shè)計(jì)制造與調(diào)試約占2/3的時(shí)間，成為制約汽車改型換代的主要因素。這是因?yàn)榘辶蠜_壓成形過程是一個(gè)非常復(fù)雜的塑性成形過程，許多因素都直接或間接地影響著成形的結(jié)果。經(jīng)典的板料成形理論只能對(duì)如彎曲件、杯形件等簡(jiǎn)單鈑金件的成形過程進(jìn)行分析。對(duì)于如汽車覆蓋件那樣形狀復(fù)雜的鈑金件就顯得無能無力。這使得汽車模具的設(shè)計(jì)迄今仍主要憑借設(shè)計(jì)員的經(jīng)驗(yàn)和類比進(jìn)行。由于缺乏較準(zhǔn)確可靠的定量分析與計(jì)算，致使設(shè)計(jì)制造出來的模具必須經(jīng)過反復(fù)試壓修改，有時(shí)甚至修改原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，報(bào)廢重制模具后，才能沖出合格制件。這一過程導(dǎo)致了人、財(cái)、物、時(shí)間的巨大浪費(fèi)。為改變這種傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與試錯(cuò)方法不適應(yīng)汽車工業(yè)發(fā)展的狀況，人們?cè)O(shè)想在模具投入制造前，能否在計(jì)算機(jī)上模擬沖壓成形過程，即在虛擬環(huán)境下對(duì)所設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行分析。如果可行，再投入制造。如果不行，再修改模具設(shè)計(jì)，甚至修改原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)重新設(shè)計(jì)模具，重進(jìn)行模擬分析，直至可行再投入模具制造。這樣可以避免用實(shí)際制造出來的模具進(jìn)行調(diào)試所帶來的巨大浪費(fèi)。這項(xiàng)工作又稱為板料成形的計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)。

         1、板料成形模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
         
      在汽車工業(yè)發(fā)展需要的牽動(dòng)下，國(guó)外汽車廠商紛紛投入巨資開展該項(xiàng)研究工作。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開發(fā)出一些用于鈑金件成形過程分析的成形模擬商品軟件，應(yīng)用較廣的著名軟件有：

（1）美國(guó)Lawrence
      Livemore國(guó)家材料實(shí)驗(yàn)室Hallquist教授主持開發(fā)的LS-DYNA3D軟件。DYNA3D是它的早期版本。（2）法國(guó)ESI公司的PAM-STAMP軟件。（3）法國(guó)DYNAMIC
      SOFTWARE公司的OPTRIS軟件。它是在PAM-STAMP基礎(chǔ)上推出的。實(shí)際上后兩種軟件也都是在DYNA3D基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。他們都采用動(dòng)態(tài)顯式算法。美國(guó)Lawrence
      Livemore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了采用靜態(tài)隱式算法的LS-NIKE3D軟件。此外還有美國(guó)的DEFORM、MARC，德國(guó)的AFORM與INDEED，日本的ITAS3D等。
         
      據(jù)美國(guó)Cray公司從事板料成形研究的Wu博士97年夏來華講學(xué)介紹，幾年前人們對(duì)板料成形模擬技術(shù)還持懷疑態(tài)度。隨著這一技術(shù)不斷成熟與推廣應(yīng)用所帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益,
      現(xiàn)在已到了離不開它的地步。在美、歐、日，成形模擬已成為工業(yè)設(shè)計(jì)鈑金件必不可少的一環(huán)。美國(guó)福特汽車公司規(guī)定所有的汽車覆蓋件及其成形模具設(shè)計(jì)方案都必須經(jīng)過成形模擬驗(yàn)證通過以后方能投產(chǎn)加工。在東南亞、臺(tái)灣、韓國(guó)等一些中小企業(yè)也越來越得到廣泛的應(yīng)用。
         
      我國(guó)汽車模具工業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。僅像一汽、二汽等少數(shù)幾個(gè)廠家具有有限的自行設(shè)計(jì)制造模具能力。為滿足發(fā)展汽車工業(yè)對(duì)模具的需要，僅七五期間頭兩年就引進(jìn)了九個(gè)半車型模具，耗資2.05億美元。1994年共進(jìn)口模具7.65億美元。其中最多的是制造汽車和家電用的大型復(fù)雜沖壓模具。八五期間新上的汽車生產(chǎn)線都是依賴于花費(fèi)大量外匯進(jìn)口模具。
         
      為提高我國(guó)產(chǎn)汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，堅(jiān)持資產(chǎn)重組提高規(guī)模效益外，必須盡快提高自行設(shè)計(jì)開發(fā)能力，不斷開發(fā)適應(yīng)市場(chǎng)需要的新車型。我們必須從根本上改變依賴進(jìn)口模具的狀況，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)制造的國(guó)產(chǎn)化。就目前來看，對(duì)于汽車模具的CAD/CAM這一關(guān)鍵，雖通過引進(jìn)已基本掌握其中曲面造型與數(shù)控加工技術(shù)，但是模具設(shè)計(jì)卻步履維艱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。在世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家各大汽車公司以至中小企業(yè)已較普遍采用板料成形模擬技術(shù)的形勢(shì)下，我國(guó)幾乎仍采用憑經(jīng)驗(yàn)與試錯(cuò)方法設(shè)計(jì)制造模具。近幾年國(guó)內(nèi)一些高校相繼開展關(guān)于成形模擬技術(shù)的研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有北航熊火輪(1990)、華中理工大董湘懷(1991)與吳勇國(guó)(1995)、哈工大郭剛(1994)、吉林工大柳玉起(1995)與柳澤(1997)、湖南大學(xué)徐康聰(1995)、北京理工大馬幼鳴(1997)等攻讀該課題的博士論文，推進(jìn)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。但由于板料沖壓成形模擬需要用到大塑性變形的彈塑性有限元，課題綜合難度很大，大多仍處于起步階段。研究進(jìn)展與所在課題組堅(jiān)持不懈攻關(guān)和獲得經(jīng)費(fèi)支持及合作不無關(guān)系。吉林工大胡平教授的課題組取得吉林省和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，取得較大進(jìn)展。北航施法中教授與一汽沖壓專家黃迪民副總師的課題組合作承擔(dān)了國(guó)家863課題，取得國(guó)家863和一汽的大力支持，在短短兩年內(nèi)，也取得較大進(jìn)展。又柳澤博士在攻讀博士論文期間，取得一汽的支持，一頭扎到一汽，利用一汽的硬軟件條件，取得實(shí)際研究進(jìn)展。與此同時(shí)，國(guó)外的成形模擬商品軟件OPTRIS、PAM-STAMP等已開始進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)。但由于這類軟件遠(yuǎn)比CAD/CAM軟件難以掌握，而在國(guó)內(nèi)代理商又缺乏培訓(xùn)條件與售后服務(wù)，致使個(gè)別廠家購買了也用不了，只好閑置起來。只有技術(shù)實(shí)力雄厚的一汽與北航等高校合作，成功地開始了成形模擬技術(shù)的試驗(yàn)性應(yīng)用與實(shí)際試用。上海大眾汽車公司引進(jìn)德國(guó)的AFORM與INDEED軟件，也開始起步。不僅在汽車行業(yè)，而且在飛機(jī)、摩托車、
      機(jī)車車輛等其它行業(yè)的一些廠所與高校也相繼已經(jīng)或正在考慮引進(jìn)國(guó)外板料成形模擬軟件。

          2、我們的工作過展
         
      原北航703教研室在國(guó)內(nèi)較早開展CAD/CAM理論與實(shí)踐的研究。自從與一汽合作承擔(dān)863預(yù)研課題后，在一汽提供硬軟件的大力支持下，96年又引進(jìn)法國(guó)Dynamic Software 公司推出的OPTRIS虛擬沖壓軟件，由此開始了從覆蓋件的CAD造型到?jīng)_壓成形模擬的計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）的研究。
          我們同時(shí)開展了兩個(gè)方面的工作：引進(jìn)軟件的掌握應(yīng)用與自行研制開發(fā)。
         
      引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)軟件，將它用起來發(fā)揮實(shí)際效益是第一目的，其次作為學(xué)習(xí)借鑒。由于OPTRIS軟件在我國(guó)銷售剛剛起步，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)尚不具備培訓(xùn)條件，而代理商所能提供的售后服務(wù)極為有限。為了發(fā)揮硬軟件資源的潛力，我們只有依靠自己不斷地實(shí)踐摸索。對(duì)引進(jìn)的OPTRIS虛擬沖壓軟件,通過消化資料,理論探索,實(shí)際試用，我們逐步熟悉和掌握了軟件的功能,并積累了一些使用經(jīng)驗(yàn)，也了解到國(guó)外成形模擬軟件還存在的一些不足之處。我們首先做通了兩個(gè)實(shí)例,接著對(duì)一汽的CA488發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼、某冰箱隔板、飛虎車燈罩、機(jī)車車輛廠的貨車門板等進(jìn)行了驗(yàn)證性應(yīng)用和試用。實(shí)踐表明，模擬結(jié)果與實(shí)際是基本符合的，一般情況下能滿足工程要求。這逐漸消除了有關(guān)廠家對(duì)此抱有的懷疑態(tài)度，為開展實(shí)際試用打下了基礎(chǔ)。我們并受軟件代理商的委托，為客戶提供了培訓(xùn)服務(wù)。我們體會(huì)，掌握該軟件，要求用戶具有一定的CAD、網(wǎng)格劃分、彈塑性有限元、計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用、板料成形理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、沖壓成形模具設(shè)計(jì)等多學(xué)科綜合知識(shí)，否則將會(huì)遇到較多的障礙。怎樣讓這樣的軟件為更多實(shí)際工作人員，特別是沖模設(shè)計(jì)員所掌握，達(dá)到真正對(duì)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮實(shí)際效益？軟件代理商提供出國(guó)培訓(xùn)不僅增加用戶負(fù)擔(dān)，效果也受限制。靠我們自己互相帶動(dòng)不失為一條途徑。
         
      在吸取國(guó)內(nèi)外理論研究成果、理論攻關(guān)和學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外引進(jìn)軟件的基礎(chǔ)上，我們自行研制開發(fā)了包括前后置處理與彈塑性有限元分析程序的金屬板料成形模擬原型系統(tǒng)。系統(tǒng)在研制過程中遵守軟件工程規(guī)范，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。源代碼采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫。運(yùn)行硬軟件環(huán)境為SGI
      R4000
      工作站和IRIX操作系統(tǒng)。系統(tǒng)由前置處理模塊、有限元分析計(jì)算模塊與后置處理模塊三大模塊組成。每個(gè)大模塊又由多個(gè)功能模塊組成。數(shù)據(jù)在各大模塊間的交換既可采用本系統(tǒng)自定義的格式也可采用NASTRAN格式進(jìn)行。原型系統(tǒng)已具備如下主要功能：

          （1）對(duì)形狀簡(jiǎn)單的板料進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前置處理工作；
          （2）NASTRAN格式網(wǎng)格數(shù)據(jù)的輸入和通訊；
          （3）可以混合使用三邊形和四邊形單元；
          （4）可以使用各向同性與各向異性材料；
          （5）包括Prandtl-Reuss理論和胡平擬流動(dòng)理論的材料本構(gòu)關(guān)系；
          （6）三維邊界條件的施加和處理；
          （7）大變形彈塑性有限元的計(jì)算；
          （8）能模擬起皺、破裂成形缺陷；
          （9）顯示金屬板料的三維有限元網(wǎng)格變化圖；
          （10）對(duì)成形結(jié)果進(jìn)行光照處理并給出動(dòng)態(tài)顯示；
          （11）給出成形過程中各階段的應(yīng)力應(yīng)變分量以及等效應(yīng)力應(yīng)變的彩色云圖顯示；
          （12）可對(duì)成形結(jié)果顯示進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等幾何變換；
          （13）生成成形極限圖；
          （14）重起動(dòng)功能。
         
      第二項(xiàng)功能提供的接口，使得該系統(tǒng)能接受采用不同的CAD軟件系統(tǒng)進(jìn)行幾何造型和網(wǎng)格劃分所給出的NASTRAN格式輸出的數(shù)據(jù)。我們實(shí)際就采用了Euclid3軟件進(jìn)行了幾何造型和網(wǎng)格劃分,然后用NASTRAN格式輸出。通過該接口輸入本系統(tǒng)。用該原型系統(tǒng)我們先進(jìn)行了方板對(duì)角拉伸、圓形板料在半球形沖頭下脹形的模擬。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好地符合。接著進(jìn)行了杯形件、盒形件等典型件的沖壓成形過程模擬，模擬結(jié)果與同類國(guó)外軟件、資料基本相符。又模擬了NUMISHEET’96標(biāo)準(zhǔn)考題S形軌道件，模擬結(jié)果與資料基本一致。最后用原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一汽捷達(dá)轎車前門外板的成形過程模擬。這些表明該原型系統(tǒng)已基本能夠模擬類似車門的中等復(fù)雜程度汽車覆蓋件和其它沖壓成形件的沖壓成形過程。但從總體上來說，我們還只是做了有限的工作。不僅系統(tǒng)功能有待進(jìn)一步擴(kuò)充完善，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，更有大量的工作要做。
      上述工作詳見演示。
          3、我國(guó)采用板料成形模擬技術(shù)的途徑
          如上指出，引進(jìn)國(guó)外成形模擬商品軟件存在缺乏培訓(xùn)與售后服務(wù)外，還存在要價(jià)高昂的問題。據(jù)了解一套軟件要價(jià)都在10
      -20萬美元。花了這么多外匯買了，還往往用不起來。對(duì)一般用戶來說，引進(jìn)的國(guó)外成形模擬軟件資料難以掌握。軟件在某些方面并不適合我國(guó)國(guó)情。中國(guó)這樣的泱泱大國(guó)，少量引進(jìn)國(guó)外軟件是必要的，但不能依賴引進(jìn)，受制于人。
      國(guó)內(nèi)有識(shí)之士中國(guó)科協(xié)主席周光召最近指出，光靠引進(jìn)與模仿沒有出路，要培養(yǎng)人才群體的創(chuàng)新能力。國(guó)內(nèi)企業(yè)呼喚、期盼具有自主版權(quán)的國(guó)產(chǎn)成形模擬軟件早日推出。這些都激勵(lì)我們?cè)趯W(xué)習(xí)借鑒引進(jìn)軟件基礎(chǔ)上自行開發(fā)我國(guó)自己的成形模擬軟件。經(jīng)過近三年的研究積累，我們自信有能力開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的軟件。在吸收國(guó)內(nèi)外理論成果和先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，走我國(guó)自己的創(chuàng)新之路，滾動(dòng)開發(fā)，我們完全能夠推陳出新，不斷提高我國(guó)產(chǎn)軟件的水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。關(guān)鍵在于組織和必要的投入。我們應(yīng)該集中優(yōu)勢(shì)的人力、資金與設(shè)備，組織具有優(yōu)勢(shì)的高校、大型企業(yè)與科研單位聯(lián)合攻關(guān)。時(shí)不待人，我們不能象CAD/CAM那樣，到國(guó)外軟件已搶占了我國(guó)市場(chǎng)再引起重視，那就很被動(dòng)。要特別抓緊時(shí)間，盡快研制開發(fā)出國(guó)產(chǎn)成形模擬軟件。以滿足我國(guó)汽車和其它行業(yè)鈑金件沖壓成形模具國(guó)產(chǎn)化和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的迫切需要。
          對(duì)該技術(shù)有大量需求又急需的國(guó)內(nèi)大型企業(yè)不妨少量引進(jìn)成形模擬軟件，要盡量發(fā)揮引進(jìn)資源的潛力，使之真正見到實(shí)效。
          中小企業(yè)一般地不必走引進(jìn)國(guó)外模擬軟件之路，以節(jié)省硬軟件投入。可與國(guó)內(nèi)用得好的單位合作，讓其提供技術(shù)服務(wù)。待國(guó)產(chǎn)軟件推出后，可考慮購進(jìn)。