在設計、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

0、引言

鈑金件即由金屬板料制成的零件，在飛機中約占零件總數的1/2, 在卡車中超過總重量的1/2,在轎車中達3/4，在其它行業也有較多的應用。鈑金件的生產與應用，特別是汽車工業的發展,是一個國家工業化程度的標志。自改革開放以來，我國汽車工業已發生了巨大變化，汽車年產量從1978年的15萬輛躍增到1997年的157萬輛。汽車工業已成為我國國民經濟的支柱產業。但是與世界工業發達國家相比,我國全國一年的產量還不及一個國外大汽車公司的年產量。隨著我國經濟的發展和人民生活的提高,汽車將有一個很大的需求市場。國外多家汽車廠商已瞄準了我國這一市場。一俟我國加入世界貿易組織（WTO）,我國的國內市場將成為國際市場的一部分。屆時關稅降低,國內汽車市場將面臨進口車涌入的沖擊。即使我們能獲得有限的保護期，這一天也會很快到來。據5月27日《信息時報》報道，我國轎車工業在未來兩三年內很可能再次下調20%，降至60-80%,以適應總體關稅水平到2000年降到15%的要求。這表明今后我國汽車工業指望得到關稅保護的力度將會越來越小。

世界工業發達國家汽車廠商為占有市場,幾乎每年都有款式新穎、質量優良、性能先進、裝飾舒適的新車型面市。除規模效益外，競爭取勝，要靠先進的科學技術，大力縮短改型換代的周期。

汽車鈑金件的生產主要依靠模具來完成。在車型設計 模具設計、制造與調試投產的整個周期中，模具設計制造與調試約占2/3的時間，成為制約汽車改型換代的主要因素。這是因為板料沖壓成形過程是一個非常復雜的塑性成形過程，許多因素都直接或間接地影響著成形的結果。經典的板料成形理論只能對如彎曲件、杯形件等簡單鈑金件的成形過程進行分析。對于如汽車覆蓋件那樣形狀復雜的鈑金件就顯得無能無力。這使得汽車模具的設計迄今仍主要憑借設計員的經驗和類比進行。由于缺乏較準確可靠的定量分析與計算，致使設計制造出來的模具必須經過反復試壓修改，有時甚至修改原產品的設計，報廢重制模具后，才能沖出合格制件。這一過程導致了人、財、物、時間的巨大浪費。為改變這種傳統的經驗與試錯方法不適應汽車工業發展的狀況，人們設想在模具投入制造前，能否在計算機上模擬沖壓成形過程，即在虛擬環境下對所設計的模具進行分析。如果可行，再投入制造。如果不行，再修改模具設計，甚至修改原產品的設計重新設計模具，重進行模擬分析，直至可行再投入模具制造。這樣可以避免用實際制造出來的模具進行調試所帶來的巨大浪費。這項工作又稱為板料成形的計算機輔助工程分析(CAE)。

1、板料成形模擬技術的國內外發展現狀

在汽車工業發展需要的牽動下，國外汽車廠商紛紛投入巨資開展該項研究工作。隨著有限元技術的發展及計算機技術的不斷進步，世界工業發達國家相繼開發出一些用于鈑金件成形過程分析的成形模擬商品軟件，應用較廣的著名軟件有：
（1）美國Lawrence livemore國家材料實驗室Hallquist教授主持開發的LS-DYNA3D軟件。DYNA3D是它的早期版本。
（2）法國ESI公司的PAM-STAMP軟件。
（3）法國DYNAMIC SOFTWARE公司的OPTRIS軟件。它是在PAM-STAMP基礎上推出的。實際上后兩種軟件也都是在DYNA3D基礎上發展起來的。他們都采用動態顯式算法。美國Lawrence Livemore國家實驗室還開發了采用靜態隱式算法的LS-NIKE3D軟件。此外還有美國的 DEFORM、MARC，德國的AFORM與INDEED，日本的ITAS3D等。

據美國Cray公司從事板料成形研究的Wu博士97年夏來華講學介紹，幾年前人們對板料成形模擬技術還持懷疑態度。隨著這一技術不斷成熟與推廣應用所帶來的巨大經濟效益, 現在已到了離不開它的地步。在美、歐、日，成形模擬已成為工業設計鈑金件必不可少的一環。美國福特汽車公司規定所有的汽車覆蓋件及其成形模具設計方案都必須經過成形模擬驗證通過以后方能投產加工。在東南亞、臺灣、韓國等一些中小企業也越來越得到廣泛的應用。

我國汽車模具工業遠遠落后于世界工業發達國家。僅像一汽、二汽等少數幾個廠家具有有限的自行設計制造模具能力。為滿足發展汽車工業對模具的需要，僅七五期間頭兩年就引進了九個半車型模具，耗資2.05億美元。1994年共進口模具7.65億美元。其中最多的是制造汽車和家電用的大型復雜沖壓模具。八五期間新上的汽車生產線都是依賴于花費大量外匯進口模具。

為提高我國產汽車的市場競爭力，堅持資產重組提高規模效益外，必須盡快提高自行設計開發能力，不斷開發適應市場需要的新車型。我們必須從根本上改變依賴進口模具的狀況，實現模具設計制造的國產化。就目前來看，對于汽車模具的CAD/CAM這一關鍵，雖通過引進已基本掌握其中曲面造型與數控加工技術，但是模具設計卻步履維艱，遠遠不能適應生產發展的需要。在世界工業發達國家各大汽車公司以至中小企業已較普遍采用板料成形模擬技術的形勢下，我國幾乎仍采用憑經驗與試錯方法設計制造模具。近幾年國內一些高校相繼開展關于成形模擬技術的研究。據不完全統計，有北航熊火輪(1990)、華中理工大董湘懷(1991)與吳勇國(1995)、哈工大郭剛(1994)、吉林工大柳玉起(1995)與柳澤(1997)、湖南大學徐康聰(1995)、北京理工大馬幼鳴(1997)等攻讀該課題的博士論文，推進了國內在該領域的研究進展。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。研究進展與所在課題組堅持不懈攻關和獲得經費支持及合作不無關系。吉林工大胡平教授的課題組取得吉林省和國家自然科學基金的支持，取得較大進展。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了國家863課題，取得國家863和一汽的大力支持，在短短兩年內，也取得較大進展。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，取得實際研究進展。與此同時，國外的成形模擬商品軟件OPTRIS、PAM-STAMP等已開始進入我國市場。但由于這類軟件遠比CAD/CAM軟件難以掌握，而在國內代理商又缺乏培訓條件與售后服務，致使個別廠家購買了也用不了，只好閑置起來。只有技術實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的試驗性應用與實際試用。上海大眾汽車公司引進德國的AFORM與INDEED軟件，也開始起步。不僅在汽車行業，而且在飛機、摩托車、機車車輛等其它行業的一些廠所與高校也相繼已經或正在考慮引進國外板料成形模擬軟件。