由于汽車覆蓋件的CAD/CAM技術(shù)相對成熟，并且不是影響沖壓成形工藝的最關鍵因素吻育，故下面重點介紹沖壓成形的CAE技術(shù)及其與CAD/CAM技術(shù)一體化問題念秧。

　　1. 沖壓成形CAE前處理系統(tǒng)

　　沖壓成形過程計算機仿真人工干預最多的應數(shù)其前處理過程。目前大多數(shù)沖壓成形的仿真都采用通用的有限元分析前處理軟件布疼。這些前處理軟件雖然功能很但由于 沒有考慮薄板沖壓成形的特點摊趾，使用起來不方便，對不熟悉有限元方法的模具設計師更是如此游两。最近美國ETA推出了eta/DYNAFORM砾层，在一定程度上考慮了薄板沖壓成形的特點。但eta/DYNAFORM是以LS-DYNABD為直接服務對象的贱案，薄板沖壓成形的特點利用得并不充分肛炮。湖南大學汽車技術(shù)實驗室最近設計的沖壓成形仿真前處理軟件系統(tǒng)最大限度地考慮了汽車覆蓋件沖壓成形的特點，而且是專門為該實驗室自己開發(fā)的沖壓成形專用軟件配套的宝踪，軟件界面充分考慮模具設計師的通用術(shù)語和概念侨糟，還具備一定的模具與工藝設計數(shù)據(jù)庫。盡管這一系統(tǒng)有待進一步完善瘩燥，但已顯示出極強的實用性和竿先進性秕重。

　　汽車覆蓋件沖壓成形CAE前處理系統(tǒng)一般來說至少具備如下功能。

　　1）精確地描述模具的幾何形狀 根據(jù)不同仿真軟件的要求明因，模具表面可用解析法表示脏貌，也可用有限單元的集合來表示。當用后者時扭皿，有限單元網(wǎng)格所代表的幾何形狀必須與所設計的模具表面形狀足夠接近，這個近似精度應當是任意可調(diào)的焦莉。

　　2）對作一形狀板料形成任意的網(wǎng)格 網(wǎng)格單元一般為三節(jié)點三角形單元或四節(jié)點四邊形單元澄锉。應具有產(chǎn)生任意疏密網(wǎng)格的功能，且疏網(wǎng)格區(qū)與密網(wǎng)格區(qū)應能自動過渡份帮。網(wǎng)格質(zhì)量應能自動檢測與控制驮屑。

　　3）模具與板料接觸摩擦界面的自動定義和任意的特性參數(shù)選擇。

　　4）沖頭任意運動特性的自動定義手财。

　　5）壓邊圈上壓延筋和壓邊力的自動定義论稠。

　　6）板料特性參數(shù)的自動定義徊极。

　　7）對模型進行任意修改的功能。

　　8）對模型所包含的全部信息進行圖形顯示的功能经融。

　　9）友好的用戶界面與幫助功能狡秋。

　　2. 沖壓成形CAE軟件系統(tǒng)

　　沖壓成形仿真軟件涉及如下幾方面的關鍵技術(shù)。

　〕凇（1）模具的幾何與力學模型 模具的剛度比板料的大得多胜嗓，所以一般情況下可作剛體來處理。但涉及模具的摩擦磨損時钩乍，模具也應作為彈塑性體來考慮辞州。模具的幾何形狀可用有限元網(wǎng)格來描述，也可用解析面/CAD曲面來描述寥粹。后者的幾何精度高但要求特別的接觸界面處理算法变过。沖頭的運動通常以給定的位移歷程或速度歷和來描述。壓邊圈通常只允許在沖壓方向運動涝涤，而定模的自由度則完全被約束牵啦。

　　（2）板料變形模式與殼體單元 目前妄痪，幾乎所有的覆蓋件沖壓成形仿真軟件都假設板料各處的變形模式符合某種殼體理論哈雏，也就是忽略板料厚向應力在成形過程中的影響。然而這個假設常常是不成立的衫生。壓筋部分或相對彎曲半徑較小的區(qū)域的應力更接近三維狀態(tài)裳瘪。這種局部三維應力狀態(tài)對成形過程仿真結(jié)果的影響影響已開始引起研究人員的重視。殼體單元以低階的雙線性單元(包括三角形和四邊形單元)最為常用诵执。這不僅是因為低階單元便于計算和接觸界面的處理熟央，也因為它們最適合于仿真算法。

　⊥偾簟（3）板料本構(gòu)模型 汽車覆蓋件沖壓成形所用板材由于軋制過程中的加工硬化等現(xiàn)象而具有明顯的正交各向異性冗宠。因此在構(gòu)造板材的準則和流動準則時，考慮這種各向異性重要君哮。同時應當注意的是抄蔬，沖壓成形過程本身會使板料的各向異性發(fā)生改變。目前用得最多的應數(shù)Barlat模型和Hill模型以及它們的變體焊槐。對于薄板沖壓成形過程的仿真來說音共，本構(gòu)模型中的計算問題也很關鍵。塑性變形區(qū)的應力狀態(tài)不僅要滿足屈服準則斗液。還要滿足板殼理論中厚向應力為零的假設宗恩，這就為板料塑性變形的計算增加了難度。研究表明平面應力狀態(tài)下的回映算法具有精度高與計算工作量小的綜合優(yōu)點彰晌。

　×煲獭（4）接觸摩擦理論與算法 汽車覆蓋件的沖壓成形完全靠作用于板料的接觸力和摩擦力來完成达吞。因此接觸力和摩擦力的計算精度直接影響板料變形的計算精度、接觸力和摩擦力的計算首先要求計算出任意給定時刻的實際接觸面荒典，這就是所謂的接觸搜尋問題酪劫。在有限元方法中，計算接觸面實際上就是找出所有處于接觸狀態(tài)的有限元節(jié)點种蝶。盡管接觸搜尋本質(zhì)上是一個幾何計算的過程契耿，但它有十分重要的力學意義。

　　接觸力的計算有兩種基本方法即罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法螃征。罰函數(shù)法是一種近似方法搪桂，它允許相互接觸的邊界產(chǎn)生穿透并通過罰因子將接觸力大小與邊界穿透量大小聯(lián)系起來。這種方法比較簡單盯滚，也適合于顯式算法踢械，但它在顯式算法中影響臨界時間步長，而在隱式算法中則影響系數(shù)矩陣在計算機中的可逆性魄藕。罰因子的好壞還影響計算結(jié)果的可靠性内列。拉格朗日乘子法不允許接觸邊界的相互穿透，是一種精確的接觸力算法背率，但它與顯式算法不相容话瞧，要求特殊的數(shù)值處理。防御節(jié)點法就是這樣一種處理方法蛇筷。

　　摩擦力的計算首先要求選定一個適合于兩接觸界面摩擦特性的摩擦定律鹅媒。目前用得最廣的還是傳統(tǒng)的庫侖摩擦定律。但該定律有純粘附狀態(tài)的假設慧菜，使顯式算法產(chǎn)生困難矛郁。要克服這個困難要么用罰函數(shù)法要么用防御節(jié)點法計算純粘附狀態(tài)下的摩擦力。在隱式算法中祖匕，摩擦滑移狀態(tài)將導致非對稱系數(shù)矩陣蒜座。從而增加求解困難。近些年來汪怒，一些學者在充分改實驗觀察基礎上提出了所謂的非線性摩擦定律從而去掉了傳統(tǒng)摩擦定律中純粘附狀態(tài)的假設叽渡，為顯式算法提供了方便。但非線性摩擦定律所用到的表面剛性系數(shù)需依據(jù)兩接觸表面的物理與化學特性精心選定剥跃，并且目前還沒有足額的實驗數(shù)據(jù)作參考绪痘。更通用的摩控定律則借助彈塑性理論，定義一個類似屈服面的摩擦準則和一個類似流動準則助摩擦滑移準則笙寻，并可考慮摩擦表面的各向異性等。

　÷钐（5）網(wǎng)格細分與網(wǎng)格自適應技術(shù) 一個大型覆蓋件的沖壓成形過程的仿真通常涉及上萬個有限單元吹零。為了在沖壓成形的不同階段合理地布局網(wǎng)格的密度罩抗，板料的網(wǎng)格細分或網(wǎng)格自適應技術(shù)是十分必要的。網(wǎng)格細分指以某一參考網(wǎng)格為基礎將經(jīng)受過高應變或應力梯度的單元分成若干個小單元灿椅，而其他單元保持不變套蒂。而網(wǎng)格自適應則是指網(wǎng)格隨板料的變形不斷地重新劃分，以保證高應變梯度區(qū)有較密的網(wǎng)格而低應變梯度區(qū)有較稀的網(wǎng)格茫蛹。網(wǎng)格細分和網(wǎng)格自適應技術(shù)中的一個關鍵是新老有限單元間各物理量如積分點上的應為應變等的相互換算問題操刀。這個換算關系處理不好就可能給仿真結(jié)果帶來誤差，甚至使整個仿真結(jié)果失效婴洼。

　」强印（6）隱式算法與顯式算式 將沖壓成形過程的計算作為動態(tài)問題來處理時就涉及到時間域的數(shù)值積分方法問題。在80年代中期以前柬采，人們基本上使用牛曼法進行時間域的積分根據(jù)牛曼法欢唾，位移、速度和加速度有著如下的關系：

　　ui+1=ui+Δtυi[(1-2β)αi+2βαi+1] （1）

　　ui+1=ui+Δt[(1-γ)αi+γαi+1] （2）

　　式中粉捻，ui+1和ui分別為當前時刻和前一時刻的位移缅含，ui+1和ui為當前時刻和前一時刻的速度，ui+1和ui為當前時刻和前一時刻的加速度杖荤，β和γ為兩個待定的算法參數(shù)脓擅。由式（1）和式（2）可知，在牛曼法中任一時刻的位移窥吮、速度和加速度都相互關聯(lián)嚣僚，這就使得運動方程的求解變成一系列相互關聯(lián)的非線性方程的求解。這個求解過程必須通過迭代和求解聯(lián)立方程組才能實現(xiàn)扇收，這就是通常所說的隱式求解法好侈。隱式求解法可能遇到兩個問題。其一是迭代過程不一定收斂役倾，其二是聯(lián)立方程組可能出現(xiàn)病態(tài)而無確定的解瞻聪。隱式求解法的最大優(yōu)點是通過設定合適的β和γ值它具有無條件穩(wěn)定性即時間步長可以任意大。

　　由于隱式算法的收斂性問題刃撮，80年代中期后人們越來越多地采用中心差分法進行沖壓成形過程仿真的時域積分椎崎。在中心差分法中，位移畸裳、速度和加速度的關系如下：

　　ui+1=2ui-ui-1+αi(Δt)2 （3）

　　ui-1=ui+1-ui-1/(2Δt) （4）

　　由式（1）可以看出當前時刻的位移只與前一時刻的加速度和位移有關缰犁。這意味著當前時刻的位移求解無需迭代過程。另外怖糊，只要將運動方程中的質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣對角化帅容，前一時刻的加速度求解無需解聯(lián)立方程組，從而使問題大大簡化伍伤，這就是所謂的顯式求解法并徘。顯式求解法的優(yōu)點是它既沒有收斂性問題遣钳，也不需求解聯(lián)立方程組，其缺點是時間步長受到數(shù)值穩(wěn)精定性的限制麦乞，不能超過系統(tǒng)的臨界時間步長蕴茴。由于沖壓成形過程具有很強的非線性，從解的精度考慮時間步長也不能太大姐直，這就在很大程度上彌補了顯式求解法的缺陷倦淀。

　　顯式算法接明顯的不足體現(xiàn)在回彈的計算中。為準確地計算出沖壓件的回彈量声畏，沖壓成形過程的計算必須等工件的動態(tài)響應足夠小時才能終止撞叽，這個響應時間通常為幾百毫秒甚至達1秒以上，單純用顯式算法來求解這樣一個長過程的響應包含巨大的計算工作量尚羽。而另一方面卸載后工件動態(tài)響應中的非線性成分明顯減弱呛米，這些因素綜合起來就為隱式等法在卸載過程計算中的成功應用提供了條件，用顯式算法求解沖壓成形的加載過程而用隱式算法求解其卸載過程是近幾年人們通過反復實踐摸索出的一條綜合利用這兩種算法的有效途徑拌驻。

　　3. 沖壓成形CAE后處理系統(tǒng)

　　沖壓成形CAE技術(shù)的成功應用離不開一個好的后處理系統(tǒng)洒已。文字、圖形和曲線是后處理系統(tǒng)不可缺少的表達方式牲晤。方便地顯示各材物理量如應力受贫、應變、位移碍逐、工件厚度分布等是后處理系統(tǒng)的基本功能浴蝉。顯示方式不僅應包括云圖，等值線薪丐，還應包括時間歷程曲線和局部量的數(shù)值輸出等冗腐。后處理系統(tǒng)除了能直接顯示CAE軟件系統(tǒng)的直接結(jié)果外，還必須能對這些結(jié)果進行有工程意義的運算與綜合脱睛，從而得出并直觀地顯示其他工程數(shù)據(jù)如等效應力蚊患，最大應力等，從成形工藝分析角度看护盈，如下幾方面的結(jié)果計算與顯示尤為重要挟纱。①成形力的計算，②回彈力的計算腐宋，③起皺的顯式紊服，④可能斷裂區(qū)的顯示，⑤不同單元所處應變狀態(tài)在成形極限網(wǎng)上的位置胸竞。

　　4. 面向工程師助工藝分析軟件系統(tǒng)

　　沖壓成形CAE系統(tǒng)的有效使用通常需要很強的有限元方法背景知識欺嗤，同時目前大多數(shù)沖壓成形CAE的前后處理系統(tǒng)都是通用軟件，因而專門化程度較低，不利于模具工程師剂府，尤其是對非線性有限元方法不熟悉的工程師使用僵缺。為了克服這一缺點籍纸，國內(nèi)外還在開發(fā)一種面向工程師的沖壓工藝分析軟件系統(tǒng)闪妓。這種系統(tǒng)以沖壓成形CAE軟件系統(tǒng)及其前光羞、后處理系統(tǒng)為基礎嚣惭，配備有專門的沖壓工藝技術(shù)數(shù)據(jù)庫和良好的用戶界面外卷。這種系統(tǒng)以模具的術(shù)語瞧剖、表達方式和思維方式與模具工程進行對話凳渗，操作簡單椰严，結(jié)果直觀善王。它可幫助模具工程師來確定毛坯形狀與尺寸，壓延筋的布局荡偶，模具與沖壓件間的潤滑方案带蔬，工藝輔料與工藝孔的布置，壓邊力的大小烧乙，模具結(jié)構(gòu)尺寸如圓角半徑的調(diào)整等拐扛。當然，每一次工藝方案和工藝參數(shù)的調(diào)整都涉及一次完整的沖壓成形仿真辱窘。這意味著每次工藝方案和參數(shù)調(diào)整后楷焦，模具工程師必須等待一段時間，讓計算機“思考”所作的調(diào)整是否合適膝班。這個計算機的“思考”時間實際上就是進行仿真所需的時間头位，與計算機的速度和所涉及的仿真模型的大小有關，可能是幾分鐘也可能是幾小時庇晤，甚至幾十小時虱硝。

　　5．標準化實驗裝置與反算技術(shù)

　　沖壓成形的仿真結(jié)果是以輸入到仿真系統(tǒng)的原始參數(shù)為基礎的，其中包括材料的本構(gòu)特性參數(shù)厕氨，板料與模具間的摩擦特性參數(shù)等进每。這些參數(shù)的正確性自然直接影響仿真結(jié)果的有效性。隨著仿真技術(shù)的日益成熟腐巢，仿真用原始數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)與裝置越來越多地得到人們關注品追。這種技術(shù)的核心是設計一系列標準化實驗方案使板料產(chǎn)生類似于沖壓成形中的變形和受力狀態(tài)，然后測量一些便于精確測量的宏觀量如位移和力冯丙，再采用有限元方法反算出某一假定的未知微觀量如硬化模量肉瓦。這種實驗技術(shù)之所以重要，至少有兩個方面的原因胃惜。首先泞莉，大量的材料數(shù)據(jù)都是若干年前用相對落后的手段獲得的。而且現(xiàn)在材料成分和特性波動較大。單靠從設計手冊上獲取原始數(shù)據(jù)是不夠的鲫趁，而材料生產(chǎn)廠家所能提供的數(shù)據(jù)在數(shù)量上和精度上都是有限的斯嚎。其次是通過反算獲得的數(shù)據(jù)與仿真算法具有更好的匹配性。

　　除了仿真用原始參數(shù)獲取實驗裝置外挨厚，仿真軟件的實驗驗證技術(shù)也很重要返雷。仿真結(jié)果的可靠性在原理和方法完全正確的前提下還受一系列人為因素的影響，如編程的可靠性弓席，模型建立的合理性阎员，參數(shù)輸入的正確性等。因此在使用一個仿真軟件之前转是，尤其是開發(fā)仿真軟件時有必要采取一系列精心設計的實驗措施來切實保證各個環(huán)節(jié)的正確性伐藕。只有當仿真軟件及使用軟件的各個環(huán)節(jié)都經(jīng)實踐檢驗為可靠后，才有理由相信仿真結(jié)果的可靠性粤段。

　　6. 與CAD/CAM系統(tǒng)的接口與一體化技術(shù)

　　由于模具的CAD/CAM技術(shù)已相當普及肝芯，沖壓成形CAE系統(tǒng)與CAD/CAM系統(tǒng)的集成已是大勢所趨。這里的關鍵問題是CAE系統(tǒng)如何從CAD/CAM系統(tǒng)中獲取模具的幾何形狀和尺寸以及CAE系統(tǒng)如何將根據(jù)仿真結(jié)果所得的模具設計修改方案反饋給CAD/GAM系統(tǒng)幢剂。目前用得最多的圖形數(shù)據(jù)傳送方式是采用IGES或VDA格式文件智贰。大部分工業(yè)CAD/CAM系統(tǒng)都提供這類輸出文件，CAE系統(tǒng)只需按IGES或VDA規(guī)定格式提取和解釋圖形信息即可仆加。應當指出的是练缴，當前一些商業(yè)CAD/CAM軟件中提供的IGES或VDA圖形文件并不規(guī)范，這就為這些圖形文件的正確解釋帶來一定的困難唁奢。

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