面向冲压全工序与设计全流程的板料成形模拟系统.pdf

华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 计算机辅助工程（CAE）技术是现代先进制造技术的重要组成部分，也是企业提升产品、工艺、模具设计水平，摆脱传统经验型设计的关键随着有限元数值方法、冲压成形理论研究的不断深入以及计算机技术的迅速发展，板料成形模拟技术逐渐成熟并摆脱了早期只能应用于单工序拉延模拟的局面，可以完成从重力效应到回弹在内的全工序虚拟试模，以适应不断发展的制造工业的需要与此同时，由于具备了传统 CAE 系统不具备的无缝集成与数据无损的优势，CAD/CAE 一体化集成系统不断完善，实现“CAE 驱动设计”已成为近年来 CAD/CAE 系统发展的重要方向 论文结合国家自然科学基金资助项目（No.50575080） 、国家科技支撑计划资助项目（No. 2006BAF01A43）和国家 863 计划基金(No. 2006AA04Z140)，对板料成形模拟的核心求解器、前后处理关键技术、CAD/CAE 集成技术等进行了深入研究，并在此基础上开发了国内首个板料成形全工序模拟系统 FASTAMP/Multi-process 和国际首个面向设计全流程的 CAD/CAE 集成系统 FASTAMP-NX。

针对传统动力显式算法中拉深筋阻力、摩擦力等工艺参数数值模型无法反映约束阻力真实作用效果的问题，提出了基于真实工艺参数的动力显式算法，可以更加精确地反映实际成形过程中工艺参数所引起的约束阻力的作用效果首次将网格自适应加减密技术引入到动力显式算法，开发了达到工业实用化水平的动力显式算法核心求解器 对板料成形模拟系统的一些关键技术，如数据文件接口、曲面描述、网格剖分算法等，进行了深入研究加强了 FASTAMP 系统数据文件接口的兼容性和稳定性；提出了新的独立裁剪曲面工具网格剖分和修复算法，开发了相应的工具网格剖分器，避免了网格质量问题所引起的网格修复工作，大大减少了有限元分析模型准备的工作量；提出并实现了新的裁剪坯料网格生成算法，与传统的有限元网格剖分算法相比，网格质量生成质量有了很大的提高，有助于改进求解器的计算精度 在对板料成形模拟关键技术研究的基础上，研究开发了国内首个面向汽车覆盖件和级进模的板料成形全工序模拟系统 FASTAMP/Multi-process，实现了包括重力效应、压边过程、拉深（拉延） 、弯曲、成形、工艺切口、冲裁、修边、翻边、折边、华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 II 回弹在内的全工序模拟功能。

基于 UGS NX 平台开发了国际首个面向设计全流程的全参数化 CAD/CAE 集成系统 FASTAMP-NX系统包含了面向设计的 IAW（Inverse Approach Wizard）和面向虚拟试模的 FAW（Forming Analysis Wizard）子系统，实现了全参数化的―建模-分析-制造‖流程，克服了传统 CAE 软件无法实现实时―设计-修改-再分析‖的局限，可以应用于产品设计、工艺设计、模具设计、虚拟试模的全流程 关键词关键词：：板料成形模拟；动力显式算法；真实工艺参数；自适应加减密； 数据文件接口；网格剖分；全工序；CAD/CAE 集成； 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 III Abstract Computer Aided Engineering is an important part of advanced manufacture technology, and is the key to improving the ability of product design, process planning, and die design and for enterprises changing the traditional design style depending on experience for enterprise. With the development of computer technology, in-depth study of finite element numerical method and stamping deformation theory, the technology of sheet forming analysis has been gradually matured and could be applied in the complete stamping process from gravity effect to springback evaluation to meet the requirements of manufacturing industry. At the same time, CAD/CAE integrated systems have been developed, which have the advantages of seamless integration and no data loss over the traditional CAE systems. The development of CAD/CAE integration technique greatly expands the application scope of CAE technology, and gradually approaches the aim of CAE-driven design process. The work of this paper was supported by a grant from National Natural Science Foundation of China (No.50575080), National Key Technology R dynamic explicit algorithm; realistic process parameter; adaptive refining and coarsening; CAD data file interface; mesh generation; complete stamping process; CAD/CAE integration; 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□，在_____年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打―√‖） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪论绪论 1.1 选题目的和意义选题目的和意义 模具是制造业的重要基础装备，在发达国家被誉为―无与伦比的效益放大器‖和―富裕社会的原动力‖[1]。

模具技术水平的高低与产品质量、效益和新产品的开发能力有着密切的关系， 是衡量一个国家工业水平高低的标志之一 我国的模具工业自 1998年国务院颁布 《当代产业政策要点的决定》 以来得到了快速发展， 连续十年实现 20%以上高增长，到 2007 年销售额达到八百七十亿人民币，仅次于日本和美国，居世界第三位[2]其中冲压模具占据了最大比例，大约占总产值的 40%以上[3]，汽车车身与五金家电等领域则是冲压模具最大的市场经过近十年的高速发展，我国的模具工业无论是在行业规模还是技术水平方面都有了很大的提高，我国毫无疑问已经成为模具大国[4]但是与我国制造业的普遍现状类似，模具工业的设计制造水平距离世界先进水平仍有相当大的差距，不仅比美、日、德、法、意等工业发达国家落后许多，也要比加拿大、英国、西班牙、葡萄牙、韩国、新加坡等国落后特别是在以汽车车身覆盖件为代表的大中型模具、以多工位级进模与精冲模为代表的精密冲压模具领域，虽然已有个别企业的产品达到世界领先水平，但总体上仍需要大量进口，自给率只有一半左右[5,6,7] 计算机辅助工程(CAE)技术是数字化虚拟制造的重要组成部分， 通过对冲压成形过程进行模拟，可以在物理试模之前分析实际冲压件的成形性，及早发现问题，改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低模具制造成本[8,9]。

随着对有限元数值方法、冲压成形理论研究的不断深入以及计算机技术的迅速发展，板料成形模拟技术已经逐渐成熟并完全达到了工业实用化水平，国际上也出现了很多成熟的商品化软件如 AUTOFORM、DYNAFORM、PAM-STAMP 等目前，板料成形模拟技术已经摆脱了早期只能应用于单工序拉延模拟的层面，实现了包括重力效应、压边过程、拉深（拉延） 、弯曲、成形、工艺切口、冲裁、修边、翻边、折边、回弹在内的全工序模拟功能，以适应不断发展的实际工业需要此外，CAD/CAE 一体化集成系统也逐渐兴起，由于具备了传统 CAE 系统不具备的无缝集成和数据无损的优势，降低了 CAE 技术的应用门槛，并初步实现了“驱动设计”的目标，因此成为近年来CAD/CAE 系统的发展方向，国际上传统的 CAD/CAE 软件提供商如达索、SIMENS 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 2 UGS、AUTOFORM、ETA、ESI 等也纷纷推出了相应的集成系统 对于已经掌握 CAD/CAM 技术的企业而言，CAE 技术是进一步提升工艺及模具设计水平，摆脱传统经验型设计的关键。

目前，在发达国家的模具企业中，CAE 已经成为必需的流程，并成为衔接 CAD、CAM 技术的重要桥梁Chrysler、 General Motors、Ford、Toyota、Volvo 等著名汽车公司都有专职研究人员从事板材成形 CAE的研究工作有的公司还在这方面开发出了自己的分析软件，如 Ford 的 MTLFRM, Chrysler 的 CFORM 等[10-14]与 CAD/CAM 技术的广泛应用和推广相比，CAE 技术在国内模具行业仍处于起步阶段[15]近年来国内不少企业陆续引入了 CAE 技术，但由于缺乏相关的人才和技术储备，并没有得到真正的推广使用，而仅在国际合作或竞标时作为展示的技术手段另一方面，目前比较成熟的商品化冲压成形 CAE 软件基本上都是国外产品，如美国的 DYNAFORM、德国的 AUTOFORM、法国的PAM-STAMP、加拿大的 FASTFORM、日本的 JSTAMP 等[16-20]这些软件普遍存在售价高昂，动辄数十万乃至上百万，使用要求高，技术支持力度差等问题，给国内模具企业设置了很高的门槛 为了打破国外软件的垄断，在关键技术上摆脱对国外的依赖，国内很多高校在冲压成形 CAE 领域投入了很多的精力，并产生了一些成果，如北京航空航天大学Sheetform，吉林大学的 KMAS，湖南大学的 CADEM-II 等。

但与国外软件相比，国内高校。