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1、1 绪论1.1 研究背景车身覆盖件成型是一个复杂的变形过程，成型质量受许多的因素影响。传统冲压过程主要是依靠技术人员的经验来设计加工工艺和模具，然后通过试模生产来检验覆盖件是否符合产品的设计要求 。这样不仅产品的设计周期长而且消耗大量的人力物力。随着计算机软硬件技术、图形学技术、人工智能技术、板料塑性变形理论和数值计算方法等的发展以及与传统的工艺/模具设计技术的交叉集成开创了利用CADCAM/CAPP技术和CAE数值模拟分析技术进行覆盖件成型工艺设计的新领域。最近几年，随着计算科学的快速发展和有限元技术应用的日益成熟，CAE技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到愈来愈广泛的
2、应用。CAE技术的成功运用，不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期，降低了生产成本，提高企业的市场竞争能力，而且有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来，从而推动模具现代制造业的快速发展，国内外已经有很多学者在这方面做了研究1。传统的汽车覆盖件模具因其体积大、工作型面复杂、设计周期长，已成为开发新车型的瓶颈。目前大多采用钢制模具来生产薄板类以及覆盖件类零件因此带来冲压模具制造周期长、成本高和加工难度大等一系列问题，尤其是在零件的中小批量生产和新产品试制时，这些不足就更加凸显出来。对于成熟零件，探讨研究基于Dynaform的CAE技术对汽车覆盖件及其冲压模具的设计过程进行仿真模拟分析2。在板料
3、成形生产中，使用传统工艺试制模具耗时较多 不能适应竞争日趋激烈的现代市场，对成本、产品研发周期以及产品质量等方面提出了越来越迫切的要求。在传统的模具设计制造过程中，过多时间浪费在“设计试制发现问题再设计再试制再发现问题”的循环中，因而成本耗费大，面对现代市场对产品更新换代目益加快的需要 ，原始方法可是远远不能够解决问题的。相比之下，在模具设计过程中使用CADCAMCAE技术的优越性更为明显，国内虽有许多企业采用该技术并取得了一些经验和技巧，但能真正利用UG、ProE，Deform及Dynaform等大型软件进行模具的三维参数化设计与制造，并进行冲压仿真来指导设计的还不多。鉴于传统拉深模具型面设
4、计的种种问题，世界各发达国家都在大力发展该技术在模具型面设计中的应用。可以说，能否采用该技术是提高模具制造质量、设计效率 改变落后的模具设计制造方法的关键。随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展，车身覆盖件冲压仿真技术逐渐从实验室阶段走向工业实用阶段，成为国外发达汽车厂家缩短车身覆盖件开发周期，降低生产成本的利器 。为了确保产品设计的正确性和可行性，利用DYNAFORM软件在产品设计阶段的同时预测产品在成型过程中可能发生的问题，在设计过程中及时修改，从而有效的提高产品质量节约生产成本。因此，开展对汽车覆盖件成型的理论和实践研究具有重大的现实意义。随着社会生产的发展和世界经济的一体化
5、，对产品的要求越来越多样化，市场的竞争日趋激烈。制造企业为了生存，就必须提供市场上适销对路的、高质量的产品；与此同时，为适应日新月异的市场，企业必须不断推陈出新，大大缩短产品的升级换代周期。对于现代制造企业来说，要求企业能够在尽可能短的时间内完成新产品的设计、试制、定型和生产，及时推向市场，在竞争中占据先发优势4。有限元系列软件正是迎合了人们的这种要求，利用有限元软件我们可以帮助工程师和设计人员： 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本； 提高工模具设计效率，降低生产和材料成本； 缩短新产品的研究开发周期。DYNAFORM不同于一般的有限元程序，它是专为金属板料成形而设计的。它具有非常
6、友好的图形用户界面，可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。这样，工程师们便可把精力主要集中在工艺分析上，而不是去学习烦琐的计算机系统。DYNAFORM专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入，建立边界条件，它还包括有限元网格自动生成器；模拟器是集弹性、弹塑性、刚(粘)塑性、热传导于一体的有限元求解器；后处理器是将模拟结果可视化，支持0PGI 图形模式，并输出用户所需的模拟数据。DYNAFORM允许用户对其数据库进行操作，对系统
7、设置进行修改，以及定义自己的材料模型等5。1.2 成形过程仿真研究意义汽车外门板翻边工序仿真的试验,提出了用毛坯反求来确定修边线的方法,实际生产应用表明这一方法是切实可行的。它不同于以往确定修边线都是从解析模式入手,仅仅从理论的角度来分析。因为影响翻边过程的因素很多,包括材料的力学性能、模具与工件之间的摩擦、翻边高度等,在理论分析中很难建立一个能全面考虑这些影响的模型,因而只能对一些简单的翻边零件进行分析。但是在仿真分析中则可以很容易地综合各种因素的影响,运用毛坯反求的方法来确定翻边零件的修边线,整个过程都是在计算机中模拟,因此可以节省大量的人力和物力,对于更好地指导修边模的设计,缩短模具的开
8、发周期具有重要意义。1.3国内外研究现状与发展趋势1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应
9、计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万的工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的CAE软件主要有DYNAFORM、 NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。MSC-NASTRAN软件因为和NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元
10、分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D的基础上组织开发了DYTRAN。近来又兼并了非线性分析软件MARC,成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe8教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件
11、。 Dynaform软件是其中较为成功的一种它把LSDYNA、LSNIKE3D强大的分析能力与etaFEMB的流程化前后处理功能结合起来通过该软件进行数值模拟可以全面了解板料在变形过程中的应力和应变分布预测各种成形缺陷的出现。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：与CAD软件的无缝集成，更为强大的网格处理能力，由求解线性问题发展到求解非线性问题，由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解，程序面向用户的开放性。1.3.1 与CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型
12、传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Epigraphic、Solid Edge、Solid Works、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Para solid内核的实体建模技术，能和以Para-solid为核心的CAD软件（如Epigraph
13、ic、Solid-Edge、Solid-Works）实现真正无缝的双向数据交换。1.3.2 更为强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，
14、现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分
15、。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。 1.3.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费
16、了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。1.3.4 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得到的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓
