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1、1 引言 引言 1.1 1.1 背景背景 目前， 我国经济仍处于高速发展阶段， 国际上经济全球化发展趋势日趋明显， 这为我国模具工业高速发展提供了良好的条件和机遇。一方面， 国内模具市场将 继续高速发展， 另一方面，模具制造也逐渐向我国转移以及跨国集团到我国进行 模具采购的趋向也十分明显。因此，放眼未来，国际、国内的模具市场总体发展 趋势前景看好， 预计中国模具将在良好的市场环境下得到高速发展，我国不但会 成为模具大国，而且一定逐步向模具制造强国的行列迈进。“十一五”期间，中国 模具工业水平不仅在质和量的方面有很大提高，而且在行业结构、产品水平、开 发创新能力、 企业的体制与机制以及技术进步的
2、方面也会取得较大发展。随着我 国工业的迅速发展，工业产品的外形在满足性能要求的同时，变的越来越复杂， 而产品的制造离不开模具， 利用计算机辅助软件进行模具设计不但提高模具的制 造精度而且还缩短了设计及加工的时间。 冷冲压成形是一种历史悠久的金属加工工艺，随着工业水平的不断进步， 冷 冲压技术和设备日益完善，在汽车、机械制造、电子电器等行业中，冲压加工得 到了广泛的应用。大到汽车的覆盖件，小到钟表以及仪器仪表元件，大多是由冷 冲压方法制成的。学习、研究和发展冷冲压技术，对发展我国国民经济和加速现 代化工业建设具有重要意义。 传统的冲压工艺及模具设计只能在众多简化和假设 的基础上进行初步的设计计算
3、，然后依靠大量的经验，反复试模、修模来保证冲 压件的成形品质。从而拖延新产品的开发，造成研发成本过高，在市场竞争中处 于被动的地位。70 年代起，有限元法开始应用于板料成形过程的模拟，各种成 熟的 CAE 仿真软件应用于模具工业中，有效地用来解决模具制造中的难题如拉 裂、起皱、回弹的预测。伴随冲压成形的计算机仿真技术日渐成熟，并在冲压工 艺与模具设计中发挥出越来越大的作用，成熟的仿真技术可以减少试模次数， 在 一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模。 这就可以大大缩短新 产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。 1.2 1.2 冷冲模成形特点冷冲模成形特点 冷冲模是在
4、温室下把金属或非金属板料放在模具内，通过压力机和模具 对板料施加压力，使板料发生分离或变形制成所需零件的模具。各类冷冲压 模成形特点如下： 1.2.1 1.2.1 冲裁模冲裁模 冲裁模的成形特点是：将一部分材料与另一部分材料分离。如图 1.1 所 示的冲裁模成形过程，冲裁模分为落料模和冲孔模。落料模的成形特点是将 材料封闭的轮廓分开，而最终得到的是一个平整的零件；冲孔模是将零件的 材料与封闭的轮廓分离，使零件得到孔。 图 1-1 冲裁模成形过程 1.2.2 1.2.2 弯曲模弯曲模 弯曲模的成形特点是：将板料或冲裁后的坯料通过压力在模具内弯曲成 一定的角度和形状。如图 1.2 所示弯曲模成形过
5、程，是将平直的板料压成带 有一定角度的弯曲形状。 图 1-2 弯曲模成形过程 1.2.3 1.2.3 拉深模拉深模 拉深模的成形特点是：将经过冲裁得到的平板坯料，压制成开口的空心 零件。如图 1.3 所示拉深模成形过程，是将平板的坯料拉深成筒形零件。 图 1-3 拉深模成形过程 1.2.4 1.2.4 多工位级进模多工位级进模 多工位级进模的成形特点是：可以完成多道冲压工序，局部分离与连续 成形结合；配备有自动送料、自动出件、安全检测等装置；模具结构复杂， 镶块较多，模具制造精度要求很高，制造和装调难度大。 1.3 1.3 冷冲模具的发展趋势冷冲模具的发展趋势 随着与国际接轨的脚步不断加快，市
6、场竞争的日益加剧，人们已经越来 越意识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。近年来许多模具企 业因此加大了用于技术进步的投资力度，一些国内模具企业已普及了二维 CAD，并开始使用 UG、Pro/Engineer、IDEAS 等国际通用软件，个别厂家 还引进了 DYNAFORM 等 CAE 软件，并成功应用于冲压模的设计中。 目前，以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大 进步，东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆 盖件模具。许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发，在模具 CAD/CAE/CAM 技术方面取得了显著进步。例如，吉林大学汽车覆盖
7、件成型 技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分析 KMAS 软件，华中理工大学模 具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模 CAD/CAE/CAM 软件，上海交通大学模具 CAD 国家工程研究中心开发的冷 冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模 CAD 软件等。而模具技术的发 展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求 服务。 1.1.3.1 3.1 有限元分析商业软件简介有限元分析商业软件简介 有限元法作为一个具有牢固理论基础和广泛应用价值的数值分析工具， 在工程应用中起着越来越重要的作用。一些发达国家投入了大量的人力，物 力和财力， 开发了一系
8、列的商业化软件， 如早期出现的 SAP， ANSYS， MARC， NASTRAN， ADFNA 等和近年来开发的专用于薄板金属冲压成形过程模拟的 SHEET， LS-DYNA， LS-NIKE3D， AUTOFORM，OPTRIS， PAM-STAMP， ROBUST 不 Il ITAS-3D 等软件。许多文献及 NUMISHEET99 国际会议标准考题 (Benchmark)的研究者采用上述程序对薄板金属成形过程进行了模拟。 MARC 分析公司(MARC Analysis Corporation)于 1971 年推出 MARC 的第 一个版本后，成为世界上第一家非线性有限元公司。MARC
9、软件中采用了 TL、 U.L 表述、欧拉描述和更新欧拉表述。瞬态问题可用包括牛顿法、拟牛顿法、 直线搜索、弧长搜索、隐式动力学和显式动力学在内的不同时间积分求解器 求解。MARC 软件中包含丰富的材料库，可对金属塑性加 1 过程进行数值模 拟。MARC 软件考虑了汽车部件加工分析中的以下问题:模具和工件的接触和 摩擦、厚度的变化、回弹、拉伸破坏、残余应力等。该软件已成功应用于汽 车前挡泥板冲压成形过程的模拟。 PAM-STAMP 足一个采用显式时间积分有限元技术的用于薄板金属冲压成 形过程仿真的专业软件包，由法国 ESI (Engineering System Internal)开 发研制。该
10、软件着重考虑了拉延筋的作用，建立了一个与拉延筋作用等价的 分析模型。软件中包括了多种材料模型，分别考虑了非应变率敏感和应变率 敏感的不同情况，还考虑了曲面压料面的压边圈在压边过程中与毛坏初接触 及毛坯弯曲等顶成形过程，并且采川了简便的有限元网格生成技术.此外还 采用了加速的接触判断算法，提高了处理接触问题的效率。德国慕尼黑技术 大学的 M.Kohnhiiuser 和北京航空航天大学的张晓京等人利用 PAM-STAMP 模 拟了NUMISHEET99会议给出的奥迪轿车前门内板多步冲压成形的标准考题。 在 PAM-STAMP 的基础上， 1990 年又出现了一个新的薄板金属成形分析软 件 OPTR
11、IS.OPTRIS 采用显式时间积分，可允许网格细化，计算精度高，除继 承了 PAM-STAMP 的特点外，OPTRIS 最大的特点是允许有限单元个数超过 100000 个。OPTRIS 采用等效拉延筋模型可以模拟多工步薄板成形问题。 LS-DYNA3D 是美国 LawrenceL ivemore 国家实验室的 J.O.Hallquist 教 授主持开发的几何大变形、非线性材料和接触摩擦滑动边界二重非线性动力 分析程序。LS-DYNA3D 是由 DYNA3D 发展而来的，DYNA3D 出现于 1976 年，早 期主要应用于重型固体的低速碰撞问题，从 DYNA3D 的 1987 年版本开始已经
12、可以进行薄板成形模拟了，在这个版本中包含了单元厚度变化、 Belytschko-Tsay 板壳单元，近年来 LS-DYNA3D 己成功而广泛地应用于薄板 成形的分析中，它具有弹塑性本构材料模型和各向异性材料模型，可考虑薄 板的各向异性性质。所用的库仑摩擦算法和丰富的接触算法可用来处理任意 复杂的三维接触问题。为了分析薄板成形问题，LS-DYNA3D 包含了多种函数 和特性来满足数值分析的需要，如网格自适应、多种 CAD 模型接口、大规模 并行机(MPP)算法等。LS-DYNA3D 最大特点是版本更新速度快，它将计算机技 术和有限元方法的最新进展迅速地应用于程序中，目前最新的版本是 950. L
13、S-DYNA3D 是一个开放式的软件系统，它具有五个用户开发接口，为用户进 行二次开发提供了极为便利的条件。 当今许多软件， 如 DYTRAN，PAM-STAMP， OPTRRIS 都是在 LS-DYNA3D 的早期版本 DYNA3D 的基础上发展起来的。 LS-DYNA3D940 版本具有 12 种单元、90 种材料模型(其中包括 5 种用户可开 发材料接口)、10 种状态方程、28 种接触-碰撞算法，在美国的兵器、宇肮、 汽车、和工业部门得到了广泛的应用。 LS-NIKE3D也是美国 Lawrence Livermore国家实验室开发的大型非线性 有限元程序。它利用隐式算法来解决需要进行面
14、与面接触算法的静态、准静 态载荷条件的结构分析问题。它具有平面和轴对称元素，用线接触来解决二 维或薄板成形截面分析。这一点对于弯曲过程、法兰边成形过程以及冲压成 形过程中工件局部区域的计算十分有效。现在，LS-NIKE3D 己被应用于冲压 成形过程的回弹问题。由于隐式算法的限制，LS-NIKE3D 版本更新的速度比 LS-DYNA3D 要慢得多。 1.1.3.2 DYNAFORM 3.2 DYNAFORM 软件简介软件简介 本文的仿真工作是通过 eta/DYNAFORM 软件完成的。 LS-DYNA 软件是用来 计算模拟的软件，而 eta/DYNAFORM 软件则是用来建立零件有限元模烈，设
15、置各种材料参数和边界条件， 生成 LS-DYNA3D 的计算文件， 并读入 LS-DYNA3D 的计算结果文件 d3plot 来察看计算结果的一个软件包。 eta/DYNAFORM 软件是由美国工程技术联合公司(ETA)研制的基于 LS-DYNA 的薄板金属冲压仿真计算软件包，目前的最新版本是 5.2 版。这个 专业计算机辅助工程(CAE)软件把 LS-DYNA，及 LS-NIKE3D 963 版的强大分析 能力，与 eta/FEMB 的流程化前处理和后处理功能结合起来了。这些分析程 序和交互功能被合成来在薄板金属冲压工业中服务于模具设计和研制。此软 件也最大利用了传统的CAE技术来减少建立原
16、型所需的昂贵费用和漫长的产 品研制周期时间。 eta/DYNAFORM 分析引擎的主要部件是 LS-DYNA3D 和 LS-NIKE3D，这两个 软件都是由加利福尼亚州利弗莫尔市的利弗莫尔软件技术公司(LSTC)研制 的，这两个程序也都是通用的非线性动态有限元分析程序，LS-DYNA 和 LS-NIKE3D 分别利用显示和隐式计算方法来解决流体和固体结构问题。这些 程序己被成功地研制应用于汽车防撞性、乘员安全性、水下爆破、薄板金属 冲压等方面。 薄板金属冲压研究周期的瓶颈是模具设计先导时间。eta/DYNAFORM 软 件模拟了这个建模过程，从而缩短建模试验时间、降低制造高品质嵌镶板和 模具部件所需的费用。尤其是 eta/DYNAFORM 简单有效地研究了建模过程中 的四个重要设计关系:压边、拉伸、回弹和多步模具。这些模拟使得工程师 可在设计周期的早期进行产品设计的可行性研究。 用户也可利用定义好的模具曲面数据来预测覆盖件在成形过程中的冲 压性能:开裂、起皱和变薄，还可预测滑痕和回弹效果。 1 1.4 .4 复合模 复合模 1.1.4.1 概述4.1 概述 在实际生产中常常将几
