淺談覆蓋件的沖壓成型CAE分析技術

賈 磊

（商丘工學院，河南 商丘 476000）

目前覆蓋件及模具的設計制造工藝、先進裝備及CAD/CAM的應用已取得了重要進展,縮短了設計制造周期、提高了產品的質量、減輕了勞動強度,但我國CAE的發展略顯滯后。從模具開發的整個過程來看,設計初期的模具工藝結構、沖壓工藝參數的合理選擇,能有效地減少調試修模工作量,縮短了開發周期,降低模具成本。因而,推廣應用先進的CAE技術,研究板料沖壓的仿真成形是擺在覆蓋件及模具行業面前的非常重要的課題。

1 CAE技術簡介

CAE是計算機技術和數值分析技術相結合而形成的新興學科。CAE的核心是數值計算方法，特別是有限元方法。經過幾十年的發展，CAE已經達到了較高的水平，許多大型的通用分析軟件已相當成熟并商業化。CAE軟件分析的對象也逐漸由線性系統發展到非線性系統，由單一的物理場發展到多場耦合，并在航空航天、機械、汽車、船舶、建筑、電子等領域獲得了成功的應用。

CAE（Computer Aided Engineering）是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。

2 CAE技術的發展

CAE，即計算機輔助工程，是指使用計算機對產品進行建模，模擬其在真實環境下的運行并觀察其反映的過程。CAE與CAD/CAM的不同之處在于，CAD/CAM主要用于解決產品的結構設計和生產制造的問題，而CAE主要用于對產品進行模擬和分析，屬于更高層次的應用。

CAE的理論基礎起源于二十世紀40年代。1943年，R.Courant首次提出了有限元分析，即FEA的概念。Courant采用了基于變分的Ritz①方法，得到了振動系統的近似解。隨后，1956年Turner等發表文章對該方法進行了詳細的描述。1964年，Besseling元方法是基于變分原理的Ritz方法的另一種形式，從而使Ritz方法的所有理論都適應于有限元法，確認了有限元法是處理連續介質問題的一種普遍方法。

二十世紀70初，受計算機的限制，CAE主要用于航空航天、國防、核工業等領域，分析的范圍也很有限。隨著計算計技術的廣泛使用和發展，有限元方法也迅速發展起來。以此理論為指導，FEA已由平面問題發展到空間問題，由線性系統發展到非線性系統；分析的領域從固體力學擴展到流體力學、傳熱學和電磁學等領域。將FEA逐漸由傳統的分析和校核擴展到優化設計，并于CAD結合，形成現在CAE技術的框架。

應用CAE軟件對產品進行模擬和分析時，一般要經歷如圖1所示的步驟，即前處理，求解和后處理。

圖1 CAE的一般步驟

3 CAE技術的應用及發展

3.1 CAE技術的應用發展

傳統的產品設計方法是產品設計完之后生產樣板，然后進行測試，其主要缺陷是在已經進行大量投入之后才能發現問題的所在，并需要進行大量的的后續修改工作。CAE的最大好處在于在概念設計階段就可以對產品進行性能模擬，而不需要做樣板，從而可以將產品的設計周期較傳統模式提高40%～70%，大大縮短產品的設計開發周期，降低成本，提高產品的性能和質量。

除此之外，CAE還可以在產品的工作原理、工作性能、結構已經確定的情況下，通過模擬給出產品的最高性能；在產品工作原理不變的前提下，借助CAE計算分析指導產品中某些部分進行修改，以期得到更加優良的性能；對失效的產品進行分析，找出其失效原因，從而進行改進；另外，CAE軟件在產品優化設計上的應用也不斷擴大，從最初的幾十個變量發展到上萬個變量，從最初的結構尺寸參數優化，到現今的結構形狀優化等。

綜上所述，CAE的應用不僅可以在設計階段發現產品的缺陷，縮短開發周期，降低設計成本，而且可以對現有產品進行優化和失效分析，從而提高產品的性能和質量，大大提高企業產品的市場競爭力。隨著計算機技術向更高速、更小型化的發展和分析軟件的不斷完善，CAE的應用將越來越廣泛。

3.2 覆蓋件的CAE發展及應用

板料成形數值模擬研究始于20世紀60年代,之前人們主要用試驗分析的方法了解塑性成形的性能,為設計提供依據。在20世紀70年代中期到80年代中期,主要是建立一些簡單的有限元分析模型和應用,包括二維平面問題和軸對稱問題,這階段大多采用薄膜單元。20世紀80年代中后期開始三維板料成形分析研究,各種板殼單元被應用于成形分析。1973年,技術專家采用剛塑性有限元法模擬了板料沖壓成形過程。1976年,技術人員用彈塑性有限元法模擬圓形板料在半球形凸模作用下的脹形和拉延過程。1978年,采用完全球沖頭脹形及沖壓成形過程,計算得到的應變分布與實驗結果吻合較好。1980年,OH.S.I用剛塑性有限元法對成形中的拉彎進行分析。此時,人們從簡單的軸對稱脹形分析開始發展到三維形狀零件的拉延分析,從薄膜單元發展到一般單元和蛻化殼元,發展了材料模型,如:剛粘-塑性、彈粘-塑性、結晶-塑性和速度敏感材料模型,從粗糙到逐步精確的接觸摩擦模型,有限元顯式積分算法也開始應用。20世紀80年代,板料沖壓有限元數值模擬得到了迅速的發展。人們在1982年開發出了一套預測板料成形成敗的軟件,福特汽車公司的研究人員也從1980年開始就覆蓋件成形分析的彈塑性有限元法展開研究,研制了MTL-FRM系統,并在實踐中應用。20世紀90年代中期以后,人們除了繼續以往的研究之外,很大部分注意力轉向了解決實際加工中的工藝和技術問題,如多步成形、回彈起皺、壓邊控制、坯料形狀、工藝設計及優化、復雜零件成形等。

目前世界各大汽車公司對板料沖壓成形模擬都相當重視,歐美,日本等發達國家在汽車主要覆蓋件開發過程中100%要經過仿真檢驗。很多實用的商業化模擬軟件也在實踐中得以應用。通用板料成形模擬軟件如:ANSYS、ABAQUAS、MARC、AL GOR；專用板料成形模擬軟件如:LS-DYNA、Dyanform、Auto-Form、PAM-STAMP等。

4 結束語

CAE從60年代初在工程上開始應用到今天，已經歷了50多年的發展歷史，其理論和算法都經歷了從蓬勃發展到日趨成熟的過程，現已成為工程和產品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域)必不可少的數值計算工具，同時也是分析連續力學各類問題的一種重要手段。隨著計算機技術的普及和不斷提高，CAE系統的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產品數字建模的CAE系統應運而生，并已成為結構分析和結構優化的重要工具，同時也是計算機輔助4C系統(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要環節。隨著CAE技術的廣泛飛速發展，汽車覆蓋件的數字化設計與制造借助CAE技術的發展已成為必然趨勢。

[1]胡玉海.車輛結構強度基本理論與CAE分析技術[M].重慶大學出版社，2009.

[2]陳炎嗣等.沖壓模具設計與制造技術[M].北京出版社，2000.

[4]郭春生等.汽車大型覆蓋件模具[M].國防工業出版社，2001.