虚拟试验体系在金属体积成形中的应用研究

作者：应富强 潘孝勇

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 1 引言 近年来，塑性形成领域虽采用了一些先进的CAD/CAE/CAM技术，但CAD技术和CAE技术却保持相对独立和相互封闭的状态，这种状态使得模具CAD系统和模具CAE系统的信息不能实现共享；在总体管理上，整个运转过程是串行而非并行的，因而就不能适应现代化制造业中要求柔性化、快捷、低成本及高质量的要求；市场需求以及模具设计、制造和产品加工独立分化，没有全局观念，对项目往往缺乏可行性和经济效益评估，不能积极关注全球市场的需求动态；这些直接后果是导致大量的重复劳动与资源（包括人力资料和物力资源）浪费。 实现金属精密体积成形CAX/PDM集成化，使用户可以在Internet/Intranet实现协同设计和分析，用三维CAD系统构造虚拟试验系统；同时通过分析仿真对试验系统的性能进行分析、评估，依据评估结果对CAD系统构造的试验系统进行修改，不断循环直至达到要求。通过金属塑性模拟软件（如DEFORM，SUPERFORM，MARC）对加工工艺过程进行模拟，分析力能参数对成形的影响等，在此过程中PDM系统将严格监控并管理试验系统的工艺设计过程和设计数据（包括工程版本），当试验完成后，再用CAM系统生成数控代码并在正式加工前利用加工仿真系统进行虚拟加工，以验证代码的正确性。集成化技术将实现各系统输入、输出信息的交流，达到信息和资源共享，避免不必要的重复。 2 金属体积成形虚拟试验体系模型 本体系主要实现金属体积成形的CAD/CAE/CAPP、运动与动力学、管理和加工模拟等集成体系，旨在建立集成化的金属精密体积成形虚拟试验体系。整个试验体系由试验计划、虚拟设备、虚拟模具、虚拟成形件和分析工具组成。其中包括工艺排演；数据采集与处理；试验的数据可视化（生成曲线、云图、报表、HTML和VRML形式）；加工过程模拟和分析；试验参数、模具参数优化；试验结果认证、确认和鉴定支持工具，图1所示为金属体积成形虚拟试验体系功能模型。 通过Internet，企业在线提交产品的试验需求或设计要求，试验者根据要求进行分析，同时进行体积成形零件的概念设计，如果满足要求，分别开始虚拟样机及模具、模架的设计，在虚拟样机设计中，将根据成形工艺的分析结果，从锻压知识库中获取成形设备相关的参数，并根据实际需要进行分析和调整。体积成形设备具有很大的相似性，因此可以对其进行模块划分，建立标准件库，以备调用，并进行虚拟装配、添加约束、增加载荷、动力源，同时可根据需要与Matlab等结合进行机电液一体化仿真，并对试验结果进行可视化处理，然后送交专家认证工具进行认证，经过反复测试直至完成。另一路是模具设计、加工分析的过程。首先根据客户需要指定体积成形加工工艺，这些工艺将指导样机、模具、模架、塑性成形模拟等工作，因此非常关键。然后根据成形类型进行模块化划分，并根据各加工工艺的参数进行标准化聚类，提高有限元分析的效率，建立与成形相对应的神经网络结构，对模具的主要参数进行优化设计，生成要求的可视化结果，并提请专家认证工具认证。 3 研究内容及实现方法 3.1 体积成形虚拟样机的模块化（成形设备几何模型库）以实现封装和调用 根据体积成形的种类，对设备类型和零件特征进行分类划分，实现模块化。对现有的CAD软件进行二次开发（Solidworks,SolidEdge的API，其使用VB，VC和DELPHI进行开发；Pro/Engineer的Pro/Develop，Pro/Toolkit,Jlink，可以采用C/C++，Java技术进行开发等），建立成形设备类型、部件系列、标准零件数据库，对成形设备进行模块封装，同时建立参数化界面，以便对虚拟样机软件进行调用。利用CAD软件和虚拟样机软件之间的良好接口（Pro/Engineer与ADAMS，Solidworks的DDM，ADAMS/Exchange及Working-Model完全集成在MDT，Solidworks,SolidEdge的菜单里），实现无缝集成。 3.2 体积成形试验件及模具、模架库的参数化 在虚拟试验过程中，除了实现模具和优化设计外，需要调整模具的大量参数并进行试验，故进行模具型腔和试验件的参数化设计是基本步聚，如楔横轧虚拟试验时，可以根据零件的初始尺寸、端面收缩率、楔入角、展宽角、轧细长度等进行参数化设计，编制交互久界面，根据输入参数自动生成模具。大部分体积成形的零件形状较为规则（如齿轮。花键等）实现其参数化将大大提高试验效率。在平台上使用开发软件（如VB/VC++，Java，Python）调用CAD软件的API函数或类库，根据体积成形的需要，以实现其目的。 3.3 体积成形工艺知识库框架的构建 体积成形工艺的确定是体积成形设计的基础，它决定了该产品在体积成形过程中工装的数量和形状。体积成形一般包括该工件的成形工步、是否需要制坯以及制坯时材料的分布、各工步所需要的工装、需要采用设备吨位、以及下料规格等；应考虑锻模的分型面、锻模模腔排布、模腔壁厚、飞边槽结构及尺寸、是否需要顶杆等。所需要的数据可以从体积成形工艺知识库中获得，如锻件材料的性能数据、虚拟设备试验数据、摩擦与润滑、锻件设计、工艺设计和模具设计过程中所需要的设计准则、设计标准和设计参数等。 3.4虚拟试验分析，设计神经网络，优化模具参数 使用有限元分析和神经网络，可以有效地预测模具的几何形状，使模具的设计效果最优化，同时可以预防金属体积成形中缺陷的产生。由神经网络优化而得的参数被用于预测任选锻件的型腔填满情况，也可以用最终产品的几何形状进行反向模拟预测模具的几何形状。 目前，国际上出现的金属成形有限元商品化软件，如：DEFORM，ANTARES，DYNAFORM，MARC/SuperForm等已应用于生产实际，但后处理界面并不友好，且难以集成到虚拟试验体系当中，因而需对有限元后处理进行可视化研究，采用Visual C++等开发工具，借助OpenGL图形接口，实现网格变形图、等值线（应力、应变、应变率、速度）、彩色云图、速度矢量图、压力和行程曲线图。 同时在可视化平台上嵌入专家评价和确认工具，对试验模拟采用的模具、工艺进行评价。 3.5 网络化研究 异地协同设计、网络数据共享、批注；建立虚拟试验平台，实现各模块之间的数据接口及系统集成。网络化是当前计算机辅助设计的关键技术，也是体积成形虚拟试验的迫切需要。当前的PDM基本实现了网络功能，利用其特有的功能实现共享零件数据库和产品数据库的管理，实现装备性能分析数据和产品信息的存档、加工模拟动画演示、零件成形动画演示、试验报告在线浏览等功能，图2显示了金属体积成形虚拟试验协作模型。 4 关键技术 金属体积成形虚拟试验体系应用的范围将非常广泛，体系平台囊括了多常科的技术平台，包括CAD、虚拟样机、控制系统、最优化、网络技术、有限元、数据库、知识库、图形学等多方面技术，以下为几种相关的主要关键技术： 1）建立具有物理属性的虚拟试验模型； 2）体积成形工艺知识库框架的构建（材料的性能数据、虚拟设备试验数据、摩擦、锻件设计、成形工艺设计和模具设计过程中所需要的设计准则、设计标准和设计参数等）； 3）体积成形动态仿真模拟，缺陷成因分析与评判； 4）基于图像的有限元后处理可视化技术； 5）零件数据库的共享技术、权限设置及任务分配； 6）协同产品开发环境的体系结构及其数据接口技术； 7）金属体积成形标准化聚类研究； 8）神经网络在金属体积成形中的应用研究。 5 应用示例及结论 本文着重于对金属体积成形虚拟体系的研究，为了更形象地表达笔者的构思，笔者设计了一个简单的例子—楔横轧虚拟试验。金属体积成形包括轧制、挤压、拉拔、自由锻、开式模锻、闭式模锻、拉深。楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，它在加工阶梯轴类零件时具有高精度、高效、节材等优点，广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车等轴类零件毛坯的生产，同时因为楔横轧模具设计困难、工艺过程繁琐、成形几何解析不精确、研制楔横轧机旨用昂贵等特点，因此正符合虚拟试验体系的应用范畴。利用虚拟样机技术设计的仿真样机同楔横轧试验的虚拟场景结合起来，可逼真地实现试验全过程，通过交互改变楔横轧模具的设计参数、温度参数等，可以验证设计方案，从而达到缩短设计周期、降低开发成本、提高产品质量的目的。同时通过有限元模拟，实现加工的全过程模拟，为深入研究楔横轧打下基础。 从分析虚拟试验的基本过程知，楔横轧设备的设计、模具设计及楔横轧制试验为同步进行，其中，楔横轧虚拟样机要经过概念设计，即初步设计、虚拟样机装配、建议零件库和部件库及楔横轧虚拟设备系统机电一体化仿真等步骤，同时建立楔横轧工艺知识库，指导整个虚拟试验过程的进行，而在另一方面，主要围绕着虚拟成形试验展开，通过神经网络确定楔横轧工艺参数并进行聚类，然后导入到有限元软件中进行数值模拟，得到相关参数，通过参数分析，研究楔横轧成形机理。在虚拟样机的设计过程中实现协同化设计、实现异地共离网络平台，并通过Java与VRML技术及目前广泛应用的CAD浏览器插件实现协同。将有限元结果的可视化置于网络平台，实现在线专家工具评测，验证样机、模具、工艺的合理性。图3所示为楔横轧虚拟试验体系的部分模块。 除了图3中所示外，还包括工具知识库、在线提交、协同设计和分析模块及成形过程几何解析形状等几个模块。其中工艺知识库对楔横轧成形模具设计和成形模拟尤为重要，相关部分包括模具参数（如成形角、展宽角、断面收缩等）、单元类型及大小、初始条件（接触状态、节点温度等）、材料模型（杨氏模量、泊松比、质量密度、屈服应力及剪切模量等）、接触定义（旋转中心、速度、摩擦系数、位移量及变形类型等）、传热边界条件（环境温度、表面散热系数、热接触传导系数、传热膜系数等）、网格重划标准、加载历程（轧制时间、加载类型、工步数等）以及后处理方式等。 虚拟试验体系在楔横轧塑性形成中的应用实例克服了传统技术及方法所存在的问题。试验中的数据与通过人工计算的解析值非常接近，所涉及的楔横轧几何解析与Super Form加工模拟结果非常拟合。虚拟试验体系在楔横轧塑性成形中的成功应用，对模具的质量、设计精度及设计效率有很大的提高；同时试验成本大大降低了新产品研发周期缩短，试验平台成功地结合了各学科领域的智能，拒绝“信息孤岛”的存在。 作者简介：应富强,男,1957年生,浙江杭州人,浙江工业大学机电工程学院副教授,主要从事机械设计理论、塑性模拟的研究 应富强 E-mail:motor@zjut.edu.cn 作者单位：应富强（浙江工业大学,机电工程学院,杭州,310014） 潘孝勇（浙江工业大学,机电工程学院,杭州,310014）(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/4/2006)