逆向工程和数值模拟在汽车覆盖件模具创新设计中的综合应用 - 文章

逆向工程和数值模拟在汽车覆盖件模具创新设计中的综合应用

作者：黄平华尹桂林余震

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前言

近年来，我国的轿车工业已具备一定的生产规模，但仍缺乏完整的自主开发能力，还处于引进、改进、就地批量生产的阶段。在我国提出加快建设创新型国家，全面提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力的大环境下，进行国内轿车自主创新设计已经刻不容缓。

覆盖件模具作为车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车质量和新车型的开发周期。CAD/CAM/CAE技术作为一种现代设计制造方法，在覆盖件模具生产中得到了广泛的应用。逆向工程( Reverse Engineering)作为相对独立的CAD技术，已成为以实物为研究对象，利用计算机技术进行产品仿制及新产品开发的技术手段。国内代表性的己有西安交大CIMS中心、上海交大国家工程模具中心、浙江大学化工机械研究所对此开展了相关研究。CAT1A, UG, IMAGEWARE等是目前得到广泛应用的逆向软件。而仿真模拟技术则可以在重建 CAD模型之后评价模型的准确性;改进模型的过程中评价模具设计，工艺设计的可行性;在试冲试模阶段进行故障分析，解决存在的问题。目前专用的板料成形有限元仿真软件有Dynaform, LS-DYNA3D, PAM-Stamp,AutoForm等。

本文的研究对象是国内某车型行李箱内班盖件，笔者应用Image。把覆盖件模具逆向生成CAD模型，导入Dynaform中进行计算机仿真模拟，判断成形结果是否符合实际情况。通过两者的结合，反复试验，修改、优化模具以达到消除缺陷乃至模具创新的目的。

1仿真分析模型的建立以及模拟计算

1.1 CAD模型的建立

对覆盖件模具进行修改以及创新设计，首先要建立覆盖件产品的三维CAD几何模型，通常利用高精度三坐标测量仪或激光扫描设备对覆盖件模具进行扫描，对得到的离散数据(点云数据》进行逆向拟合和光顺处理，并根据工艺添加一定的辅助面，从而得到覆盖件产品的CAD模型。图1、2分别为扫描得到的点云以及通过逆向重建的CAD模型。模型重建之前，详细了解模型的前期信息和后续应用要求，选择了正确有效的造型方法，在不影响成形结果的基础上简化模型，提高模拟的效率并且保证模型的准确性。

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图1 图2

1.2有限元模型的建立

通过标准数据交换接口，将CAD模型输入UG软件中加以修改和优化，导人Dynalorrn软件，利用软件自动划分有限元网格的工具对模型进行离散化生成有限元模型，或者导人专门的划分网格工具Hypemesh进行网格划分生成有限元模型。

根据坯料厚度和工艺间隙，通过offset等方式得到凸模和压边圈，对模具系统各部分进行检查和修整，按照厂方实际尺寸做出坯料，首先对坯料进行重力加载计算(由于工具配合问题)，得到加载后的坯料形状，重新定义坯料及各部分工具、自动定位后得到完核的覆盖件拉深系统，如图3所示。

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图3

1. 3履盖件有限元数值模拟计算

1. 3. 1边界条件和初始条件的建立

实际生产中，根据经验通过调整压边圈和压料面的间隙来调整压边力的，厂方给出的压边力范围是2500 ~4000kn。为了提高计算效率，模具的运动以及冲压速度等初始条件采用动力显式格式有限元仿真中的虚拟条件，压边圈和七模速度分别取2000mm/s,5000mm/so对因此而引起的动力效应增加，采用缩小质量密度的方法来加以消除。

1. 3. 2材料模型

该覆盖件的实际应用材料是宝钢公司的ST07Z140MB,厚度为0.6mm。具体的材料性能参数如表1所示。相应的在Dynaform内置的材料库中选取36号，HSLA250材料，按照具体的性能参数进行计算。

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2成形结果分析及其讨论

本次研究采用Belytschko-Tsay壳单元(简称BT壳单元)并采用降阶积分方案，这避免了剪切闭锁或薄膜闭锁(Sheer locking or membrance locking)，却又导致"砂漏"(即零能模式)的出现。这是覆盖件有限元模拟的业内难题。为此，K. J. Bathe教授提出了假设应变场〔Assumed strain field )的积分方案，该方案完全消除锁死现象和砂漏模式，但计算效率却极低。

在本文中，采用了Belytschko的砂漏控制方法，通过引入"砂漏形矢量"获得砂漏模式下的应变速率、应力变化率和相应的力(即砂漏力)并加人到因变形引起的局部内力中。具体在Dynaform输出控制参数里的Hourglss。中一般设置刚度公式为4或者5(IHQ参数)，计算得到的砂漏能和内能曲线如图4所示，砂漏能的最大值约5.8*10的4次方J,而内能最大值约2.4x10的3次方J。两者的比值远远低于砂漏能的允许范围，很好地控制了砂偏现象。

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图5是仿真计算后的成形厚度变化结果，在图中可以看出厚度变化比较均匀，大部分都处于0.463 - 0. 747 mm的安全区域，由于在板料变形复杂的区域采用了网格自适应技术，坯料网格整体贴模性比较理想。从板料的成形极限图可以看出(图6),整个模腔内部的板料大都处于安全区，只有在大弯角以及凸缘处的部分区域产生了起皱现象或者有起皱趋势，但这些起皱部位在实际应用中会被切边，所以可不加考虑。

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图7是数值模拟结果与实际冲压结果弯角处起皱的对比情况，可以看出二者的吻合度是相当高的。这就可以证明所建立的CAD模型以及CAE分析计算的精确性。以此为据，可以更深入地进行汽车筱盖件冲压过程工艺参数的优化以及模具创新。

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在原始CAD模型基础上，采用在IM-AGEWARE和UG软件中逆向和正向结合的方法改进了模型，再次计算得到如图8所示结果，计算结果是可靠的，至此就可以在工程实际中把该CAD数字模型输人到CAD/CAM系统中，通过快速成型来加工模具。这就是一个典型的仿制和创新过程，在充分理解原始模具的基础上加人自身的设计，从而拥有了独立的知识产权。

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图8

3结论

使用"逆向工程"技术和仿真模拟技术进行援盖件模具设计创新，是把现代化手段应用于技术创新中，符合企业的当前利益，满足国家长远发展要求。通过对逆向工程和仿真模拟技术在模具设计中的完美结合，可以得出一下结论。

(1)使用"逆向工程"技术进行模具创新，能充分实现继承和创新相结合的思想，以前人的创新作为基础，再提高一步创新出更高水平的新产品，这是我国提高汽车工业自主创新能力的必由之路。

(2)应用"逆向工程"技术进行新产品开发。把现代新技术应用于开发中，体现了高新技术的威力，便捷、准确、高质量、高效，降低了开发成本。在开发高性能、高水平的新产品中是不可缺少的手段。

(3)数值模拟技术在模具创新设计中起了极其重要的作用，首先要利用数值模拟技术来评价逆向CAD建模的可靠性，这是创新设计的前提。并且在修改设计以及改进工艺参数等方面都需要有数值模拟仿真技术的支持。

(4)把数值模拟技术应用于新产品模具设计中，不仅能从理论上认证成形方案的可行性，另外还可降低模具设计方案的风险，使模具制造周期缩短、降低研发成本。增强企业在市场上的竞争力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/26/2008)


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