谈一谈我对板料成形数值模拟(CAE)与冲压工艺的看法

lyq1966

<H1 >板料成形数值模拟技术的工程应用<p></p></H1>
<P >板料冲压成形模拟软件已经在实际生产中得到广泛应用，解决了很多冲压成形过程中的疑难问题，可以有效地减小试模周期，降低生产成本，提高产品质量。在汽车制造发达国家，板料成形数值模拟已经成为模具工艺设计规程中的一项重要内容，没有进行数值模拟或数值模拟中发现工艺设计有问题的方案都不能进入下一生产流程。<p></p></P>
<P >由于国内劳动力成本较低，限制了数值模拟技术的应用，但是随着中国加入WTO以后，国内模具企业逐渐与国际市场接轨，对模具质量要求不断提高，对生产周期要求不断缩短，迫使国内模具企业开始采用各种计算机辅助技术（CAD/CAE/CAM）。由于板料成形CAE软件价格昂贵，而且要求工程技术人员掌握一定的理论基础，因此CAE技术在国内的应用起步较晚，应用水平和解决实际问题的能力也相对较低，模拟结果无法得到工艺设计人员和模具设计人员的信任，长期以来一直依靠自己的经验，而且过分依靠自己的经验进行工艺设计和模具调试，这也在一定程度上限制了CAE技术应用水平的发展。</P>
<H5 >1．经验能解决所有问题吗?<p></p></H5>
<P >市场推销人员在介绍和演示冲压成形CAE软件功能时，经常要回答工艺设计人员的疑问，其中有经常会出现一个非技术性的苛刻问题令推销人员非常尴尬：<p></p></P>
<P >“这个零件不用模拟我也知道它在什么地方可能起皱、可能破裂！”<p></p></P>
<P >换一句说，“这个零件不需要模拟，一看就知道它在什么地方有缺陷。”经验丰富的工艺设计人员有资格提出这样的问题，因为他们已经有多个类似零件的设计和调试经验，积累了丰富的实际经验，但是在上面的提问中仍然用了“可能”两字，实际上还是不能确定在什么地方一定起皱、一定破裂，因此仅仅依靠经验还是不能完全解决零件成形过程中出现的各种缺陷。<p></p></P>
<P >冲压工艺是非常复杂的问题，每个零件都有自己结构方面的特点，工艺补充设计和压料面形状千差万别，板料的性能参数各不相同，还有冲压过程中的润滑条件、压边力大小、拉深筋设置等工艺参数也不相同，这些因素都或多或少地对零件的冲压工艺有一定影响，而且这些因素有时还是相互影响，仅仅依靠经验很难将这些因素全部或者综合考虑，因此在这些复杂因素中积累经验比较困难，积累的过程也都比较漫长，可能需要5年也可能是10年或者更长时间，而且大部分的经验是在失败的基础上积累起来，因此经验的积累需要付出很大的代价。然而，即使用这些逐渐起来的经验再去解决模具制造过程中层出不穷的新问题也将是非常困难的，因此经验只能在一定程度上解决一些问题，不能解决所有问题。<p></p></P>
<P >依靠经验不能解决的问题主要体现在以下几个方面：<p></p></P>
<P >（1）经验可以定性地给出解决问题的方法，不能定量地解决问题。例如利用经验调模时，采取的措施一般都是估计出来的，不能定量地给出润滑条件、压边力大小、拉深筋的半径和布置等等。<p></p></P>
<P >（2）经验可以解决成形过程中可见的缺陷，不适合解决不可见的缺陷。有经验的技术人员只能解决可见的破裂或起皱等缺陷，很难解决因塑性变形不充分引起的鼓动或微波纹等成形缺陷。<p></p></P>
<P >（3）经验不能优化工艺方案。影响成形的因素非常多，仅仅依靠经验很难将众多影响因素综合考虑，优化这些因素，得到一个比较优化的工艺方案。</P>
<H5 >2．CAE软件能解决所有问题吗?</H5>
<P >在国内模具企业往往过分依赖经验，过分依赖少数经验丰富的技术人员，这对于扩大生产规模和企业的长远发展都有很大的制约，而且一旦经验不足或经验出现偏差时，就会严重影响产品质量和生产周期。CAE作为一种虚拟的数值仿真技术越来越受到工程技术人员的重视，而且已经解决了传统经验无法解决的模具制造难题。<p></p></P>
<P >那么CAE软件能解决模具制造过程中的所有问题吗？答案非常明确：“不能。”<p></p></P>
<P >CAE作为一种新技术，具有自己独特的优势，它可以将实际试模过程在计算机上用数值模拟方法虚拟地再现，发现成形过程中产生的缺陷，并且可以在计算机上修改相应的工艺条件解决成形过程中的缺陷。但是CAE技术不是万能的，它不能解决板料成形过程中的所有缺陷，主要体现在以下几个方面：<p></p></P>
<P >（1）现有国外软件主要模拟拉延模的成形过程，对于修边模和翻边模中的问题还不能较好地模拟，使CAE软件的应用范围还比较窄，能解决的问题还比较有限。<p></p></P>
<P >（2）在有些问题上CAE软件的模拟精度还比较低。例如回弹问题，现有商品化软件都不能比较准确地预测冲压件成形卸载后的回弹量和修边后的回弹量。<p></p></P>
<P >（3）冲压件成形后表面光洁度、表面划伤等方面还不能模拟。<p></p></P>
<P >（4）CAE软件不能模拟模具间隙过小的情况。根据成形工艺的要求，有时会采取模具间隙小于板厚的成形方法，提高拉深或翻边的成形性，由于板料成形CAE软件一般都采用板壳单元，因此无法模拟这种成形工艺方法。</P>
<H5 >3．CAE软件的模拟结果100%准确吗?</H5>
<P >“完全依靠经验有时会有偏差，CAE软件的模拟结果就不会出现偏差吗?”很多技术人员都会提出这样的问题，答案非常明确：<p></p></P>
<P >“CAE软件的模拟结果有误差，有些情况模拟误差比较小，有些情况误差比较大。”<p></p></P>
<P >由于板料冲压成形是非常复杂的过程，因此数值模拟也非常困难，它涉及到变分原理和单元模型；板材的面内各向异性、应变强化、随动强化等材料物理模型；摩擦与润滑、拉深筋、压边力分布、坯料形状等工艺条件的模型化；坯料与模具间的界面接触判断与约束处理；以及所有这些模型的正确与有效实施。这些数学模型不仅要符合实际工艺情况，而且还要在数值模拟过程中很好地处理它们才可能得到比较准确的模拟结果，显然这是非常困难的。<p></p></P>
<P >数值模拟采用的都是简化的理想数学模型，与实际工艺条件之间或多或少都会有一些偏差，例如润滑条件、拉深筋等工艺参数都是考虑了主要影响因素建立起来的简化理想模型，这些主要影响因素可能在某些工艺条件下并不适合，会使数值模拟产生较大的误差。数值模拟采用的模具几何模型一般也是简化的理想模型，各几何模型之间的闭合度是100％，是非常理想的模型，而实际模具加工很难保证这样的闭合度，这对板料在模具间的流动，压边力和托料力的分配都会有一定影响。<p></p></P>
<P >传统商品化汽车覆盖件CAE软件主要以动力显式算法为主，代表性的软件有LS-DYNA3D和 PAM-STAMP 2G等，静力隐式算法主要有AUTOFORM。它们在理论方面有很多缺陷，由于动态显式算法是基于高速碰撞动力学原理建立起来的，难以真实地反映低于约0.5米/秒的实际压机冲头速度的影响，应力场的计算精度低，因而很难准确地预测板材成形后的回弹问题。动力显式算法还有一个比较大缺点是模拟复杂压料面的压边过程时误差非常大，而且这种误差对后继成形模拟也有很大的影响。AUTOFORM虽然采用静态隐式算法，但为了提高模拟稳定性和速度，它采用了特殊的薄膜三角形加弯曲效应修正，再加上一些人为特殊处理，使模拟精度也受到一定程度的影响。<p></p></P>
<P >由于这些理论缺陷和人为简化，使它们在实际使用过程中，一些参数的选择和设置就比较复杂，需要掌握一定的理论基础和积累一些模拟经验才能熟练掌握软件的使用，这也增加了CAE软件应用的难度，只有少数专业分析人员能够比较熟练地应用这些软件，才能发挥CAE软件的潜力，才能得到比较高的模拟精度，而一般技术人员则比较难得到精确的模拟结果。</P>
<H5 >4．CAE软件能取代经验吗?</H5>
<P >板料成形CAE软件在模具制造过程中的应用已经有十几年的历史了，尤其是在美国和欧洲的模具公司得到广泛的应用，把CAE软件作为解决板料成形缺陷的主要手段，解决了很多依靠经验无法解决的难题，大幅度地缩短了模具制造周期，提高了产品质量，已经把数值模拟作为一种规范写入工艺设计规程，有专门的部门负责这项工作。<p></p></P>
<P >那么CAE软件能取代经验吗？答案非常肯定：不能。<p></p></P>
<P >CAE技术虽然可以解决经验不能解决的问题，但是它能解决的问题还比较有限，在模具制造过程中很多工序还只能依靠经验去解决。工艺设计是模具制造过程中关键工序之一，它直接影响模具制造周期和质量，在工艺设计过程中主要依靠设计人员的经验制定工艺方案，CAE技术可以在工艺方案设计完成以后进行校核，验证工艺方案是否合理。如果工艺方案不合理需要进一步改进，技术人员根据CAE模拟结果和自己的经验对工艺方案进行修改，直到问题得到解决。<p></p></P>
<P >因此，CAE技术与经验是相互依赖的关系，CAE技术可以在模具加工之前就给工艺设计人员提供了详细的、定量的模拟结果，可以在计算机上进行模具调试，是一种虚拟实验技术，但是CAE软件仅仅给出了模拟结果，告诉技术人员冲压成形过程中会产生哪些缺陷，至于方案如何改进才能避免缺陷的产生，还要依靠技术人员的经验。<p></p></P>
<P >随着计算机技术的发展，计算机辅助工艺设计（CAPP）开始应用于模具设计过程，优化工艺设计。冲压工艺CAPP借助于CAE技术和计算机处理技术完成工艺设计及其信息的管理。CAPP的核心技术是基于知识工程（Knowledge Based Engineering，KBE）的专家系统和CAE技术，其中KBE是通过大量知识的积累、繁衍、推理和应用来优化工艺设计，知识的积累主要是经验的积累和总结，因此无论计算机技术和CAE技术发展的多么先进，都无法取代传统经验的作用。</P>

lyq1966

<P>纯属个人观点, 欢迎批评指正.</P>
<P>同时欢迎大家讨论.</P>

zqvip

丰害的工藝設計老手﹐當然有資格﹐﹐在這行經難是非常重要的﹐我對其它軟件就不太熟﹐哈﹐只用AtuoCAD PressCAD TwinCAD,

zqvip

lyq1966說的有理﹐寫的非常好﹐哈哈﹐[em17][em17]王者風范

phd33

<P>用CAE在目前看来，还是很费时的，而且软件本身就不是很便宜。</P>
<P>所以还是提倡技术人员积累经验先，然后在用软件模拟。</P>

x555x

用CAE在目前看来，还是很费时的，而且软件本身就不是很便宜。[em08]

lyq1966

<DIV class=quote><B>以下是引用<I>phd33</I>在2005-6-1 13:11:43的发言：</B><BR>
<P>用CAE在目前看来，还是很费时的，而且软件本身就不是很便宜。</P>
<P>所以还是提倡技术人员积累经验先，然后在用软件模拟。</P></DIV>
<P>错误,   用CAE软件会费时,  会比实际试模还费时?  看来你要进行CAE扫盲.</P>

chzw110

用CAE在目前看来，还是很费时的，而且软件本身就不是很便宜。如且冲压工艺方面也是很复杂的,单纯依靠经验或CAE都是无法解决问题的

chinahth

大家不要打击我哈，我正在学分析软件。公司里也出现有人觉得分析软件没有用，不过我个人觉得这个东东学学有利需无害，先有个定量的认识，再可以从分析中多个角度考虑由哪些原因造成哪些失败，让设计的人心里有个小底。

treeok

复杂的可以用一下，简单的就免了吧[em01]

lyq1966

<P>在FORD和GM, 板料成形过程模拟是模具工艺设计过程中的一道流程, 没有CAE分析和主管签字是不能进行后面的结构设计和试模的, 而且是每一个零件, 无论这个零件是否有难度.</P>
<P>在国内一汽, 二汽, 天汽等大的模具厂都有专门从事的板料成形模拟分析小组.</P>

xuanrong

<P>用CAE在目前看来，还是很费时的，而且软件本身就不是很便宜！两者结合会更佳的！</P>

lyq1966

<P>看来大家对数值模拟还不了解, </P>
<P>在中国革命的道路还很漫长.</P>

liyuanguang

<p>受打击了</p><p>cae的春天什么时候到来？</p>

菜鸟CAD

哈哈!我也正在学习呀!刚开始了一点!在这里受到挫折了![em06]

泽西刘

没有接触过，不知道怎么回事，只是在学校里面学过，不过老师上课，我梦周公公去了，呵呵

sufly

<p>cae是我们将来必定要走的路。</p><p>与其将来走，不如现在走。</p><p>但束缚还是很多的！</p>

dennis_fcb

<p>楼主的认识非常到位，我想修正其中一点：“CAE软件不能模拟模具间隙过小的情况。根据成形工艺的要求，有时会采取模具间隙小于板厚的成形方法，提高拉深或翻边的成形性，由于板料成形CAE软件一般都采用板壳单元，因此无法模拟这种成形工艺方法。”</p><p>事实上，使用体单元可以模拟这种工艺，目前的商业化软件已经具备了体单元模拟的能力。</p>

ykxxx215

板主现在盒形件两道拉伸可以模拟吗?

guitarist

<p>刚刚学习此类软件！三维体的初步展开，比人工展开省事。可以减少试料片的次数，具体成型分析还在学习中！！望高手多多指点。</p>[em04]