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在设计制造钣金冲压成形零件中采用虚拟冲压－板料成形模拟技术
内容提要：
介绍在设计、制造钣金冲压成形零件中采用虚拟冲压板料成形模拟技术的意义与必要性、该技术在国内外的发展现状、我们在该项技术上取得的研究进展，探讨该技术在我国的实现途径。
0、引言
钣金件即由金属板料制成的零件，在飞机中约占零件总数的1/2, 在卡车中超过总重量的1/2, 在轿车中达3/4，在其它行业也有较多的应用。钣金件的生产与应用，特别是汽车工业的发展,是一个国家工业化程度的标志。
自改革开放以来，我国汽车工业已发生了巨大变化，汽车年产量从1978年的15万辆跃增到1997年的157万辆。汽车工业已成为我国国民经济的支柱产业。但是与世界工业发达国家相比,我国全国一年的产量还不及一个国外大汽车公司的年产量。随着我国经济的发展和人民生活的提高,汽车将有一个很大的需求市场。国外多家汽车厂商已瞄准了我国这一市场。
一俟我国加入世界贸易组织（WTO）,我国的国内市场将成为国际市场的一部分。届时关税降低,国内汽车市场将面临进口车涌入的冲击。即使我们能获得有限的保护期，这一天也会很快到来。据5月27日《信息时报》报道，我国轿车工业在未来两三年内很可能再次下调20%，降至60-80%,以适应总体关税水平到2000年降到15%的要求。这表明今后我国汽车工业指望得到关税保护的力度将会越来越小。
世界工业发达国家汽车厂商为占有市场,几乎每年都有款式新颖、质量优良、性能先进、装饰舒适的新车型面市。除规模效益外，竞争取胜，要靠先进的科学技术，大力缩短改型换代的周期。
汽车钣金件的生产主要依靠模具来完成。在车型设计 模具设计、制造与调试 投产的整个周期中，模具设计制造与调试约占2/3的时间，成为制约汽车改型换代的主要因素。这是因为板料冲压成形过程是一个非常复杂的塑性成形过程，许多因素都直接或间接地影响着成形的结果。
经典的板料成形理论只能对如弯曲件、杯形件等简单钣金件的成形过程进行分析。对于如汽车覆盖件那样形状复杂的钣金件就显得无能无力。这使得汽车模具的设计迄今仍主要凭借设计员的经验和类比进行。
由于缺乏较准确可靠的定量分析与计算，致使设计制造出来的模具必须经过反复试压修改，有时甚至修改原产品的设计，报废重制模具后，才能冲出合格制件。这一过程导致了人、财、物、时间的巨大浪费。
为改变这种传统的经验与试错方法不适应汽车工业发展的状况，人们设想在模具投入制造前，能否在计算机上模拟冲压成形过程，即在虚拟环境下对所设计的模具进行分析。如果可行，再投入制造。
如果不行，再修改模具设计，甚至修改原产品的设计重新设计模具，重进行模拟分析，直至可行再投入模具制造。这样可以避免用实际制造出来的模具进行调试所带来的巨大浪费。这项工作又称为板料成形的计算机辅助工程分析(CAE)。
1、板料成形模拟技术的国内外发展现状
在汽车工业发展需要的牵动下，国外汽车厂商纷纷投入巨资开展该项研究工作。随着有限元技术的发展及计算机技术的不断进步，世界工业发达国家相继开发出一些用于钣金件成形过程分析的成形模拟商品软件，应用较广的著名软件有：
1）美国Lawrence
Livemore国家材料实验室Hallquist教授主持开发的LS-DYNA3D软件。
DYNA3D是它的早期版本。
2）法国ESI公司的PAM-STAMP软件。
3）法国DYNAMIC
SOFTWARE公司的OPTRIS软件。它是在PAM-STAMP基础上推出的。实际上后两种软件也都是在DYNA3D基础上发展起来的。他们都采用动态显式算法。美国Lawrence
Livemore国家实验室还开发了采用静态隐式算法的LS-NIKE3D软件。此外还有美国的DEFORM、MARC，德国的AFORM与INDEED，日本的ITAS3D等。
据美国Cray公司从事板料成形研究的Wu博士97年夏来华讲学介绍，几年前人们对板料成形模拟技术还持怀疑态度。随着这一技术不断成熟与推广应用所带来的巨大经济效益,
现在已到了离不开它的地步。在美、欧、日，成形模拟已成为工业设计钣金件必不可少的一环。美国福特汽车公司规定所有的汽车覆盖件及其成形模具设计方案都必须经过成形模拟验证通过以后方能投产加工。在东南亚、台湾、韩国等一些中小企业也越来越得到广泛的应用。
我国汽车模具工业远远落后于世界工业发达国家。仅像一汽、二汽等少数几个厂家具有有限的自行设计制造模具能力。为满足发展汽车工业对模具的需要，仅七五期间头两年就引进了九个半车型模具，耗资2.05亿美元。1994年共进口模具7.65亿美元。其中最多的是制造汽车和家电用的大型复杂冲压模具。八五期间新上的汽车生产线都是依赖于花费大量外汇进口模具。
为提高我国产汽车的市场竞争力，坚持资产重组提高规模效益外，必须尽快提高自行设计开发能力，不断开发适应市场需要的新车型。我们必须从根本上改变依赖进口模具的状况，实现模具设计制造的国产化。
就目前来看，对于汽车模具的CAD/CAM这一关键，虽通过引进已基本掌握其中曲面造型与数控加工技术，但是模具设计却步履维艰，远远不能适应生产发展的需要。在世界工业发达国家各大汽车公司以至中小企业已较普遍采用板料成形模拟技术的形势下，我国几乎仍采用凭经验与试错方法设计制造模具。近几年国内一些高校相继开展关于成形模拟技术的研究。
据不完全统计，有北航熊火轮(1990)、华中理工大董湘怀(1991)与吴勇国(1995)、哈工大郭刚(1994)、吉林工大柳玉起(1995)与柳泽(1997)、湖南大学徐康聪(1995)、北京理工大马幼鸣(1997)等攻读该课题的博士论文，推进了国内在该领域的研究进展。
但由于板料冲压成形模拟需要用到大塑性变形的弹塑性有限元，课题综合难度很大，大多仍处于起步阶段。研究进展与所在课题组坚持不懈攻关和获得经费支持及合作不无关系。吉林工大胡平教授的课题组取得吉林省和国家自然科学基金的支持，取得较大进展。
北航施法中教授与一汽冲压专家黄迪民副总师的课题组合作承担了国家863课题，取得国家863和一汽的大力支持，在短短两年内，也取得较大进展。又柳泽博士在攻读博士论文期间，取得一汽的支持，一头扎到一汽，利用一汽的硬软件条件，取得实际研究进展。
与此同时，国外的成形模拟商品软件OPTRIS、PAM-STAMP等已开始进入我国市场。但由于这类软件远比CAD/CAM软件难以掌握，而在国内代理商又缺乏培训条件与售后服务，致使个别厂家购买了也用不了，只好闲置起来。
只有技术实力雄厚的一汽与北航等高校合作，成功地开始了成形模拟技术的试验性应用与实际试用。上海大众汽车公司引进德国的AFORM与INDEED软件，也开始起步。不仅在汽车行业，而且在飞机、摩托车、 机车车辆等其它行业的一些厂所与高校也相继已经或正在考虑引进国外板料成形模拟软件。
2、我们的工作过展
原北航703教研室在国内较早开展CAD/CAM理论与实践的研究。自从与一汽合作承担863预研课题后，在一汽提供硬软件的大力支持下，96年又引进法国Dynamic Software 公司推出的OPTRIS虚拟冲压软件，由此开始了从覆盖件的CAD造型到冲压成形模拟的计算机辅助工程分析（CAE）的研究。
我们同时开展了两个方面的工作：引进软件的掌握应用与自行研制开发。
引进国外先进软件，将它用起来发挥实际效益是第一目的，其次作为学习借鉴。由
于OPTRIS软件在我国销售刚刚起步，当时国内尚不具备培训条件，而代理商所能提供的售后服务极为有限。为了发挥硬软件资源的潜力，我们只有依靠自己不断地实践摸索。对引进的OPTRIS虚拟冲压软件,通过消化资料,理论探索,实际试用，我们逐步熟悉和掌握了软件的功能,并积累了一些使用经验，也了解到国外成形模拟软件还存在的一些不足之处。
我们首先做通了两个实例,接着对一汽的CA488发动机油底壳、某冰箱隔板、飞虎车灯罩、机车车辆厂的货车门板等进行了验证性应用和试用。实践表明，模拟结果与实际是基本符合的，一般情况下能满足工程要求。这逐渐消除了有关厂家对此抱有的怀疑态度，为开展实际试用打下了基础。
我们并受软件代理商的委托，为客户提供了培训服务。我们体会，掌握该软件，要求用户具有一定的CAD、网格划分、弹塑性有限元、计算机软件应用、板料成形理论基础与实践经验、冲压成形模具设计等多学科综合知识，否则将会遇到较多的障碍。
怎样让这样的软件为更多实际工作人员，特别是冲模设计员所掌握，达到真正对工业生产发挥实际效益？软件代理商提供出国培训不仅增加用户负担，效果也受限制。靠我们自己互相带动不失为一条途径。
在吸取国内外理论研究成果、理论攻关和学习借鉴国外引进软件的基础上，我们自行研制开发了包括前后置处理与弹塑性有限元分析程序的金属板料成形模拟原型系统。系统在研制过程中遵守软件工程规范，采用结构化程序设计方法。源代码采用标准C语言编写。
运行硬软件环境为SGI R4000 工作站和IRIX操作系统。系统由前置处理模块、有限元分析计算模块与后置处理模块三大模块组成。每个大模块又由多个功能模块组成。数据在各大模块间的交换既可采用本系统自定义的格式也可采用NASTRAN格式进行。
原型系统已具备如下主要功能：
1）对形状简单的板料进行网格划分等前置处理工作；
2）NASTRAN格式网格数据的输入和通讯；
3）可以混合使用三边形和四边形单元；
4）可以使用各向同性与各向异性材料；
5）包括Prandtl-Reuss理论和胡平拟流动理论的材料本构关系；
6）三维边界条件的施加和处理；
7）大变形弹塑性有限元的计算；
8）能模拟起皱、破裂成形缺陷；
9）显示金属板料的三维有限元网格变化图；
10）对成形结果进行光照处理并给出动态显示；
11）给出成形过程中各阶段的应力应变分量以及等效应力应变的彩色云图显示；
12）可对成形结果显示进行放大、缩小、平移、旋转等几何变换；
13）生成成形极限图；
14）重起动功能。
第二项功能提供的接口，使得该系统能接受采用不同的CAD软件系统进行几何造型和网格划分所给出的NASTRAN格式输出的数据。我们实际就采用了Euclid3软件进行了几何造型和网格划分,然后用NASTRAN格式输出。
通过该接口输入本系统。用该原型系统我们先进行了方板对角拉伸、圆形板料在半球形冲头下胀形的模拟。模拟结果与实验结果良好地符合。接着进行了杯形件、盒形件等典型件的冲压成形过程模拟，模拟结果与同类国外软件、资料基本相符。
又模拟了NUMISHEET’96标准考题S形轨道件，模拟结果与资料基本一致。最后用原型系统实现了一汽捷达轿车前门外板的成形过程模拟。这些表明该原型系统已基本能够模拟类似车门的中等复杂程度汽车覆盖件和其它冲压成形件的冲压成形过程。
但从总体上来说，我们还只是做了有限的工作。不仅系统功能有待进一步扩充完善，要实现产品化，更有大量的工作要做。
3、我国采用板料成形模拟技术的途径
如上指出，引进国外成形模拟商品软件存在缺乏培训与售后服务外，还存在要价高昂的问题。
据了解一套软件要价都在10-20万美元。花了这么多外汇买了，还往往用不起来。对一般用户来说，引进的国外成形模拟软件资料难以掌握。软件在某些方面并不适合我国国情。中国这样的泱泱大国，少量引进国外软件是必要的，但不能依赖引进，受制于人。
国内有识之士中国科协主席周光召最近指出，光靠引进与模仿没有出路，要培养人才群体的创新能力。国内企业呼唤、期盼具有自主版权的国产成形模拟软件早日推出。这些都激励我们在学习借鉴引进软件基础上自行开发我国自己的成形模拟软件。经过近三年的研究积累，我们自信有能力开发适合我国国情的软件。
在吸收国内外理论成果和先进技术的基础上，走我国自己的创新之路，滚动开发，我们完全能够推陈出新，不断提高我国产软件的水平和市场竞争力。关键在于组织和必要的投入。
我们应该集中优势的人力、资金与设备，组织具有优势的高校、大型企业与科研单位联合攻关。时不待人，我们不能象CAD/CAM那样，到国外软件已抢占了我国市场再引起重视，那就很被动。要特别抓紧时间，尽快研制开发出国产成形模拟软件。以满足我国汽车和其它行业钣金件冲压成形模具国产化和提高市场竞争力的迫切需要。
对该技术有大量需求又急需的国内大型企业不妨少量引进成形模拟软件，要尽量发挥引进资源的潜力，使之真正见到实效。
中小企业一般地不必走引进国外模拟软件之路，以节省硬软件投入。可与国内用得好的单位合作，让其提供技术服务。待国产软件推出后，可考虑购进。
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