CAD/CAE技术在模具设计中的实战应用

摘 要：模具行业试国家工业发展的重要基础行业，各种先进技术应首先应用于模具行业，CAD/CAE技术作为一项重要的技术手段，正越来越广泛地在模具行业得以应用。本文阐述了CAD/CAE技术的发展历程，以及在模具结构设计和分析过程中的一般应用形式，阐述了CAD/CAE技术的应用中的发展趋势。
关键词：模具设计；CAD；CAE

随着科学技术的不断进步和社会的高速发展，产品更新换代越来越快。无论是工业产品还是家电产品，大多数应用模具成型。因此，产品对模具的精度要求越来越高、越来越普及。由于模具是典型的技术密集型产品，为了表达清楚设计意图，设计人员必须花费大量的时间来绘制模架、顶杆、滑块等结构相对固定的零部件。目前，CAD/CAE的发展，为广大模具设计人员提供了方便。特别是近几年来，模具CAD/CAE技术发展很快，应用范围日益扩大，并取得了可观的经济效益。

1 模具CAD/CAE的基本概念

CAD：（Computer Aided Design）是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行总体设计、绘图、工程分析与技术文档等设计活动的总称，是一项综合性技术。

CAE：(Computer Aided Engineering)即计算机辅助工程技术，是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现模具优化的主要支持模块。对于模具CAE来讲，目前局限于数值模拟方法，对未来模具的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷。

2 CAD/CAE技术的发展过程

2.1 CAD技术的发展过程

（1）20世纪50年代后期至70年代初期，此阶段为初级阶段——线框造型技术。
（2）20世纪70年代初期至80年代初，此阶段是第一次CAD技术革命——曲面（表面）造型技术。
（3）20世纪80年代初期至80年代中期，此阶段是第二次CAD技术革命——实体造型阶段。
（4）20世纪80年代中期至90年代初期，此阶段是第三次CAD技术革命——参数化技术。

参数化设计是用几何约束、工程方程与关系来定义产品模型的形状特征，也就是对零件上的各种特征施加各种约束形式，从而达到设计一组在形状或功能上具有相似性的设计方案。目前能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系，故参数化技术又称为尺寸驱动几何技术。

（5）20世纪90年代初期至今，此阶段是第四次CAD技术革命——变量化技术。

变量化设计（Variational Design）是通过求解一组约束方程组，来确定产品的尺寸和形状。约束方程组可以是几何关系，也可以是工程计算条件。约束结果的修改受到约束方程驱动。变量化技术既保持了参数化原有的优点（如基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等），同时又克服了它的许多不利之处（如解决实体曲面问题等）。应用变量化技术具有代表性的软件是SDRC/I-DEAS。

2.2 CAE技术的发展过程

（1）在20世纪60～70年代处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析。
（2）20世纪70～80年代是CAE技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件，软机的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用以及磁盘空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。
（3）20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展。
目前，CAE软件系统的一个特点是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成零件或装配部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算或进行结构动力学、运动学等方面的计算，如果分析计算的结果不符合设计要求则重新修改造型和计算，直到满足要求为止，极大地提高了设计水平和效率。

3 CAD/CAE技术在模具设计中的应用

传统的模具设计是经过概念设计—分析—样品生产—分析—设计—分析—生产——这样繁杂的过程后才最终确定那些复杂的模具原形。随着计算机的发展，CAD/CAE技术逐渐取代了传统的模具设计理念和设计方法，这种技术使得模具在进行真是的生产（包括样品生产）之前就已经通过了计算机应用软件进行了精确的结构设计、结构分析以及成形仿真过程。

3.1 CAD/CAE技术和模具结构设计

模具机构设计应用相应的CAD软件，根据要实现的功能、外观和结构要求，先设计草图，然后生成相应的实体，接着子装配和总体装配，仿真模具开模过程，检查干涉情况，并进行真实渲染。整个过程也可以从上到下进行修改，每个过程的参数都可以改变，并可以设定参数间的关联性。

（1）草图重建技术

草图设计是整个模具设计的基础。现在的草图重建技术已经发展的非常成熟，这种技术是模具设计人员用二维和三维设计草图进行三维建模的关键技术。这种技术能够对草图的各个尺寸和相关的约束进行修改和重建。目前草图重建技术已经比较成熟，一些大型的CAD/CAE软件系统如Pro/Engineer、UG等都提供草图设计模块。

（2）曲面特征设计

随着人们对产品质量和美观性要求的不断提高，又由于曲面特征具有的诸多有点，在产品外形设计重，曲面特征设计成为模具设计的一个重要部分。目前CAD业界涌现出一批像EDS的UG、PTC的Pro/Engineer等等一系列的优秀的CAD软件，它们的三维实体建模、参数建模及复合建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征技术为模具设计提供了强有力的工具。

（3）变量装配设计技术

装配设计建模的方法主要有自底向上、概念设计、自顶向下等三种方法。自底向上方法是先设计出详细零件，再拼装产品。而自顶向下是先有产品的整个外形和功能设想，再在整个外形里一级一级的划分出产品的部件、子部件，一直到底层粗糙的零件。在模具中，由于有些模具的结构非常的复杂，在模具设计时只有采用自顶向下的设计方法，变量装配设计才支持自顶向下的设计。

变量装配设计把概念设计产生的设计变量和设计变量约束进行记录、表达、传播和解决冲突，以满足设计要求，使各阶段设计（主要是零件设计）在产品功能和设计意图的基础上进行，所有的工作都是在产品功能约束下进行和完成。变量装配技术也是实现动态装配设计的关键技术，所谓动态装配设计是指在设计变量、设计变量约束、装配约束驱动下的一种可变的装配设计。

（4）真实感技术

真实感技术是应用CAD软件本身具有的渲染技术，赋予已经设计出来的模型诸如颜色和材质属性，在不同外部条件（如光线）下观察模型的外观是否达到原先所设想的美观性要求。如AUTOCAD的“渲染”模块和UG重的“VISUALIZATICN”子命令等

3.2 CAD/CAE技术和模具结构分析

模具设计已经不仅仅停留在对外观和结构的设计上，它已经扩展到对模具结构分析的领域。对已经设计出的模具，运用CAE软件（尤其是有限元软件）对其进行强度、刚度、抗冲击试验模拟、跌落试验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析。通过分析检验前面的模具结构设计是否合理，分析出结构不合理的原因和位置，然后在CAD软件中进行相应的修改，接着再在CAE软件中进行各种性能检测，最终确定满足要求的模具结构。

基于有限元分析软件的应用，关键是网格的划分、模拟计算方法和成形接触处理等。此外，提供给软件进行CAE分析的数据也尤为重要，生产条件、设备性能、产品要求、材料特性等都将给模具的CAE分析的准确性带来影响。

（1）强度和刚度分析

强度和刚度是模具设计中最重要的一项性能要求。运用CAE技术，通过对模具施加约束和载荷等外部条件来模拟模具的真实应用情况，分析模具的强度和刚度是否达到规定要求。模具CAE技术经过短暂的时间已经用在注塑模、压铸模、锻模、挤压模、冲压模等模具的优化，并在实际中指导生产。在工程实际中，一般应用ANSYS、ALGOR、DEFORM等进行分析计算。

（2）抗冲击试验模拟

CAE技术能够用于分析随时间变化的载荷如交变载荷、爆炸与冲击载荷、随机载荷和其它瞬态力等对结构的影响。如CAE技术对瞬态分析、模态分析、谐波响应分析、响应谱分析和随机振动进行分析，为分析产品在特殊与恶劣的环境和工作条件下的物理响应、可靠性与耐用性等提供了完整的评估与解决方案。

（3）跌落试验模拟

CAE技术也可以用于分析结构由于碰撞或跌落产生的力、变形、应力、位移、振动响应、产品的结构强度、联接设计，刚度性质、抗冲击性能、防爆性能及整个系统工作稳定性和完整性做出定量评估。

（4）散热能力分析

现在的CAE技术可以模拟模具中的温度分布，通过模拟大功率电子元件产生的能量以及通过传导、对流和辐射散发出的热量来确定模具的热分布，然后再对各种材质模具的散热能力进行初步分析。

（5）疲劳和蠕变分析

在模具设计中，对于那些可能在集中载荷、循环载荷和常值位移作用下的模具，或处于低温或者高温条件工作的模具产品，进行初步的疲劳分析和蠕变分析是非常必要的，这种分析不需要考虑外部的每一个条件，但是这种分析的结果具有很大的参考价值，如果出现不合理的情况，就可以重新进行设计，避免后面不必要的设计和分析。例如：ANSYS专用的疲劳分析软件模块FE-SAFE就可以实现各种材料模式下进行高低温环境和长期载荷作用下的变形和失效问题的研究。

3.3 CAD/CAE技术和模具成形仿真

模具成形是一个非常复杂的过程，有非常多的影响因素，因此对于复杂结构的模具就需要进行成形仿真，检验前面所设计的模具在成形时的强度和刚度是否达到要求，只有满足了成形要求，初步设计工作才最终完成。

（1）冷冲压成形

冷冲压模具主要用于金属和非金属材料的冷态成形。通过仿真，CAE技术可以检测成形过程中模具材料的强度水平是否达到要求，热处理是否发挥了模具的强韧性等。

（2）热作成形

热作模具用于高温条件下的金属或非金属成形，模具是在高温下承受交变应力和冲击力，工作成形温度往往较高，对于金属模具还要经受高温氧化及烧损，在强烈的水冷条件下经受冷热变化引起的热冲击作用。热作模具作为热加工的成形工具，被广泛的应用于各类压铸模、挤压模、注塑模、热压模和锻模中。

4 CAD/CAE技术在模具设计中的发展方向

模具CAD/CAE技术在传统的应用基础上还要不断的适应新的环境和新的挑战，寻求新的发展。

（1）逐步提高CAD/CAE系统的智能化程度。人工智能是计算机的几大功能之一，将人工智能引入CAD/CAE系统，使其具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，从而达到设计自动化的目的。目前提高智能化程度的路径有两条：一是继续研究专家系统技术的应用；二是开展KBE（基于知识工程）技术的研究，主要是开发基于KBE的专用工具，如UGII中的KF（Knowledge Fusion）。

（2）研究模具的运动仿真技术，即冲模的冲压过程与注射模的运动仿真。因为冲模与注射模的结构复杂，在冲压与注射过程中，一些模具零件的运动难免产生干涉现象，特别是级进模还可能存在条料运动与模具运动的干涉，而在设计中这些现象难以发现，故只有采用仿真技术在计算机上显示其运动状态，即时改正错误的设计，以避免生产中出现问题。

（3）协同创新设计将成为模具设计的主要方向，制造业垂直整合的模式使得世界范围内的产品销售、产品设计、产品生产和模具制造分工更明确。模具企业间通过Internet网络进行异地协同设计和制造。根据企业自身的信息化程度和企业间合作的层次不同，采用的技术手段和方案有很大不同。

（4）模具CAD技术应用的ASP模式，将成为发展方向。由于当今模具行业已经成为高新技术最密集的行业，任何企业都不可能拥有全部最新出现的技术，因此将出现CAD技术应用的ASP模式，即产生各种专门技术的应用服务单位，为模具行业的各个企业提供技术服务，应用服务包括逆向设计、快速原型制造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等诸多方面。

（5）基于网络的模具CAD/CAE集成化系统将深入发展。现代CAD/CAE系统已经实现了从单机到局域网的转变，目前正在与企业的Intranet整合。在企业行为国际化的大潮下，在Intranet的大环境下建立CAD/CAE系统不久将成为现实。

模具CAD/CAE系统的高智能化程度也会大大提高。在智能化软件的支持下，而今的模具CAD/CAE技术不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是再先进设计理论的指导下，充分运用本领域专家的丰富只是和成功经验，其设计结果必然具有合理性和先进性。

5 结论

随着科技的不断进步，制造业正向数字化、全球化、网络化的方向发展，产品的生命周期越来越短，新产品的上市速度越来越快。模具是制造业的基本工艺设备，模具设计的、制造的效率对产品的开发效率有决定性影响。因此在模具设计的过程中，利用先进的CAD/CAE技术进行模具设计省事、省力，而且最为重要的是保证了成型后制品的准确性，减少了试模的次数，缩短了模具的设计及生产的周期。

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