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重庆理工大学毕业论文 文献综述
《汽车覆盖件模具CAD/CAE技术研究》的文献综述
10709010220 马帅帅
摘 要：针对当今汽车模具行业的现实情况，总结汽车覆盖件模具CAD一般流程，开发了基于UG的汽车覆盖件模具CAD系统.对汽车覆盖件模具设计流程中的其它部分，提出了在UG中的具体操作方法。对汽车覆盖件成形CAE技术进行研究,阐述汽车覆盖件模拟的关键技术。结合美国EDS公司的UG软件，开发一套在功能上实用、可行的汽车覆盖件模具CAD系统，并以板料成形非线性有限元分析软件eta/DYNAFORM为平台，实现了汽车覆盖件模具CAD/CAE一体化。
关键词 ：汽车覆盖件 模具 CAD/CAE 一体化
Research on CAD/CAE Technology of Automobile Panel Die
Abstract:Aeeording to the reality of automobile die industry nowadays,The dissertation summarized the common CAD designing proceess of automobile panel die,and developed a CAD system of die design for automobile panel based on UG. Aiming at other aspects of CAD process about automobile panel die，specific operation methods based on UG were suggested. The dissertation studied CAE technology for automobile panel die,and described the key technology of numerical simulation in automobile panle forming process. Using the software UG which is developed by EDS in the US,the dissertation found a practical and feasible CAD system of die design for automobile panel,and used thenonlinear finite elements analysis software DYNAFORRM as a platform to simulate the sheet metal forming process.The integration of CAD/CAE technology in automobile panel die has also been implemented.
Key words: automobile Panel die CAD/CAE integration
1.引言
首先，对于汽车覆盖件模具设计来说，汽车覆盖件需要做大量的工艺处理，且曲面形状复杂，一般的CAD软件造型和设计起来都比较复杂和困难，且CAD软件不能使模具设计师的知识和经验与CAD软件有机的结合起来。所以现有的CAD商业软件均需要做大量的二次开发，将己有的模具设计专家知识集成到CAD软件中。其次，覆盖件的成形涉及到复杂的弹塑性变形，其规律到现在还没有被完全掌握。在我国生产中对覆盖件成形性的分析、对模具设计结果的评估仍然以几何计算和经验类比为主要手段，无法保证设计结果的合理性和有效性，有时甚至存在着推翻原设计方案，重新设计的可能性。因此，运用CAE分析软件，显得尤为重要。即使已经运用CAE分析软件的企业，有的也存在着CAD设计人员与有限元分析技术人员之间缺乏沟通，不能很好地了解对方的设计意图和目的，各自为战，设计效率不高的问题。
最后，有的CAE软件中的CAD设计功能存在的主要问题是曲面精度较差，影响了模拟结果的精确性，特别是曲面形状复杂的汽车覆盖件，而且这种曲面不能够直接用于加工，需要再返回到CAD软件中进行曲面重构才能进行汽车覆盖件模
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具的设计和模具的加工制造。
针对汽车覆盖件模具存在的主要问题，以缩短模具开发周期，提高模具设计生产效率为主要目的，结合美国EDS公司的UG软件，开发一套在功能上实用、可行的汽车覆盖件模具CAD系统，并以板料成形非线性有限元分析软件DYNAFORM为平台，实现汽车覆盖件模具CAD/CAE一体化技术。汽车覆盖件数模导入CAD系统后，运用开发的CAD系统完成工艺方案的确定，包括曲面重构、确定冲压方向、展开翻边确定修边线的位置、内孔填充、压料面的添加、工艺补充面部分的参数化设计、拉延筋的设计等，初步生成模具型面;在这个过程，反复结合CAE分析软件DYNAFORM，根据模拟结果找出问题，提出对策，返回CAD系统修改，最终确保工艺方案的可行性;运用CAD系统完成覆盖件模具凸模、凹模、压边圈三大件工作部分的设计，为了保证模具的加工精度要求，对模具工作面添加必要的加工余量，生成铸件模具。
2.汽车覆盖件模具三维CAD设计理论
最初，覆盖件模具采用二维CAD设计，虽然它符合工程设计上传统的绘图习惯，但在设计过程上存在如下问题：
（1）容易产生模具结构干涉、难以用数字化描述复杂的模具型面。
（2）识图困难，由于二维图纸采用多向视平面图描述模具结构，造成线条重叠，
图纸难认，对技术人员和工人的读图能力要求很高。
（3）非常不直观，且易出现二义现象，造成不必要的错误和浪费。
（4）不容易保证设计的正确性，结构和强度校核困难。如不易做下面的校核：装
配设计、干涉检查、运动分析、动态仿真。
（5）采用二维设计方法，许多几何问题必须通过试验才能解决，从而延长了模具
的制造周期，增加了制造费用。 （6）不容易实现设计数据的数字化传递。
从设计的观点来看，人们头脑中所构思的设计对象是三维实体，因此，直接用三维实体形式来描述设计对象是最直观、方便省力的设计方式。覆盖件模具采用CAD三维设计有如下特点：
（1）模具三维设计可以提供完整的覆盖件数据，以适应不同应用的需求，如二维
／三维关联绘图。
（2）可以根据需要将模具三维数据生成工程图纸；利用三维几何数据可以产生高
度真实感照片，提供市场部门、客户、供应商使用；可以在互联网上预览模具结构，例如使用UG的VRML格式可以实现在公司内部网页上浏览模具结构。 （3）三维模具数据可以直接传递给制造部门进行数控加工编程；可以提供给专用。 （4）程序进行有限元分析，三维产品数据可以输出至快速成型设备，制作样品等
等。
（5）三维模具设计系统不仅具备零件设计功能，而且具有装配设计、图纸设计功
能及与设计相关部分如标准件及各种专用零件库。 （6）借助计算机完成产品设计与制造的相关分析，如结构性分析、可装配性分析、
干涉检验、物性计算等等，以保证制造实施可行性。
（7）利用三维设计，可以降低模具结构开发风险，提高模具设计效率。同时与
internet技术配合使用，进行设计过程的协同。
建立三维实体模型不仅能够更直观、更全面地反映设计意图，而且3D设计还具有处理二维图和实物模型的能力。同时，也能做到在产品的设计、计算分析、制造等各个环节上实现数据共享，在三维模型的基础上还可以进行虚拟装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级的计算机辅助设计工作。图2-1所示是应
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用三维CAD技术的典型工作流程。综上所述，从二维转向三维是CAD技术应用的必然。
图2-1 三维CAD设计流程
3.汽车覆盖件成形过程数字模拟
冲压成形的数字模拟是利用有限元理论为核心，按照给定的模具几何条件、材料特性、边界条件和加载过程计算板材内应力、应变分布，结合失效原则对覆盖件成形的可行性进行验证。
3.1覆盖件成形过程数字模拟流程设计
成形过程数字模拟流程框图如图3-1所示，目的是预测零件在冲压成形过程中的缺陷产生，优化产品三维数模设计，确定排除缺陷的工艺措施，从而提高产品的设计水平。通过覆盖件拉延成形数字模拟，输出拉延零件的最终形状、压料力和拉延力的大小，可供模具调试使用，有利于提高加工模具的设计和制造质量。 3.2覆盖件成形过程数字模拟方法及步骤 a．CDA软件进行产品几何建模。
基于车身覆盖件形状的复杂性，一般应用大型CDA软件(UG、Pro／E、CATlA等)，采用逆向工程技术建模。如果要十分准确地描述覆盖件的各个细节，会使建模数据庞大，降低计算效率。因而在几何建模时可以去除部分无关大局的几何细节。根据冲压成形综合工序图建立三维数模，输出诸如*． igs文档；为使后续有限元分析更接近实际冲压过程，应将数模旋转与冲压方向一致，并且使模具中心与实际坐标原点相同。 b．建立网格模型。
使用网格生成软件时(如DeltaMesh、MedinaHyperMesh、Dynaform等)，网格单元的类型和尺寸选择对数字模拟结果的可靠性和实用性影响很大。较小的网格单元的几何描述准确性高，成形过程模拟精度高，而计算时间大大增加。对小型覆盖件最小网格单元选择2mm×2mm左右，大型覆盖件最小网格单元选择5mm×5mm，一般能得到满意的模拟结果。选择合适的单元类型，生成凸模、凹模、压边圈和坯料的有限元网格，并对产品数模进行几何清理，如删除重复面、消除间隙、补充丢失面的孔洞；再分别输出凸模、凹模圆角及压边圈的有限元模型文档。 c．导入建模数据至冲压成形数字模拟软件。
Autoform Abaqus、 ETA／Dynaform 、PAM—STAMP、Optris是通常使用成形数字模拟软件，对拉延、翻边、弯曲、胀型等工序的模拟已经达到很高的准确性。以Autoform软件为例，将产品建模*igS文档输入到AutoforlTl，如存在尖角，
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则可用Autofon11的倒圆功能自动消除；如存在副角面，则要作适当的旋转或在CAD软件中作修改处理。分清所输入的*．igs文档所表示的产品面的方向，定义凸模、凹模、压边圈的接触类型和参数。 d．导入坯料尺寸数据。
坯料的形状可以从Autoforrn中直接输入，也可在CAD软件中绘出，再通过*.igs文档输入。对于对称件，只需输入一半尺寸的坯料，在对称面上添加对称约束。工艺孔的曲线要另外输入。 e．定义和导入产品材料数据。
在Autoform材料库中输入所选择拉延坯料的材料牌号，材料的性能指标如屈服强度σs、强度极限σb、硬化指数n、各向异性指数r等数据，并纳入到企业材料数据库中。
图3-1 成形过程数字模拟流程
f．建立拉延筋模型。
在用CAD软件建模时，要考虑建立拉延筋模型，选择拉延筋类型，确定截面形状参数，确定在压料面上的中心线位置和凸起方向，生成拉延筋形面。Autoform中使用等效拉延筋可以克服真实拉延筋所带来的不便，只要将拉延筋中心线的*.igs数据输入，选择恰当的阻力形式，并输入拉延筋宽度即可完成。 g．定义合适的摩擦状态。
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表明摩擦状态的参数是摩擦系数，润滑是减少摩擦对板材成形过程不良影响的最佳措施。板材、模具系统摩擦状况的影响因素有：润滑液膜厚度、板材表面粗糙度、模具表面粗糙度、压力、压力面积、滑动速度等。在成形过程数字模拟时，摩擦系数和润滑状况的合理表示直接影响到模拟结果的准确性。使用Autoform时，有润滑一般取摩擦系数0．05，无润滑取0．15，板材表面粗糙度取0．25。一般优先选取摩擦系数0．15。通过冲压成形数字模拟计算，能够得到整个冲压过程动态的结果，可以观察从重力作用开始到压料、拉延的全过程中有无波纹、叠料、起皱、破裂等现象，并能得到关于料厚、应力、应变的云图及拉延力、压边力的相关报告。
4.汽车覆盖件模具CAD/CAE关键问题-一体化技术
所谓汽车覆盖件模具CAD/CAE一体化技术，是一种新兴的经济高效的综合性计算机应用技术，它以计算机为主要设备，以覆盖件的数学、力学模型为依据，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成模具设计、成形模拟、分析评价中的各项活动。该技术在国外的模具企业中已很普及。本文运用开发的汽车覆盖件模具CAD系统，通过对零件数模进行必要的工艺处理、确定冲压方向、添加压料面、搭建参数化工艺补充面，初步生成模具型面。导入DYNAFORM中进行模拟，以验证其合理性，根据模拟结果找出问题，提出对策，返回CAD系统修改，最终确保工艺方案的可行性。再运用CAD系统完成覆盖件模具凸模、凹模、压边圈三大件工作部分的设计，并对模具工作面添加必要的加工余量，生成铸件模具，以利于后续模具的数控加工，具体流程如图4一1所示。
将开发的汽车覆盖件模具CAD系统与CAE分析软件DYNAFORM相结合，实现汽车覆盖件模具CAD/CAE一体化技术，其优越性如下:
(1) 充分利用CAD的参数化和数字化技术，大大缩短了系列化产品模具开
发周期，节约了大量时间，而且大大降低了废模率。CAD参数化技术便于建立基于模具设计的产品模具开发平台。
(2) 部分CAE软件的设计压料面和工艺补充面的CAD设计功能存在的主要问题是
曲面精度较差，影响了模拟结果的精确性，特别是曲面形状复杂的汽车覆盖件，而且这种曲面不能够直接用于加工，需要再返回到CAD软件中进行曲面重构。通过开发的CAD系统进行模具型面处理可以避免这些问题。
(3) 整个过程全部基于计算机平台进行，杜绝了人为误差，将试验开支降到了最
低点。
(4) 产品零件以及模具三维模型型面可以直接调入CAE系统中进行模拟分析，避
免了实际试模时可能出现的产品外观缺陷以及力学缺陷。
5.结束语
随着我国经济的发展与工业的进步，作为国民经济支柱产业的汽车工业得到了长足的发展。作为汽车车身制造的关键装备一汽车覆盖件模具受到越来越高的重视，汽车覆盖件模具的设计质量直接影响到汽车车身的质量，设计周期决定着汽车改型换代的快慢。同时面对国外汽车公司本土化的激烈竞争，我国汽车制造业，将面临严峻的挑战，传统的覆盖件模具设计方式已无法适应激烈的市场竞争要求和覆盖件产品的更高要求。而在车身设计中采用CAD/CAE一体化技术，是发展汽车工业的必然趋势。因此，系统地、深层次地展开此方面的研究对我国汽车业的发展具有十分重要的现实意义。
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