模具专业外文翻译-板料成形中有限元仿真及相关技术的研究进展

附件 1：外文资料翻译译文 板料成形中 有限元 仿真 及相关技术 的 研究进展 1 理研和光材料制造实验室 ，日本 2 法国国家科学研究中心，法国 3 京大学，六本木，东京都港区，日本 摘要 本文概述了 汽车制造商和钢板供应商采用 的 板料成形 仿真 及相关技术的 现状 。为此， 作者 调查了 欧洲 、 日本和美国 的 行业 ， 与 工程师和研究人员讨论上述问题 。 各行业中使用的 软件 如表所示 ， 行业 用户 对有限元素 的评价 也归纳在表中 。根据这些信息 提出在这领域 的研究方 法 。 关键词 板料冲压成形，仿真，有限元法，计算机辅助设计 1 导言 汽车行业面临着全球范围严重的挑战：激烈的市场竞争和严格的政府 环境保护法规。 汽车制造商 为 迎接这些挑战 而采取 的战略 是 有时称为 3R 的策略： 缩短上市时间，降低开发成本 以 赢得竞争 ， 减少车辆重量 以 提高燃料效率。 来 实现 三个目标的 解决方案 必不可少的要 在产品开发和进程设计 中采用基于 统集成技术。 这一努力最显著的部分在于 减少 冲压车身面板 相关的 加工费用 和 提前期 ， 甚至在增加 技术难 度 ，如使用铝合金和高强度钢，和要求 冲压件 高几何精度 情况下 。 为处理这 趋势所带来的 超越过去的经验 的 问 题 ， 板料成形 仿真 的数值 方法 显 得越来越重要 。它由计算机试错 取代了物理 冲压试 错 。 成功的数值 仿真 主要取决于 成形 仿真 软件 的 进展，但 其他相关的技术 的 进 展也很重要。相关技术 的 例子 有能迅速构建和修改加工表面的 统 ， 或多或少 在 使用户能够掌握大量的数据 的可视化的 硬件和软件 以及 最后 在合理的时间内 处理大型仿真的计算机硬件 。 本文 的目的 在于总结业界 金属板料成形 仿真 和相关技术实现 现状 ，并 对 未来的研究方向 提出建议 。 在 80 和 90 年 代 关于金属 板料成形 仿真 已举办了许多国际会议 并 发表了许相 关文章 。然而， 通过 这 些 信息还不足以 解决 上述问题 。由于这个原因， ， 作者决定访问 调查 欧洲 、日本和美国 的 汽车行业和钢板供应商 ， 与 工作 在模具冲压 车间和 企业冲压部门 的 工程师和研究人员 来 讨论这些具体 课 题。 2 历史背景 本世纪中叶 对 板料成形过程 的 分析研究已经开始 ， 在 60 年代 ， 数值程序（有限差分方法） 被 应 用 于 轴对称 拉伸 过程 分析中。虽然这种 工作对于 金属成形分析理论贡献 巨大 ， 但是 它还不 能 应 用于实际生产 。 非线性有限元仿真打开了真实工业冲压过程仿真之路， 1985 年 在安阿伯密歇根州 的 板材 成形过程计算机建模 专题讨论会 提出了使用壳单元的弹塑性 有限元方法对 三维汽车车身面板成形 过程建模 。 研究 中，对 升降机窗口 外 形的拉伸过程 和甲板盖的 压边圈夹紧 过程进行了 仿真 ， 但 它们尚处于 测试和评价 的 阶段 。 因此，在这个会议中 ，几何建模方法 10 月 12 日 和简化的力学建模方法更 受到业界 赞赏， 发表 了许多关于成形仿真 的文章 ， 其中 两个重要 方向将 使板料成形仿真 提升 到一个新的 水平 ，一个是动力显式 软件 的应用 ，另一个是 一步法 的提出。在文献 【 16】 中 昂纳克和 明 采用 对 一个油底壳和散热器部分深 拉深，可获得用静态 显式 软件 法获得的的深拉深形状， 包括凸缘起皱 。 会后，一些用于 板料成形 仿真的 动力显式 软件 如 开发出来，并且许多汽车企业开始尝试使用这些 软件 。 另一方面， 开发 了基于 和 常 18理念 提出 的 一步法 ， 其中 使 用一个大时间步长 值 ， 逆变形板料 从最 终的零件 配置到最初的 板料 配置。 这个方法的主要好处是计算时间非常短，并且，根据这个 方法 开发了 许多 软件，主要 在欧洲 如 与此 同时 进行了 根据静态 隐式 增 量 方法 ， 这 也许是 仿真 金属板 变形 的最适当的方法 ， 进行 软件 开发 。 那些 成果 在汽车制造业 3 和 的 三维金属 板料有限元仿真 的国际专题讨论会 上 被提出 了 。 在 我们 访问 的企业所 用 的 静态 隐式 增 量软件 是 为了避免在静态 隐式 方法 遇到 的 收敛 问题，开发了 静态 显式 软件 在最 近 十年期间，由于这些非常密集的 研究 ，板料成形 仿真 发生 了 显著 的变 化 ， 如 表 1 所 示 。 有 几个独立 的 研究小组 在 10 年前开发他们自己的 有限元 软件 并且 使用 自己的软件 解决他们的问题。 然而， 在 今天，情况 已显著改变了。有三 组 人 ： 研究员、软件开发商和软件用户。 员也许 是 属于研究员 小组 ， 而 多数 工作在汽车制造商和板料供应商 那里 的工程师 属于 软件用户 小组 。 当 软件开发商和用户建立了 一个非常 强 的 联系 时 ， 这两个小组之间的 联系 却 相当 弱 了 。 1998 图 1 最 近 十年期间金属板 材 成形仿 真 的 趋势 。 3 企业中使用的 软件 我们走访了列于表 1 至 3 的 12 家公司。 地区和 公司 的 选择是基于我们的 兴趣 ，而 非基于 系统 化 战略。 表 1 在欧洲用 于汽车制造商和板 料供应 商的软件 公司名称 戴姆勒奔驰 雷诺 汽车 沃尔沃 汽车 访问的地方 国 国 典 et 国 仿真软件 F F Y 统 部 ) 网格生成器 究员软件用户 软件用户 软件开发商 研究员 1988 表 2 在 日本 用于汽车制造商和板 料供应 商的软件 公司名称 马自达 日产 丰田 新 日本制 钢 访问的地方 真软件 统 部 ) 部 ) 部 ) 格生成器 3 在 美国 用于汽车制造商和板 料供应 商的软件 公司名称 克莱斯勒汽车 福特汽车 国家钢铁 美国钢铁 访问的地方 真软件 D U) D D 统 网格生成器 模具表面 ) 自带板料网格软件 洲工业 （ 1 ）戴姆勒奔驰公司 尽管 1994 年 戴姆勒奔驰公司 就引进了 板料成形 仿真 ， 但 在模具车间由受过训练的 制造 工 程师生产 化 利用它 从 1996 年 1 月 开始的 。 如 表 1 所 示， 目前 金属成形团队正在使用 7 种 软件 。 于 快速预先优化 在零件设计部分 零件形状， 而不是 用 作 几何 工具。 多 地被用于评估几何工具原型的 模具 设计 和 系列 模具 设计。 有时 用 于 执行更加确切的优化。 用于预测 反弹 。 在 厂， 相当 多 的工程师已经被训练使用 仿真 软件 ， 其中有 14 名 程师和 4 名 程师。 （ 2 ）雷诺汽车 在 80 年代期间， 雷诺 通过与 各大学和研究机构 合作 在开发 板料成形 仿真 的 数值方法 上付出很大的努力 。 其中最 重要 的成果之 一 是 开发 基 于 单 步法 的 雷诺正在 在模具设计 部门 使 用此 软件 ，并试图与 件公司进一步开发新的功能 。 其中 一个 功能 是 自动 优化 模 具设 计，另一个 功能 是 能对影响成形过程的 疲劳极限的评价 。为了更准确地 对形成 效应的评价，在 1993 年 ，引入了 入 了 理器，因此，这两个 仿真 软件 可用于 同一 用 户界面 。 （ 3 ）沃尔沃汽车公司 在 1989 年 ， 沃尔沃，第一次表明了 动态显式 软件 钣金成形过程的 仿真 的 适用性，并在 经过 5 年的研究 后 ， 在冲压车间 引入该 软件 实际使用。沃尔沃公司目前 在产品设计和冲压工艺 /模具设计中 使用三种有限元 软件 ： 所有仿真 软件 综合成 这是一个专用于 汽车制造 的计算机辅助设计软件。目前 11 个训练有素的工程师能够使用这一系统 执行 仿真 。 （ 4 ） 司 作为钢板供应商， 用有限元 软件 向 金属板材用户 提供技术服务。发了单步 求解 器 对其 商业 化 。对于 言，作为一种提供技术服务的途径，仿真已逐渐变得重要 了 。 本产业 （ 1 ）马自达 在 1990 年 ， 通过与 合作， 马自达开始 了 评估 应用性的 初步研究 。 对于 日本汽车制造商 在 板料 冲压部 门 使 用 有限元 软件 这是最早的尝试 。虽然马自达内部模具 的 统可以提供信息 以便优化模具 表面 ， 但是 系统无法跟上 快速 变化的技术趋势，因此马自达决定 引入 使用 有限元 仿真 。 与 欧洲 汽车 制造商 不同 ，马自达只使用 为 仿真 软件 ，两名工程师在仿真环境中深入开展高级 仿真 。 （ 2 ）日产汽车 于 1994 年 ， 日产汽车开始使用 稍候再模具设计车间引入了 通过与 作 ， 日产公司已经开发出了 专业 版本的 算 在早期阶段冲压作业 中 以获取正确的变形形状 ； 变形 由于重量和 压边圈夹紧 产生 。大多数计算机 试错 都是在早期设计阶段 进行 ， 即 在 零件 设计 后 使用大致接近 模具面的 几 何 图形 。四个工程师从事 零件 仿真 工作 和 仿真系统 的开发 。 （ 3 ）日本丰田汽车 由于丰田汽车有一个非常先进的几何建模软件，模具的计算 机辅助设计，和训练有素的模具设计工程师， 对 引进 仿真 他们没有太多的热情 。然而， 在 锻压车间，高强度钢板 和 新 面板 形状 被 使用 ，如大型规模做 片断 侧 面 板，迫 使 丰田 使 用有限元仿真 技术 。 试于 1993 年 并被 使用 ，丰田汽车公司自己 拥有 “ 虚拟试错系统 ” ，其中包括 友好 的用户界面 、 一个 新开发的数据 库 。目前四个仿真工程师 在 从事此系统的开发和应用 。 （ 4 ）新日本制 钢 在日本 ， 日本 深冲压 研究小组（ 在 促进汽 车和钢铁公司之间的密切联 系 。新日本制 钢已 主要是基于这个框架内 与汽车公司开展了合作调研工作 。 在1991 年， 开发 出 了 于 1994 年 ， 又开发 了 出 有限元 仿真 主要 优 点 是减少实验 次 数，这 项 技术手段 在 被正式使用 之前 主要 用于 解决 薄板用户 所提出的 问题 。 国工业 （ 1 ）克莱斯勒汽车公司 在美国 ，作为 三大汽车制造商 之一 ，克莱斯勒是最后 使用 仿真 的 。然而，于 1994年，克莱斯勒开发的最先进的仿真系统采用 了 成为生产模具进程 的 主流设计。所有主要 的重要的面板 都 使用 它 仿真 。使 克莱斯勒 采用当前 先进的动态 软件 仿真 的 关键原因 是 计算机硬件和可视化工具 开发与应用 。 （ 2 ）福特汽车公司 唯一 用于板料 成形 仿真 的静 态 隐式 软件 ， 早 在 70 年 代 ，由 他的 同事 开发，并 在福特 广泛 使用 。这 个 软件 主要优点是能 够 预测 几乎 所有 成形 瑕疵 包括 缺陷回弹，但缺点是计算时间长。然而，最近，通过引进先进的直接矩阵 方法 求解 计算时间大大减少。 动态显式 软件 运作 也可以 用 于 该工具设计阶段。 （ 3 ）国家钢铁 在 1996 年 ， 在北美洲 ， 汽车制造商和金属板供应商之间 有 一 个合作研究方案 ， 叫做 “汽车 钢铁伙伴关系 ”，并在 1996 年， 国家钢铁决定利用有限元 仿真 技术 与汽车制造商合作 建造 有共同 技术 的汽车制造基地，并 使用 了 些 软件 被广泛应用于 支持 客户活动，如管状液压和拼焊板 的形成 。 （ 4 ）美国钢铁公司 美国钢铁公司 通过“ 汽车和钢铁伙伴关系 ”和 “ 回弹项目 ” 与 汽车制造商 密切合作 。 钢板 使用性能 的 评 估 是一个重要的 课 题。例 如， 通过 使 动态 代码 和 静态 代码相 结合 来仿真面 板 局部 凹 痕 抗力 的形成过程 。 附件 2：外文原文 （复印件） an of of by to in in of in a on of in is he on of to R in in to in to to on AM in A of is on of to of as of of To by of by a of on in in is of AD or AD to it to of is to an of of in to of to in 980990. is to to to at in of 2. of in of 1, 2 to ax in 960 3to of of be to of 4 A on of 985 7, in by In of a of a in of an to in So in 1013by 915, to a of a 6 of 6of an a by on by to to On on in a to A of is on to on be at 19, 3 20 621in by 2, 3 24In to in 27, 28. to of be to be 10 E of to of in to of is a a 3. 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