（机械制造及其自动化专业论文）汽车覆盖件冲压模具cadcae技术的研究.pdf

l 删 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：邀煎日期：塑里里鱼! 呈 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二塑阻导师签名：i 担日期：色翌里丛 i i 捅要 加入w t o 后，随着全球经济一体化的不断发展，我国汽车业面临严峻的挑战。 当前最紧迫的任务是，将先进的科学理论和方法，特别是数字化信息技术应用到我国 汽车工业的研发工作中，在技术引进和消化吸收的基础上，建立具有自主知识产权和 较强市场竞争力的企业核心技术和开发平台，迅速摆脱我国汽车业受制于国外企业和 创新能力低下的局面。在车身制造过程中，覆盖件的设计和模具设计及加工占整个车 身设计和加工周期的6 0 左右，缩短这一时间就意味着加快新车型的开发，缩短产品 投放市场的周期。而在汽车覆盖件的冲压过程中，其技术难点是冲压工艺的制定和模 具设计，合理的冲压工艺及高质量的模具，不但能提高冲压件质量，还能提高生产率， 降低废品率。 本文将逆向工程技术与汽车覆盖件成形过程仿真技术结合，对某车型的前翼子板 进行了逆向建模和拉延成形模拟的研究，其主要内容如下： ( 1 ) 分析了接触式测量与非接触式测量方法中各种测量方式的技术原理，比较了 它们的优缺点，并着重研究接触式测量技术为主的数据采集方式。 ( 2 ) 数据测量是逆向工程中的首要阶段。本文利用三坐标测量机，结合某汽车公 司实际生产的汽车前翼子板，详细论述了点云数据采集流程、技术要点等，而后，在 逆向工程软件i m a g e w a r e 中对覆盖件的点云进行了点云精简、点云去噪等数据预 处理工作，通过对翼子板点云数据的预处理，从中摸索出逆向工程数据预处理的一般 操作流程，从而减少数据处理的盲目性，提高效率。最后，详细叙述了造型流程及技 术要点，主要过程包括曲面重建规划、曲面编辑、曲面整合等，特别对n u r b s 曲线 曲面构造的方法、步骤进行了研究，在u g 软件中，通过n u r b s 曲面对汽车翼子板 进行了模型重构。 ( 3 ) 板料成形是一种复杂的力学过程，它是包括几何非线性、材料非线性、接触 非线性的强非线性问题。由此可见，一个板料成形数值模拟系统涉及到了多个学科。 本课题对冲压成形过程中材料内部的微观结构变化和应力应变状态进行了理论上的 分析，介绍了仿真方案的选择过程，并选定的动态显式算法、显式壳单元接触模型进 行了研究，建立相应的数学模型，选择合适的材料本构关系、屈服准则，根据计算精 度和设计要求，对模具体和板料选择合适的单元类型，将其网格化，最后引入有限元 分析软件进行数值计算。 ( 4 ) c a e 的建模。本文根据板料变形的特点，依据大变形弹塑性有限元理论建立 了弹塑性有限元系统。并深入研究了板料成形过程的数值模拟计算的一些关键性技术： 屈服准则的选择、单元的选择、接触界面的处理等。最后，根据该覆盖件的实际形状 和经验为零件添加了工艺补充面和压料面，并建立了覆盖件的有限元模型。应用e a t 公司开发的板料成形模拟软件d y n a f o r m ，对复杂形状汽车覆盖件的成形过程进行 三维有限元数值模拟，分析其冲压成形过程中板材成形性。 ( 5 ) 翼子板壳成形的拉深过程主要有单次拉深和两次拉深两种，由于单次拉深效率 高、模具制作简单，故以单次拉深工艺为研究对象更具有实际意义。通过大量的计算 机模拟计算，确定了冲压方向、压料面，工艺补充面、凹模口圆角半径、压边力以及 拉深筋的设置等影响成形质量的几个主要因素。如：压边力过小容易产生起皱，而如 果过大会使金属流动阻力太大从而产生破裂；拉深筋可以增大进料阻力，有利于斜坡 部分的形成，提高了翼子板刚度和减少因变形不足而产生的回弹、松弛、扭曲、波纹 及收缩等，防止拉深成形时悬空部位起皱和畸变。通过对比分析各因素对模拟成形结 果的影响，确定了它们合适的取值，从而可以对翼子板的成形工艺作出较为合理的优 化，提高了该翼子板成形的质量。 综上所述，复杂形状的汽车覆盖件是一种应用广泛而又成形复杂的拉深工件，针 对目前对此类零件的数值模拟建立在不同平台和采用不同方法。本文提出一套对此类 零件成形过程进行数值模拟的模式化研究方案，将逆向工程技术与汽车覆盖件成形过 程仿真技术结合，对于推动我国汽车制造业信息化进行，具有重要的理论意义和实用 价值。 关键词：汽车覆盖件，模具，逆向工程，数值模拟 i i a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m i ci n t e g r i t ya f t e re n t e r i n gw t o ，t h ea u t o i n d u s t r yo f o u rc o u n t r yf a c e ss e r i o u sc h a l l e n g e a tp r e s e n ti ti si nu r g e n tn e e dt oi n t r o d u c ea d v a n c e d s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ed i 百t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t or e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fa u t o - i n d u s t r yf o re s t a b l i s h m e n to fk e yt e c h n o l o g yw i t hi n d e p e n d e n t k n o w l e d g ep r o p e r t yf i g h tt ol i f t e do u to fd e p e n d e n c eo ff o r e i g ne n t e r p r i s e sa n dr a i s et h e i n n o v a t i v ea b i l i t y i na u t o m o b i l eb o d ym a n u f a c t u r ep r o c e s st h ec o v e rp a n e ld e s i g n i n g ，t h e m o l dd e s i g na n dt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s i n go c c u p i e s6 0 o ft h ee n t i r ep r o c e s s i n go f a u t o m o b i l eb o d yd e s i g n i n ga n dt h ep r o c e s s r e d u c e st h i st i m ef o raw h i l em e a l l ss p e e d su p t h ed e v e l o p m e n to fm e wv e h i c l et y p e , a n dt h ec y c l el i m eo fp r o d u c tp u t si nm a r k e t b u ti n a u t o m o b i l eb o d yc o v e rr a m m i n gp r o c e s st h et e c h n i c a ld i f f i c u l t yi st h er a m m i n gc r a f t f o r m u l a t i o na n dt h em o l dd e s i g n s r e a s o n a b l er a m m i n gc r a f ta n dh i g hg r a d em o l d ，n o to n l y c a l li m p r o v et h ep r e s s i n gp a r tq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t y , a l s or e d u c e st h ew a s t ep r o d u c tr a t e b yc o m b i n i n gt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd r a w i n g p r o c e s s ，t h e r e v e r s e m o d e l i n g a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e f r o n tf e n d e rw e r e a c c o m p l i s h e di nt h et h e s i s ( 1 ) t e c h n i c a lp r i n c i p l e so fc o n t a c ta n dn o n c o n t a c tm e a s u r i n gw e r ea n a l y z e da n dt h e矗 a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r ec o m p a r e d ，a n di n t r o d u c e de m p h a t i c a l l ya n da n a l y z e d p r i m a r i l yd a t aa c q u i s i t i o nw a y a n di t st h ep r i n c i p l eb yt h ec m m t e c h n o l o g y ( 2 ) t h ed a t as u r v e yi sm o s ti m p o r t a n ts t a g ei n t h er e v e r s i o np r o j e c t t h ec m m t e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e da n dt a k i n gt h ef r o n tf e n d e ri nt h ec o m p a n ya sa ne x a m p l e ，t h e p r o c e d u r ea n dt h ek e yt e c h n i q u e so fd a t ac o l l e c t i o nw e r ed i s c u s s e d t h e n ，r e d u c i n ga n d n o i s e e l i m i n a t i n gp r o c e s s w e r e a p p l i e d i nt h e o r i g i n a l c l o u do fc o v e rp a n e lw i t h i m a g e w a r es o r t w a r e t h r o u g h ，t h ep o i n tc l o u d sp r e t r e a t m e n to ft h ef r o n tf e n d e r , t h e g e n e r a lo p e r a t i o np r o c e d u r eo fd a t ap r e t r e a t m e n tw a ss u m m a r i z e d ，w h i c hc a ni m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fd a t at r e a t m e n t f i n a l l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fc o m m o n l yu s e dc u r v ea n d s u r f a c ew e r es t a t e da n dt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d so fn u r b sc u r v ea n ds u r f a c ew e r e s u m m a r i z e d b a s e do nn u r b ss u r f a c e ，t h ea u t o m o b i l ef e n d e rw a sr e m o d e l e dw i t hu g m e a n w h i l et h em o d e l i n gp r o c e d u r ea n dm a i nt e c h n i q u e sw e r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d e d s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，s u r f a c ee d i t i n ga n ds u r f a c em o d i f i c a t i o n ( 3 ) t h ep r o c e s so fs h e e tm e t a lf o r m i n g ，i n c l u d ef e o m e t r i c a lu n l i n e a r i t y , m a t e r i a l u n l i n e a r i t ya n dc o n t a c tu n l i n e a r i t y , i sav e r yc o m p l e xd y n a mp r o c e s s s ot h i ss u b je c t c o n c e r n sm a n yd i s c i p l i n e s i tb u i l d su pm a t h e m a t i c a lm o d e li n c l u d i n ga l ls o r t so ff a c t o r s i t i s i m p o r t a n tt h a tt h ec h a n g eo fm i c r o s t r u c t u r ea n dt h es t r e s s s t r a i ni nm a t e r i a lf o r m i n g p r o c e s s e sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ep r o c e s so fs i m u l a t i n gs c h e m e si fi n t r o d u c e d ，a n d h i t h es e l e c t e dd y n a m i ce x p l i c i ta l g o r i t h m ，e x p l i c i ts h e l ld e m e n t ，c o n t a c tm o d e la n dm a t e r i a l m o d e la r ee x p l a i n e di nd e t a i l e n s u r e st h eh o m o l o g o u sb o r d e r l i n ea n di n i t i a lc o n d i t i o n , s e l e c t ss u i t a b l eu n i tt y p ea b o u tt h e d i e sa n ds h e e tu n d e rt h er e q u i s i t i o no fd e s i g na n d c o m p u t ep r e c i s i o n , d i v i d e s 面d sa n dp r o c e e d sn u m b e rv a l ec a l c u l a t i o na d o p t i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a l lt h ea b o v e m e n t i o n e dc o n t e n ti st h ek e yo ft h i sp a p e r ( 4 ) f e mm o d e l i n 争一t h ep a p e rf o u n dt h ee l a s t o p l a s t i c i t yf i n i t ee l e m e n ts y s t e mb a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a n e l sf o r m i n ga n dt h eb i gf o r m i n ge l a s t o p l a s t i c i t yt h e o r y a n d s o m ek e yt e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni ns h e e tm e t a lf o r m i n ga r es t u d i e d , t o o f o r e x a m p l e ，t h ec h o i c eo fy i e l dc r i t e r i o na n dt h et y p eo fe l e m e n t , t h ed i s p o s a lo fc o n t a c t ，e t c f i n a l l y , b a s e do nt h ee x p e r i e n c ea n dt h ef i g u r eo ft h ep a r t , a d dt h ea d d e n d u mp r o f i l ef o rt h e p a r ta n df o u n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep a r t 1 1 l es h e e tm e t a ls h a p e ds i m u l a t i o n s o f t w a r ed y n a f o r mo fe t ac o i su s e dt oc a r r y3 df i n i t en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r d r a w i n gp r o c e s so fc o m p l e xs h a p ec o v e rb o d y i tc a l la n a l y z et h ed r a w i n gq u a l i t yo fs h e e t m e t a l ( 5 ) t h ed r a w i n gp r o c e s so ft h ef i o n tf e n d e rm a i n l yi n c l u d e so n eo s d ta n dt s t d b e c a u s eo fh i g he f f i c i e n c ya n ds i m p l em o u l d ，i tw o u l dh a v em o r ef a c tm e a n i n gi fo s d ti s u s e da sr e s e a r c h i n go b j e c t a f t e rm a n ys i m u l a t i o n s ，s e v e r a lf a c t o r ss u c ha sd i r e c t i o n , b i n d e r , a d d e n d u m ，r a d i u so fd i e ，b o r d e rf o r c e ，a n dd r a w i n gb e a ma r ec o n f i r m e dt oa f f e c tt h eq u a l i t y o fp r o c e s s s m a l lb o r d e rf o r c ew i l lp r o d u c ec r i n k l e o v e rl a r g eb o r d e rf o r c ew i l lc r a c k d r a w i n gb e a mc a ni m p r o v et h er e s i s t a n c eo ff e e d i n gm a t e r i a l ，w h i c hi sp r o p i t i o u st of o r m t h es l o p ep a r t d r a w i n gb e a ma l s oc a ni m p r o v et h er i g i d i t yo ft h ef r o n tf e n d e ra n dr e d u c et h e s p r i n gb a c k ，s l a c k , d i s t o r t , r i p p l ea n ds h r i n ke t c f a r t h e rm o r ei tc a np r e v e n tt h eb a n g i n gp a r t t op r o d u c ec r i n k l ea n da b e r r a n c ei nd r a w i n gp r o c e s s t h e s ef a c t o r sc a nb ec o n f i n n e d t h r o u g ha n a l y z i n gm e i re f f e c to nt h er e s u l to fs i m u l a t i o n t h u st h ed r a w i n gp r o c e s so ft h e f r o n tf e n d e rc a nb eo p t i m i z e da n de n h a n c et h eq u a l i t yo fi t t os u mu p ，t h ec o m p l e xs h a p ec o v e rb o d yi sak i n do fd r a w i n gw o r kp i e c ew h i c hu s e w i d e l ya n ds h 印e dc o m p l e x b e c a u s et h i sk i n do fp a r t si ss i m u l a t e di nv a r i o u sm e a n s ，t h e p a p e rg i v e sam o d u l a ro r g a n i z a t i o ns y s t e mf o rt h i sk i n do fp a r t st os i m u l a t et h ed r a w i n g p r o c e s s i n c o r p o r a t i n gb e n dr e v e r s ee n g i n e e r i n gm e t h o di n t of es i m u l a t i o no fa u t o m o b i l e c o v e rp a n e lf o r m i n gp r o c e s si sc o n d u c i v et oe m p l o yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi na u t oi n d u s t r y a n dh a si m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ec o v e rp a n e l ，m o u l d ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 摘要：i a s s t r a c r ：i i i 1 绪论1 1 1 汽车覆盖件成形的特点和要求1 1 2 逆向工程技术与c a e 技术3 1 3 选题目的与意义4 1 4 国内外覆盖件模具c a d c a e 研究现状5 1 5 本论文的主要研究内容7 2 逆向工程技术8 2 1 逆向工程中零件点云的获取8 2 2 逆向工程造型关键技术1 0 2 3 汽车覆盖件曲面重构1 7 2 4 本章小结2 0 3 汽车覆盖件冲压成形仿真理论2 1 3 1 几何非线性分析中应变和应力的描述2 l 3 2 非线性弹塑性材料的应力应变关系2 7 3 3 冲压成形的求解格式3 0 3 4 本章小结3 2 4 冲压成形工艺设计3 3 4 1 冲压方向的确定：；3 3 4 2 压料面的确定3 3 4 3 工艺补充面的确定3 4 4 4 拉延筋的确定3 5 4 5 凹模圆角的确定3 5 4 6 本章小结3 5 5 汽车覆盖件冲压成形过程的数值模拟3 6 5 1d y n a f o r m 5 6 软件介绍及其特点3 6 5 2 汽车覆盖件冲压成形仿真模型的建立及求解计算3 7 5 3 本章小结4 0 6 模具相关参数的优化4 l 6 1 压料面的优化4 l 6 2 工艺补充面的优化4 3 6 3 凹模圆角的优化4 5 6 4 压边力的优化4 5 6 5 拉延筋的优化4 6 6 6 本章小结4 7 7 结论与展望4 8 7 1 结论4 8 7 2 展望4 8 参考文献5 0 致谢5 5 附录5 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 6 2 1 绪论 1 绪论 1 1 汽车覆盖件成形的特点和要求 1 1 1 汽车覆盖件的含意 汽车覆盖件一般是指组成汽车内表面和外表面的零件，如项盖、车门、发动机罩、 前后轮翼子板、挡泥板、底板、后备箱盖等。覆盖件大多数是由复杂的空间曲面组成， 成形时坯料上各个部分的变形状态甚为复杂，差别很大，各处应力很不均匀，一个零 件往往兼有拉延、翻边、胀形、弯曲等多种形式【1 1 。 在这些零件中，按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆 盖件三类【2 】。外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状 往往更复杂【3 1 。 ( 1 ) 对称于一个平面的覆盖件。诸如发动机罩、前围板、后围板、散热器罩和水 箱罩等。这类覆盖件又可分为深度浅呈凹形弯曲形状的、深度均匀形状比较复杂的、 深度相差大形状复杂的和深度深的几种。 ( 2 ) 不对称的覆盖件。诸如车门的内板、外板、翼子板、侧围板等。这类覆盖件 又可分为深度浅度比较平坦的、深度均匀形状较复杂的和深度深的几种。 ( 3 ) 可以成双冲压的覆盖件。所谓成双冲压既指左右件组成一个便于成形的封闭 件，也指切开后变成两件的半封闭形的覆盖件。 ( 4 ) 具有凸缘平面的覆盖件。如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。 ( 5 ) 压弯成形的覆盖件。 1 1 2 覆盖件的特点 同一般的冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和质量要求高 等特点【4 】。其中大多的覆盖件都是尺寸较大，并且多为复杂的空间自由曲面组成，无 法用解析形式表述，只能用参数曲面来表示【5 】。 根据形状复杂程度和变形特点，覆盖件可分为三类： ( 1 ) 浅拉深件，其形状特点为：拉深深度浅( 5 0 m m ) 夕b 形比较简单匀称，底部为平 的，基本平的或是小台阶的底。变形特点为：拉深中从压料面下获得少量的补充材料， 工件本体的拉深成形主要依靠自身材料的延伸变形，应力比较均匀，成形表面的应力 值远小于抗拉强度极限，故需要采用拉深槛增加压料面下材料的流动阻力，使材料充 分塑性变形，以保证制件得到应有的刚度，此类拉深件一般不会开裂【6 1 。典型的零件 汽车覆盖件冲压模具cad cae 技术的研究 如：外门板、上后围等零件c n 。 ( 2 ) 一般拉深件，其形状特点为：拉深深度较深( l o o m m ) ，外形较复杂，底部为 平的、基本平的或是大曲率半径的外凸形底。变形特点为：拉深表面主要靠压料面下 的毛坯向内补充而拉深成形、变形，应力比较均匀，成形表面塑性变形程度较大，但 应力尚小于抗拉强度极限，只要材料合格或模具技术状态良好，一般不会开裂。典型 零件如：下后围、门里板、水箱护罩等零件。 ( 3 ) 复杂拉深件，其形状特点为：拉深深度较深( 1 7 0 m m - - - 2 4 0 m m ) ，外形复杂又不 对称，有外凸或内凹的底，或大台阶形状的底。变形特点为：拉深表面既靠压料面下 的材料补充，又靠内部表面材料延伸而拉深成形，制件各处应力、变形很不均匀，大 部分区域己充分塑性变形，且应力已经临近抗拉强度极限，个别区域尚有变形不足的 状态，若材料不合格或压料力调整不当，容易出现废品。典型零件如：前围外板、翼 子板、油箱、油底壳、顶盖、水箱罩顶、前围内板等零件【8 】。 1 1 3 覆盖件的拉深工序 拉深工序是制造覆盖件的关键工序，它直接影啊着产品质量、材料用率、生产率 和制造成木等，其有如下特点： ( 1 ) 无论覆盖件分块有多，形状有多么复杂，尽可能在一次拉深中成形出全部空 间曲面形状以及曲面上的的棱线、筋条和凸台。否则很难保证覆盖件几何形状的一致 性及表面光滑 9 1 。 ( 2 ) 覆盖件形状复杂，深度不均，又不对称，压料面积小，而需要用几条拉延筋 来加大进料的阻力，或是利用拉深肋的合理布置，改善毛坯在压料面下的流动条件， 使各区段金属流动趋于均匀，才能有效地防止起皱和拉裂【1 0 1 。 ( 3 ) 覆盖件的拉深不仅要求一定的拉深力，还要求在拉深过程中具有足够的、稳 定的压料力。 ( 4 ) 覆盖件的拉深要求材料的塑性好，表面质量高和尺寸精度高。含碳量在0 0 5 一o 1 5 的低碳钢具有延伸率高( 万4 0 ) ，屈服比小( 吒o 6 5 ) ，变形硬化指数n 和板厚向异性系数；大的特点，能满足复杂的、拉深变形程度很大的覆盖件的拉深工 艺要求【l l 】。 ( 5 ) 覆盖件拉深时，为了减少板料与凹模和压边圈的摩擦，降低材料内应力以避 免破裂和表面划伤的现象，通常需要在压料面上涂抹特制的润滑剂，它能够很好地附 着在钢板的表面上，并形成一层均匀的、具有相当强度、足以承受相当大的压力的润 2 1 绪论 滑膜，并要求润滑剂在拉深后对钢板不产生腐蚀，易于清洗。 1 1 4 覆盖件特殊的要求 覆盖件的特点决定了它的特殊要求。 ( 1 ) 表面质量 覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美 观，因此覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美 感的缺陷。 ( 2 ) 尺寸形状 。 覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达出 来，因此，覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述0 2 1 。 ( 3 ) 刚性 覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较差。 刚性差的覆盖件受至振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行驶时就会 发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。 ( 4 ) 工艺性 覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉延工艺 性。覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将翻边展开， 窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。 1 2 逆向工程技术与c a e 技术 1 2 1 逆向工程技术 逆向工程( 反求工程) 是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型，然后 利用c a d c a e c a m 等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后 进行加工【1 3 1 。逆向工程现己发展为c a d c a m 中一个相对独立的范畴，通过实物模 型产生c a d 模型，可以使产品设计充分利用c a d 技术的优势，并适应智能化、集 成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施逆向工程可以充分发挥先进的测量设备 的优越性，使其既可以作为c a d c a m 系统所需要的三维输入装置，又可以作为 c a d c a m 系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计，制造自动化 程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。将逆向工程技术定义为没有工程图 纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来反求其模 3 i 汽车覆盖件冲压模具cad cae 技术的研究 型的过程【1 4 】。在这一意义下，逆向工程可以定义为：是将实物转变为c a d 模型相关 的数字化技术和几何模型重建技术的总称1 5 】。逆向工程是综合性很强的术语，它是以 设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程 设计经验、知识和创新思维，对己有新产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计 的设计，特别强调再创造是反求的灵魂 1 6 1 。 1 2 2c a e 技术 计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是一个很广的概念。从字面上 讲，它可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的c a e 主要是指用计算 机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析。对其未来的状态和运行状态进行模 拟、及早地发现设计计算中的缺陷并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠 性。准确地说，c a e 是指工程设计中的分析计算与分析仿真。具体包括工程数值分 析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动与动力学仿真。工程数值分析用来 分析确定产品的性能：结构与过程优化设计是在保证产品功能和工艺过程的基础上， 使产品和工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的设计是否可行， 可靠性如何，以及使用寿命为多少；运动动力学仿真用来对c a d 建模完成的虚拟样 机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，c a e 的核 心技术为有限元技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术【l7 1 。 1 3 选题目的与意义 当今世界各国都将汽车工业作为国民经济的支柱产业之一，竞争日趋激烈。汽车 已从简单的代步工具发展到今天集时间观念( 高速度) 、绿色观念( 低排放) 、娱乐观 念( 多功能) 、艺术观念( 整车造型) 等于一身的综合型现代高科技产品，已成为人 类社会活动的必要条件【1 8 】。而汽车覆盖件的制造工艺水平及质量直接影响汽车的制造 质量及制造成本。汽车覆盖件多为轮廓尺寸较大的空间曲面：覆盖件模具是生产汽车 覆盖件的重要工艺装备，其结构尺寸大，型面形状复杂，尺寸精度和表面粗糙度要求 很高，设计和加工要考虑很多因素。覆盖件的模具设计往往要求有很多年的工作经验 的设计人员来完成。汽车覆盖件的设计在早期完全靠经验类比，很难设计出优化的理 想产品，并且设计周期很长，设计人员劳动强度也大，但随着计算机技术及有限元方 法的不断改进和完善，显著提高了产品质量并缩短了产品开发周期【1 9 】。 在汽车行业竞争日趋激烈、产品更新换代日益频繁的今天，汽车覆盖件的市场生 4 1 绪论 命周期短，变化频繁，它的设计和制造是整车产品开发中的一个关键环节【2 0 】。逆向工 程技术和c a e 技术已经成为针对覆盖件开发过程的必不可少的技术手段。使用逆向 工程技术快速、准确地得到覆盖件c a d 数学模型；通过c a e 技术，利用计算机对其 成形过程进行分析，模拟板料的塑性变形过程，预测板料的变形规律，以及是否产生 缺陷( c a e 过程) ，然后将模拟结果转化成对覆盖件模具设计的修改意见，优化成形工 艺参数( c a d 过程) ，两者均在实际模具制造之前完成，这样既可提高模具的设计质量， 大大缩短覆盖件成形模具的开发周期，又可降低模具开发的总成本，最大限度避免生 产的制品出现缺陷。国外许多大型汽车厂家的研究资料表明：逆向工程和c a e 技术 相结合并成功地应用到设计中，汽车覆盖件的构型设计、模具设计、调试直至投产的 整体周期缩短了1 2 ，模具制造成本降低了l 3 ，其经济效益是十分巨大的【2 l 】。 我国己经加入世界贸易组织( w t o ) ，民族汽车工业面临着巨大的机遇和挑战，为 了提高我国车身产品的开发制造能力，加速我国汽车工业的发展，提高汽车产品质量， 降低生产成本，争取早日参与国际间的竞争与合作，进行汽车覆盖件逆向工程建模和 冲压成形数值模拟分析这方面的研究已经刻不容缓【2 2 1 。 1 4 国内外覆盖件模具c a d c a e 研究现状。： 1 4 1 国内覆盖件模具c a d c a e 方面研究现状 在国内，汽车覆盖件模具生产企业目前也普遍采用了c a d 技术。其中，d l 图 和模具结构图的设计均己实现二维化，多数企业已经向三维过渡，总图生产逐步代替 零件图的生产，且模具的参数化设计也开始走进少数模具厂家技术开发的领域【2 3 1 。 国内的一汽模具制造有限公司、东风汽车模具厂、天津汽车模具有限公司等单位 在此领域处于国内领先水平。这些模具生产企业基本上都购买了进口的大型商业造型 软件，如用于造型设计的u gp r o e n g i r i c e r , c a t i a 等。这些企业在采用了c a d 技 术之后，一种车型覆盖件从4 - - - 5 年的制作期缩短为l 2 年左右，极大地提高了设备开 动率、减少了废品率和在制品的积压及模具的返修次数，有效地降低了产品的成本【2 4 1 。 同时，在国内的研究领域，冷冲压模具c a d 技术从上一世纪7 0 年代初发展到现 在也取得了很大的进展，并开发了一批拥有自主版权的软件。如上海交通大学国家模 具c a d 工程研究中心开发的冷冲模c a d 系统，武汉华中科技大学模具国家重点实 验室开发的c a d c a e c a m 系统h s c 2 0 ，北京航空航天大学华正模具研究所开发的 c a d c a m 系统c a x a 2 5 1 ，以及重庆大学自主开发的d d c a d 系鲥2 6 1 等等。 在c a e 技术上，国内汽车公司在应用此技术来指导覆盖件开发方面还很少。只 5 汽车覆盖件冲压模具cad cae 技术的研究 有几家大型汽车制造企业采用了数值模拟技术手段，较发达国家( 美、日等) 晚了十 几年。经过多年的发展，我国在板料成形数值模拟方面已经取得了很大进展，但主要 集中在部分高校里，华中科技大学的王义林等人建立了汽车覆盖件冲压工艺设计的系 统模型，通过将覆盖件分为不同的特征，并利用面向对象的建模方式进行覆盖件特征 建模，建立了基于知识的冲压工艺方案的确定跚；王耕耘等人提出一种基于功能组件， 以标准件和典型件建模为应用核心的覆盖件模具设计理论。它从用户的性能要求出 发，在设计的起始点对功能建模，并在设计过程中通过功能与结构的映射，完成对覆 盖件模具直观的几何特征表达，并使功能要求通过功能变量的传递得以实现【2 8 】；吉林 工业大学采用l a g r a n g e 法以及有限元变形虚功率增量型原理的弹塑性大变