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冲抹模具初始设计k b s 系统研究摘要利用计算机仿真技术动态地模拟冲压过程是冲压模具设计手段的一个飞跃发展。但是，在仿真前仍需工艺专家给出初始工艺参数作为仿真的起点，初始设计的好坏直接影响到成型模拟周期的长短，这样就造成了仿真过程对专家的依赖。本文正是为解决这样的问题，研究冲压模具初始设计k b s 系统，代替冲压模具的纯人工初始设计，涉及到的关键问题包括如下几个方面：( 1 ) 研究面向对象技术和对模具设计知识的分析及其在冲压模具初始设计k b s 中的应用。提出了设计知识类表示模具初始设计知识的方法，用类的结构对知识自然地进行分类，并把知识与推理封装在一个类对象中，使对象成为知识库系统中的一个有机整体。( 2 ) 研究面向对象的知识库结合数据库技术的实现。根据对模具设计知识的总结，设计三种形式子知识库，即数表型、公式型、规则型，实现知识的逻辑存储。( 3 ) 通过设计面向对象以及面向过程两个相互作用的推理机实现推理，提高推理效率。面向对象的推理机实现对对象的检索定位，面向过程的推理机采用广度优先的正向搜索策略。除上述内容外，为了有良好的人机交互性，本文在应用软件界面、交互式的人机接口和设计思路等方面做了大量工作。基于上述研究，本文开发出针对弯曲件的模具初始设计k b s 系统，该系统的丌发对降低成型模拟过程中对专家的依赖，加速c a d c a e c a m 一体化进程具有积极意义。关键词：冲压模具，k b s ，面向对象，数据库，知识表示，知识库，推理机冲压模具初始设计k b s 系统研究a b s t r a c tt h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n gp r o c e s si sam i l e s t o n ei nt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft o o ld e s i g nt e c h n i q u e s b u t ，t h es i m u l a t i o ns t i l ln e e d si n i t i a lp r o c e s sp a r a m e t e r sg i v e nb ye x p e r t s ，w h i c hr e s u l t si nd e p e n d e n c eo nt h ee x p e r t si n e v i t a b l y t h i sp a p e ra i m sa ts o l v i n gt h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v ea n dd e v e l o p i n gak n o w l e d g e b a s e ds y s t e mf o ri n i t i a lt o o ld e s i g no fs h e e tm e t a lf o r m i n g t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r ec o n c e r n e d ：( 1 ) a n a l y s i so ft h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o da n dt h et o o ld e s i g nk n o w l e d g ea n di t sa p p l i c a t i o ni nk n o w l e d g e b a s e ds y s t e mf o ri n i t i a lt o o ld e s i g no fs h e e tm e t a lf o r m i n g t h ec o n c e p to f “k n o w l e d g ec l a s s ”i su s e d ，i nw h i c ht h et o o ld e s i g nk n o w l e d g ei sr e p r e s e n t e di nt w of o r m i n g ：s t a t i ck n o w l e d g ea n dd y n a m i ck n o w l e d g e ( 2 ) t h er e a l i z a t i o no fk n o w l e d g eb a s ei n t e g r a t e dw i t hd a t a b a s et e c h n o l o g y t h ek n o w l e d g eb a s ec o m p r i s e st h r e es u b b a s e s ：t a b l e s ，f o r m u l a ea n dr o l e s ( 3 ) t h ei n f e r e n c ee n g i n ec o m p o s e do fo b j e c ti n f e r e n c ea n dp r o c e s si n f e r e n c ee n g i n e t h eo b j e c ti n f e r e n c en o to n l ya c c o m p l i s h e st h ei n d e xa n dl o c a t i o nt a s k s ，b u ta l s oh a st h ef u n c t i o no fc o n t r o l l i n gt h ep r o c e s si n f e r e n c ee n g i n e t h ep r o c e s se n g i n ec o m p l e t e st h et a s ke x e c u t e db yw i d ep r e f e r e n c et o p d o w nr e a s o n i n gm e t h o d m u c ho fw o r kh a sa l s ob e e nd o n ef o ri m p r o v e m e n to fu s e r - f r i e n d s h i po ft h ek b ss y s t e m b a s e do nt h ea b o v es t u d i e s ，ak n o w l e d g e b a s e ds y s t e ms p e c i a l i z e di nb e n d i n gt o o ld e s i g ni sd e v e l o p e d t h i sk b ss y s t e ms h o u l db eh e l p f u li nm i n i m i z i n gt h ed e p e n d e n c eo nt h ee x p e r t i s ei ns i m u l a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：s h e e tm e t a lf o r m i n g ，k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ，o b j e c t o r i e n t e d ，d a t a b a s e ，k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，k n o w l e d g eb a s e ，i n f e r e n c ee n g i n e湖南大学机械与汽车工程学院车辆工程专业硕士学位论文冲压模具初始设计k b s 系统研究( 摘要)研究生：马闯指导教师：钟志华教授李光耀教授第一章概述冲压成型过程的计算机仿真可以动态地模拟成型过程，缩短试模时间，提高效率。但是有限元软件并不能取代工艺专家的地位，在有限元模拟前，仍需给出模具的初始设计条件作为模拟的基础。冲压模具初始设计是指在进行冲压件的仿真模拟之前，为确定模拟的初始工艺条件而进行的设计。好的初始设计能够快速收敛为最终合理设计。本论文的目的是研究冲压模具初始工艺参数设计的知识库系统( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m 。k b s ) ，智能实现仿真前模具初始工艺参数的确定。研究内容包括：1 ) 建立冲压模具初始设计k b s 系统的完整框架结构；2 ) 智能实现冲压成型模拟前的初始工艺参数设计，以弯曲件为例，得出凸凹模圆角半径，回弹系数及毛坯形状的量化表示。3 ) 加强软件的基本功能。第二章冲压模具设计的主要问题及一般步骤冲压成型是金属板塑性加工的重要方法之一，冲压成型中的关键技术是冲压成型工艺与模具设计制造技术，研究模具结构和提高模具性能对发展冲压生产技术具有重要意义。在这一章中讨论了冲压件变形的基本规律，冲模的设计要点，传统冲模设计的不足和冲压件的质量缺陷以及冲模的计算机辅助设计和冲压成型的计算机仿真技术应用。第三章冲压模具初始设计g b s 系统总体构想这一章首先分析冲压模具初始设计k b s 系统在冲压仿真过程中的作用，然后从面向对象技术、人机工程学等几个方面，提出了此k b s 系统的总体设计思想：利用面向对象的系统分析、设计方法，在合适的智能代价的条件下，建立冲压模具初始设计k b s 系统的框架，拟实现弯曲件模具初始设计中部分工艺参数的智能湖南大学机械与汽车工程学院车辆工程专业硕士学位论文化。以上述设计思想为基础，给出此k b s 系统的总体结构并分析各个部分的功能。系统的运行过程如下：首先，用户根据产品图纸，完成几何特征的识别和提取，并将其用面向对象的方法表示出来，建立起与产品图对应的零件模型；接着，通过推理机调用对象的子知识库，完成这一部分的初始设计；用户在理解系统结果的基础上，将其转化成有限元模拟的初始边界条件。本k b s 系统的主要组成部分包括：人机接口，全局知识库，知识库维护模块，全局数据库，推理机和解释机构。第四章知识表示与管理知识的表示是知识库系统中的一个重要课题，与传统方法不同的是，本论文以面向对象的方法和数据库技术为基础研究知识表示与管理。本章的内容是：在研究面向对象的知识表示方法的基础上，讨论了冲压模具初始设计中知识的表示、组织与管理。面向对象的表示方法实质上是一种混合表示方法，它融合了规则、过程、框架等表示方法的优点，能够充分地表示模具设计这样的复杂知识。模具设计知识可整理为三类：1 ) 结构知识，如板料厚度，圆角半径等。2 ) 材料参数，如抗拉强度，屈服极限等。3 ) 模具设计知识，如手册里的图表等。这三种知识按照知识表示的原则又可分为事实性知识和方法性知识，事实性知识包括结构知识和材料参数等，方法性知识包括模具设计知识等。按照面向对象的知识表示方法，可以把事实性知识和方法性知识用类的形式统一表示，类对象作为一个灵活的整体存于知识库中。采用数据库技术建立起知识在逻辑上的联系，实现知识的组织。按照模具设计知识的特点，全局知识库分别设计成规则、数表、公式三种形式表示，每一种形式的知识库又由各个对象的子知识库组成。知识类被初始化后，即创建一个类的对象，这个类对象按照一定的层次结构组织在一起，面向对象的知识库就建立起来。随着应用的不断深入，系统的功能和结构可能会有所变化，系统的维护成为系统基本定型后最经常进行的工作。本k b s 系统知识库管理系统主要包括知识的查询、修改、添加等。为达到知识的存取与逻辑引用相分离的目的，设计知识库的管理系统时将所有的操作函数分三层：1 ) 知识库管理层函数，直接面向用户；2 )知识库表层函数，直接实现对知识在数据库中的存取等操作：3 ) 知识库层函数，i i湖南大学机械与汽车工程学院车辆工程专业硕士学位论文起着连接上述两层函数的纽带的作用。第五章推理机的设计在知识集合上进行各种推理是知识运用的最重要的一种形式。推理是指各种推理方法与模式的研究，研究前提与结论之间的各种逻辑关系及其置信度的传递规则等，是k b s 系统设计中一个核心部分。本章研究的主要内容有：推理及搜索方法的研究，冲压模具初始设计k b s 中推理机的设计。在推理方法上，有演绎推理、归纳推理、不精确推理等；在搜索方向上，有正向搜索、反向搜索、正反混合搜索；在搜索方法上，有深度优先搜索法、广度优先搜索法等。在本文设计的冲压模具初始设计k b s 系统中，推理机包括对象推理机和过程推理机。对象推理机完成对对象的检索定位以及控制和协调过程推理机工作的作用，它主要是根据对象的分类来实现的。过程推理机完成对规则集、过程集、数表集的正向推理任务，它本质上是针对符号处理的，采用广度优先的正向搜索策略。第六章系统实现本文开发出的冲压模具初始设计k b s 系统能进行弯曲件的圆角半径、回弹系数及展开长度的推理等等。本章从开发环境、界面设计、知识库及其管理系统、推理机相关函数等几个方面详尽阐述了系统的设计过程。在此k b s 系统中，几个主要的界面是：主窗口、输入模块界面、知识库界面。知识库及其管理系统中，着重介绍知识库的编辑操作的实现方法，包括：追加、插入、删除等。推理机由一组程序组成，负责整个k b s 系统的运行，详细介绍了推理机的实现算法。第七章应用实例本文建造的冲压模具初始设计k b s 系统可以求出弯曲件的部分初始工艺参数，包括：圆角半径，回弹系数，毛坯展开长度。在本章中，以对称的v 形弯曲件和u 形弯曲件为例，给出其通过本系统得到的部分初始设计工艺参数，然后分别用a n s y s 以及钟志华教授和李光耀教授自主开发的针对汽车覆盖件的仿真软件c a d e m 1 1 进行成型模拟，并给出模拟结果。1 1 1湖南大学机械与汽车工程学院车辆工程专业硕士学位论文第八章总结这一章中对本文所作的工作进行总结，给出本k b s 系统设计的创新点，并对今后应加强的研究方向提出了展望。模具初始设计k b s 系统中的关键技术有：用知识类表示知识的方法、知识库的组织以及两套推理机构的设计及其相关算法。致谢( 略)参考文献( 略)j答辩时间：二零零二年四月i v冲班模具初始设计k b s 系统研究第一章概述1 1 冲压模具初始设计的内容和特点长期以来，冲压成型工艺与模具设计都是依靠经验进行的。随着有限元方法和计算机图形学等相关技术的发展，出现了针对冲压成型的仿真软件。仿真软件可以动态模拟成型过程，及早发现工艺和模具设计中的问题，大大缩短试模时间，显著地提高经济效益。通过仿真软件，至少可以解决以下几个方面的问题：( 1 ) 全面了解板料的变形过程，并预算所需的成型力；( 2 ) 较好地确定坯料的展开尺寸；( 3 ) 预测破裂、起皱和回弹等；( 4 ) 通过计算板厚方向的应变来计算成型后零件的厚度分布。为了便于仿真处理，通常把冲压成型抽象成这样的力学过程，如图1 1 所示，它包含四种不同运动特征的物体，其中物体1 表示凸模( 冲头) ，物体2 表示压边圈，物体3 为板料，物体4 为凹模。板料为弹塑性变形体，其余三种物体均可看成刚体，其中凸模为对板料加载的主动体，它的运动状态由压力机控制。421 凸模2 压边圈3 板料4 凹模图1 1 冲压成型计算机仿真的典型力学模型虽然仿真软件具有很大的优越性，但它并不能取代工艺专家的地位，在成型模拟前，仍需依赖专家经验完成工件的初始设计，给出有限元计算的初始边界条件作为模拟的基础。冲压模具初始设计是指在进行冲压件的仿真模拟之前，为确定模拟的初始工冲压模具初始设计k b s 系统研究芝：条件而进行的设计。实践证明，模具初始设计的好坏直接影响着成型模拟周期的长短。较好的初始设计能够极大地减少模拟的盲目性，保证初始设计快速收敛为最终合理设计。11 1 冲压模具初始设计的内容冲压模具初始设计主要包括以下内容：1 、拉深方向的选择拉深方向的确定应保证：( 1 ) 凸模能进入凹模，而不应有凹模接触不到的死区；( 2 ) 工件各部分拉深深度应尽量保持均匀，以保证各向进料阻力均匀分布；( 3 ) 凸模开始与毛坯接触时接触平稳，应尽量做到接触部位在毛坯中间，接触面积大，接触点多，只有这样，才利于拉深时毛坯窜动少，拉深过程稳定。2 、压料面的设计压料面是拉深时的主要塑性变形发生区之一，压料面的形状对拉深变形起着举足轻重的作用。合理的压料面不但能够促进拉深顺利进行，保证拉深件不起皱，无裂痕，还能够减少工艺余料，节约材料。3 、拉延筋的铺设拉延筋参数的合理取值以及拉延筋的合理布置是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段之一。4 、凸凹模间隙，圆角半径凸凹模间隙过小时，模具表面磨损厉害，零件表面易于擦伤甚至拉裂；间隙过大则不能保证拉深件的成型精度和质量。5 、毛坯初始形状如果能预知毛坯的初始形状，则能在冲压中减少对材料的浪费。1 1 2 冲压模具初始设计的特点冲压模具初始设计具有以下特点：l 、概略性由于模具初始设计的任务是为后继的有限元模拟提供初始条件，所以不需要非常准确，允许有一定的偏差，但应尽可能提供数量化的工艺参数。2 、可分解性冲压模具初始设计k b s 系统研究冲模初始设计是一个复杂而统一的整体，通常可以逐步划分为一系列相对独立的不同层次上的子任务来描述。因此，在完成菜一层次上的具体设计任务时，一般只使用一定范围的知识，这些知识具体反映了设计人员在设计的某。一阶段所采取的一组推理步骤和求解方法。3 、多样性由于零件本身固有的复杂性以及所获得的知识的不完备性，目前所掌握的设计知识只能为设计结果提供一组约束，由工艺人员凭借经验作粗略的估计，因此，冲压模具初始设计存在多样性的特点。1 2k b $ 系统介绍1 2 1i ( b 8 系统的概念k b s 的英文全称是k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ，即知识库系统，是一种智能计算机程序，这种程序具有在专家级水平上工作的知识和能力，通过运用知识和推理来解决那些需要人类专家才能求解的困难问题1 2 1 。自从1 9 6 8 年第一个k b s 系统d e n d r a l 研制成功以来，k b s 技术取得了迅速发展，已经被应用到几乎每一个领域。总结起来，k b s 有如下特点：l 、具有专家水平的专门知识k b s 之所以成为“专家”，是因为它具有了某一领域的知识，使得它在处理问题时能比别人技高一筹。k b s 系统为了能够像人类专家那样工作，就必须具有专家级的知识，而且知识越丰富，解决问题的能力越强。2 、能够进行有效的推理k b s 问题的求解是一个思维过程，即推理过程。k b s 的推理机构能根据用户提供的已知事实，通过运用掌握的知识，进行有效的推理，实现对问题的求解。3 、具有获取知识、编辑知识的能力k b s 的基础是知识。知识库中存储着大量的知识，随着k b s 系统的不断完善，知识的获取、求解能力会不断增强，使得系统能从运行的实践中不断总结出新的知识，使知识库中的知识越来越丰富和完善。4 、具有灵活性多数k b s 系统的体系结构都采用了知识库与推理机相分离的构造原则，冲k 模具初始设计k b s 系统研究彼此既有联系又相互独立。这样，既可在系统运行时能根据具体问题的不同要求，分别选取合适的知识构成不同的求解序列，又能在一方进行修改时不影响另一方的工作。5 、具有透明性透明性是指k b s 的工作过程能够为用户所理解，清楚地了解系统处理问题的过程及使用知识的方法，增加系统的透明度。k b s 系统通过解释机构实现这一点。另外，k b s 的优点还有：好的可靠性，避免了人类专家由于生理、心理因素造成的不足；为专家知识提供了新的存储手段和传播途径，易于继承等等。1 2 2k b s 系统的要素k b s 的核一1 5 , 问题是知识的获取、存储知识的知识库和用以解决实际问题的推理机f 3 ) 0典型的k b s 的要素如图1 2 所示。其中：人机接口用户和系统问的通信机制输入模块知识的输入方法，系统工程师与专业工程师的对话推理机决定采用什么样的推理方法得到结论全局知识库以一定方法表示的知识的集合全局数据库存储推理的已知事实和中间结果图1 2 典型k b s 系统的要素冲压模具初始设计k b s 系统研究1 3课题研究的目的和内容好的冲压模具初始设计能够极大地减少模拟的盲目性，保证初始设计快速收敛为最终合理设计。因此，实现冲压模具初始设计阶段的智能化，将对冲压成型仿真软件广泛应用于实践有极大的推动作用，为c a d c a e c a m 一体化系统的完善做出重要贡献。冲压成型智能化发展的总体趋势是：从相对简单的弯曲件的成型研究丌始，将智能化的概念和方法引入到冲压件成型中来，探索研究途径，然后在此基础上，再逐渐过渡到轴对称零件、大型覆盖件的智能化1 4 】。因此，模具初始设计也应该从弯曲件入手。本论文研究的就是以弯曲件为基础，应用于仿真模拟前的冲压模具初始设计k b s 系统。从上一节可以看出，k b s 系统中知识库是一个重要内容，如何把冲压模具设计的复杂知识放入k b s 中是一个关键问题。本文在面向对象技术和总结模具设计知识特点的基础上，提出了用面向对象的知识表示方法表示知识。重点涉及到知识的获取，知识的表示方法，知识库的组织与存储方法。面向对象技术利用其“封装性”把知识库与推理机封装在对象中。在知识库的结构设计和推理机设计时应充分考虑到：对象类的推理只能在该对象类的知识库中进行，提高推理效率；另一方面，知识库与推理机又保持“独立性”。综上所述，本论文所讨论的主要内容包括：l 、建立冲压模具设计k b s 的完整框架结构。将面向对象思想引入k b s 中，系统总体设计采取面向对象的方法。应用“继承性”、“封装性”等特性，使整个设计便于维护而且符合思维习惯。2 、智能实现冲压成型模拟前的初始工艺参数设计，以弯曲件为例，得出凹凸模圆角半径，回弹参数及毛坯形状的数量化表示。主要内容有：搜集到的知识整理成图表、经验公式、规则，设计成知识类表示知识，建造面向对象的知识库，采用合适的搜索策略设计推理机。3 、加强软件的基本功能。本系统在w i n d o w s2 0 0 0 平台下，用b o r l a n dc + + b u i l d e r 软件开发，界面设计采用w i n d o w s 风格。零件数据的输入、用户与系统的交互以及系统设计结果的反馈，都通过图形界面完成。冲压模具初始设计k b s 系统研究第二章冲压模具设计的主要问题和一般步骤冲压成型是金属板塑性加工的重要加工方法之一，是一种金属冷变形的加工方法，在国民经济的各个领域都有着广泛的应用。冲压成型包括冲裁、拉深、翻边、弯曲等基本工序，其中拉深、弯曲是最重要的工序。冲压成型中的关键技术是冲压成型工艺与模具设计制造技术。因此，研究模具结构和提高模具性能对发展冲压生产技术具有十分重要的意义。本章讨论的问题有：l 、冲压变形的基本规律2 、冲压模具设计的设计要点3 、传统冲压模具设计方法的不足4 、冲压模具的计算机辅助设计及冲压成型的计算机仿真2 1 冲压变形的基本规律冲压变形是模具对毛坯施加的外力作用的结果。一定大小的力必然引起一定大小的变形，所以为了研究毛坯变形的性质和变形规律，为了控制变形的发展，首先必须研究冲压变形应力、应变的基本规律。2 1 1 应力、应变的表示冲压变形中，主要是用三个主应力d ，、仃：、仃，即剪应力为零的三个主平面上的应力，来表示一点的应力状态，如图2 1 所示。一般取其变形坯料的径向、板厚方向及切向作为主轴方向，所以常用的表示方法构成一种立体应力状态。一般情况下，三个主方向都有应力，即呈三向应力状态，但在冲压成型中，厚度方向的力与其它两个方向相比往往可以忽略，简化为平面应力状态。应变的表示有相对应变和对数应变两种。相对应变值一般用6 来表示，定义为变形长度与原来长度之比，即6 ：丝：生鱼岛。图2 1 点的应力状态( 2 1 )冲压摸具初始设计k b s 系统研究对数应变值的计算是一种微分( d e = d l l ) ，一般用s 符号代表，可以定义为变形后长度与原来长度之比取对数。用对数应变更能真实地反映塑性变形。冲压变形属于大变形，故多采用对数应变。2 1 2 拉深变形的特点为了说明拉深中的变形情况和应力特点，通常把筒形件作为基本拉深件，以其作为重点分析，文献【5 卜【7 中有相关内容的介绍。假想地取出拉深前坯料上的扇形单元来进行分析，图2 2 所示为拉深的一个中间状态。图2 2 拉深变形特点在冲头压力的作用下，坯料逐渐被压入凹模，并开始出现圆筒形状。扇形o c d 部分与冲头接触，并把拉深力传给筒壁。它始终保持平面形状，产生很小的塑性变形，一般称其为不变形区。其应力状态相当于周边受均匀拉力的圆板，呈双向拉应力状态，应变为平面上的拉应变和厚度方向上的压缩应变。凸模圆角部分c d 是筒底部与筒壁部的过渡区，应力、应变特性与上述两部分的应力、应变状态有一定联系。材料除受径向拉应力d 。和切向拉应力仃。外，厚度方向受到凸模圆角的压力和弯曲作用产生的压应力仃，。在凸模圆角转角处稍上一点的地方是所受拉应力最大的地方，筒壁变薄最大，拉裂多出现在这里。应变为平面应变状态，径向为拉伸应变，切向为压缩应变。简壁c d e f 是经历过压缩变形阶段的已变形区，它把冲头作用到底部的力传到平面法兰部a b e f ，故称为传力区。该区域承受足以引起法兰部分拉深变形的径向冲压模具初始设计k b s 系统研究拉应力仃，并发生少量的纵向伸长和厚度变薄。凹模圆角部分e f 是凸缘与筒壁的过渡部分，因而既受凸缘变形所产生的径向受拉、切向受压的作用，还因拉深过程材料通过凹模圆角时，受着先弯曲后拉直的作用而产生的压应力。平面法兰部分a b e f 是拉深的变形区，在切向压应力的作用下，这一部分继续压缩，并在径向拉应力作用下向中心移动，同时，其圆周方向的尺寸也随着减少，因此，材料的流动主要是厚度方向的积累和径向的延展。这时，它受到相邻部分金属的挤压作用。因而，在圆周方向上受切向压应力，径向受拉应力。2 1 3 弯曲变形过程弯曲变形时，毛坯外侧材料受到拉伸，内侧材料受到压缩，且压缩和拉伸都是表层最大，向中间逐渐减少。因此，在中间有一过渡层，既不被拉长，也不被缩短，称为应变中心层。中心层的位置与弯曲半径的大小有密切的关系。窄板( b 3 t ) 和宽板( b 3 t ) 弯曲时的应力应变状态是不同的。对于窄板弯曲，在切线方向上，外侧材料受拉应力，内侧材料受压应力。由于宽度较窄，故宽度方向变形不受约束，表明宽度方向应力仃。为零。由于变形区各层会属问的相互挤压作用，内层径向为压应力，外层为压应力。但是因为变形区切向应力值为最大，故在宽度方向上，内层为压缩应变，外层为拉伸应变。变形结果毛坯断面发生畸变。对于宽板弯曲，由于毛坯变形区在宽度方向上受到毛坯断面形状的阻碍，宽度方向应变难以发生，故其宽度方向应力不为零。于是，在宽度方向外层产生了拉应力，内层产生压应力。弯曲变形的应力应变如图2 3 所示。a ) 窄板图2 3 弯曲的应力应变分析长邕审，；，了舂事，+ 一誊牛直步q冲胨模具卡j j 始设计k b s 系统研究2 2 冲模设计的要点2 2 1 冲模设计的一般程序在长期的生产实践中，已经总结出一套冲压模具设计的基本规程“1 。根据冲压件的产品图纸进行冲压工艺过程设计，确定工艺方案之后，可进行冲模的设计。在模具设计时，要收集、准备有关的设计参考资料；经过充分理解、研究和确定方案后，便可着手绘制模具的构思图；经过专家讨论、审核后再绘制正式图。一般模具设计可按图2 4 所示的步骤完成。图2 4 模具设计的一般步骤2 2 2 冲模总体设计要点依据文献 8 的内容，总结出冲模总体设计的三个要点如下：、冲模总体结构形式的确定模具总体结构形式的确定是设计时必须首先解决的问题，其中涉及以下内容1 ) 模具类型的确定：简单模、连续模( 级进模) 、复合模等；2 ) 操作方式的确定：手工操作，自动化操作，半自动操作；3 ) 进出料方式的确定：根据原材料的样式确定进料的方法；4 ) 压料与卸料方式的确定：压料或不压料，弹性或刚性卸料等。9冲压模具初始设计k b s 系统研究二、模具压力中心的计算与确定冲压力合力的作用点是模具的压力中心。对于本文的设计内容，冲压过程采用小型压力机，如果压力中心不在模柄轴线上，滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具不正常的磨损，降低模具寿命。通常利用理论力学中求平行力系合力作用点的方法解析法或图解法，就能确定模具的压力中心。三、冲模封闭高度的确定冲模总体结构尺寸必须与所用设备相适应，即模具总体结构平面尺寸应该适合设备工作台面的尺寸，而模具的总体封装高度必须与设备的封装高度相适应，否则就不能保证正常的安装与工作。模具的封装高度h 应该介于压力机的最大封闭高度日。与最小封闭高度。之间，一般取h 。a x 一5 ( r a m ) h h 。+ 1 0 ( m m )( 2 2 )2 3 传统模具设计的不足及冲压件的质量缺陷2 。3 1 传统冲压模具设计的不足在传统的手工模具设计中，设计者的经验起着决定性的作用。设计者都是凭借经验，查阅有关手册和图表进行设计。模具加工完成后，还要经过试模、修模，再试模、再修模一系列反复循环的实践环节，直到达到产品的满意程度。传统模具设计的不足之处主要表现在：第一，设计过于依赖专家经验，成熟的专家经验大多零散地分布在各个专家头脑中，一旦专家离开工作岗位，这些经验无从继承；第二，模具设计的手工绘图工作占用了大量的时间，繁琐且效率不高；第三，模具设计只能初定方案，通常还需反复的试模、修模才能得到能用于生产的模具，设计周期长，浪费大量的人力物力。2 。3 2 冲压件的质量缺陷、拉深件的主要质量问题拉深件的质量问题表现有：起皱、拉裂、材料变薄、表面划伤等。其中以起皱冲压模具初始设计k b s 系统研究和拉裂对拉深件质量影响最大，发生的机会也最多。如2 1 2 节所述，拉深过程中，由于凸缘部分切向应力过大，造成材料失稳，引起起皱的发生。通常从毛坯的相对厚度( r d 0 ) 和拉深系数( m = d d 0 ) 两方面来分析。一般来讲，毛坯相对厚度越小，其抗失稳能力越差；拉深系数越小，材料硬化程度越严重，凸缘变形区宽度越大，越容易发生起皱。防止起皱的具体措施有：1 ) 采用压边圈；2 ) 采用反拉深：3 ) 采用拉延筋等等。当筒壁处所受的拉应力超过了材料的强度极限时，拉深件就会拉裂。影响筒壁强度的因素有：材料性能、相对厚度、拉深系数、凸凹模圆角半径等。为防止工件拉裂，可采取如下几方面的措施：1 ) 合理选择材料；2 ) 正确确定凸凹模圆角半径；3 ) 合理选择拉深系数：4 ) 合理润滑。二：、弯曲件的主要质量问题在板料塑性变形中，总是带有弹性变形的，这就造成了工件从模具中取出后，其形状和尺寸发生和弯曲方向相反的变化，这种现象称为“回弹”。影响回弹的因素有：1 ) 材料性能。回弹与材料的屈服极限成正比，与弹性模数成反比；2 ) 相对弯曲半径。相对弯曲半径( ，f ) 越小，变形程度越大，在变形中弹性形变所占比重减少，回弹角就越小：3 1 模具尺寸与凸凹模间隙等。由于金属变形中不可能消除弹性形变，因此完全消除回弹是不可能的，只能采取一定的补偿措施减少回弹，主要措施包括：1 ) 在工件设计上采取措施，改进结构，如压制加强筋，选用性能可靠的材料；2 ) s e 艺j 2 采取措施，用校正弯曲代替自由弯曲；3 ) 在模具结构上采取补偿、校正等措施。2 。4 冲模的计算机辅助设计及冲压成型的计算机仿真2 。4 1 冲模的计算机辅助设计现代制造业对产品更新的速度提出很高的要求，传统的手工模具设计越来越难以满足，这就迫切需要改变传统的图纸、实物传递的方式，把先进的计算机技术、图形处理技术引入到模具设计中来，建立模具计算机辅助设计c a d 系统。冲模c a d 通常被用来完成如下几个方面的工作：设计几何型面；建立标准件和典型模具的图形库：利用计算机完成数值分析工作。它的主要优点有：1 加快设计，提高生产效率对于复杂的工艺分析和数值计算，计算机往往比人快很多倍，而且不会因冲j 长模具初始设计k b s 系统研究“疲劳”出错或需要休息。2 提高产品质量，降低成本可以利用计算机进行最优化设计，减少调试，降低成本和周期。3 把设计者从繁琐的制图中解放出来，从事更有意义的设计工作，c a d 图形处理的发展，大大减轻了设计者手工制图的工作量。2 。4 2 冲压成型的计算机仿真冲压成型的计算机仿真是基于有限元理论、计算机科学与板材塑性成形理论等多种学科知识的综合性技术，实质上就是利用数字模拟技术分析板材在冲压中变形的全过程，从而判断模具和工艺设计的合理性。其突出特点是根据被加工对象的特征，利用易于监测的物理量，预测一组较优化的工艺参数，并以优化的工艺参数完成冲压成型的计算机模拟。因此冲压成型的计算机仿真从根本上变革了传统的试模、修模式的模具设计制造过程，代之以仿真、修改设计方案再仿真的过程，每一次仿真相当于一次试模的过程，这样就可以大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品的质量和市场的竞争力。在冲压成型中，运用计算机仿真至少可以完成下列工作：1 成型过程的动态分析；2 起皱、拉裂的预测与避免；3 毛坯形状和尺寸的设计计算；4 回弹量的计算与补偿。计算机仿真过程大致可分为三个阶段，即前处理阶段、仿真计算阶段和后处理阶段。前处理指建立仿真用有限元模型的过程；仿真计算指对建立好的有限元模型进行计算分析的过程：后处理指对计算结果进行分析处理及图形显示，包括根据分析结果修改初始模型的过程。在实际应用中，这三个阶段循环地进行，即后处理中对模型进行了修改后，将它放到前处理中重新建模，再进行计算，再修改，直至获得满意结果。冲压模具初始设计k b s 系统研究第三章冲模初始设计k b s 系统的总体构想冲模初始设计k b s 的目的是给出一组冲压件的工艺方案和工艺参数，作为有限元模拟的起点和以后修正的基础，它在有限元仿真中的作用如图3 1 所示。图3 1 有限元模拟流程图由上图可见，模具初始设计k b s 可用来取代人工初始方案设计，这一方面可提高初始设计速度，另一方面可提高初始设计质量。好的初始设计能够通过仿真模拟快速收敛为最终合理设计，因此设计好冲压模具初始设计k b s 是十分重要的。本章主要讨论冲模初始设计k b s 系统的总体构想，包括以下两个方面：1 、系统设计的总体思想2 、系统的结构设计3 1 系统设计的总体思想3 1 1 系统设计的几个基本思想要让模具初始设计k b s 代替人类专家的作用，必须使它有着高的智能水平。但是，智能水平并不是越高越好。根据“智能代价说”，系统的智能越高，开发代冲压模具卡j j 始设计k b s 系统研究价就越大，且这种增长呈指数关系，所以不能盲目地追求“高智能”1 2 9 1o 人和计算机系统在许多方面都是优势互补的：很多对人来说很简单的事( 如零件特征的识别与提取) ，如果要完全用机器实现，即使投入大量的人力物力，效果也不一定理想；而在计算能力、检索速度和存储容量等方面，人就无法与机器相匹敌了。因此，把人作为一个成员纳入整个系统之中，使人和机器结成一种同事关系，充分发挥各自的长处，完成自身最擅长的工作，以合理的代价换取较高智能，是模具初始设计k b s 开发的一个出发点。模具初始设计k b s 系统从大的方面来说，属于板料成型智能化的研究范畴。板料成型智能化的研究趋势是：从弯曲件研究开始，逐渐过渡到轴对称拉深件，最后到复杂曲面，如汽车覆盖件的研究。因而，模具初始设计k b s 的发展也必然从弯曲件开始，把k b s 的概念与思路引入模具初始设计中，探索研究途径，然后以轴对称零件为过渡，最终实现可以解决包括汽车覆盖件在内的大型复杂模具的初始设计。面向对象技术是一种近年来兴起的、并已经被广泛应用在软件工程、系统设计上的方法学。面向对象技术具有信息隐蔽、数据抽象、动态约束和继承性等特性，在处理复杂问题上有很强的能力。它采用一致的思维方式，引入“类”的概念实现从现实世界到目标世界的转变，从而使系统分析与系统设计之间没有明显的界限。模具初始设计k b s 系统是一个复杂的系统，而且需要不断地扩充。采用面向对象的系统分析、设计方法，并把设计元素保存为对象的形式，利用“对象+ 消息”的程序设计范式，可以方便地设计k b s 系统，并提高此系统的可重用性、可扩展性和可维护性。综上所述，系统的总体设计思想是：利用面向对象的系统分析、设计方法，在合适的智能代价的条件下，建立冲压模具初始设计k b s 的框架，拟解决弯曲件模具初始设计中部分工艺方案和工艺参数选择的智能化。3 1 2 系统实现的总体构想1 在总体设计上，采用面向对象的设计方法。选用b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r作为开发平台。系统设计做到模块化，增强可扩充性。2 在知识表示方法的选用上，因面向对象的表示方法的综合性、封装性等特性，冲模初始设计k b s 采用面向对象的表示方法，把冲模初始设计涉及的主要对象以“类”的形式表示，设计成以冲压件为基类，以弯曲件和拉深件为子类的层次化表示。当类被赋予相应的静态知识后，就产生一个类对象，系统运行是多个4冲压模具初始设计i 。b s 系统研究类对象间的相互作用。3 从保证知识库与推理机相互独立的角度来考虑。在进行大型的应用程序系统设计时，多人协作编程是不可避免的。随着应用的不断深入，系统的功能和结构都会有所变化，系统的维护就成为该系统基本定型后最经常进行的工作。因此，要做到维护和修改方便、数据的兼容性好，必须使数据存取和逻辑操作相分离，要做到这一点的首要条件是知识库的组织及其管理系统的设计。4 输入输出接口的设计。需要输入的量包括零件的静态属性( 如弯曲件的厚度、圆角半径、v 形件的开口) ，材料特性( 如弹性模量) 。另外，还包括零件类型等一些辅助变量。它们由用户从零件图中整理得到。推理的中间结果和最终结果由输出接口反馈给用户。界面的设计应该有良好的交互性，尽量采用图形界面。5 解释机构。帮助用户了解推理的过程。3 2 冲压模具初始设计k b s 系统的结构与功能设计一个k b s 系统时，首先要对领域问题的特点进行综合分析，建立起k b s系统的框架结构i s - 1 1 】。冲压模具初始设计k b s 系统的总体结构如图3 _ 2 所示。特征提取提取有用信零件产品图 = = = = ) 技术人员会量婪婪壅n 厩- r a - 。z 始设at n 儿l i 干哭有限元模拟边界条件人机接口知识库维护u1 f1 数据传输图3 2 冲压模具初始设计k b s 总体结构系统运行过程如下：首先，用户根据产品图纸，完成几何特征的识别与信息提取，并将其用系统预定义的面向对象的知识表示方法表示出来，逐步建立起与产品图对应的零件信息模型。接着，此对象通过推理机调用其相应的知识库，完成自身所在局部的冲压件初始设计。而后零件对象根据自身的知识，对各特征对象的设计结果进行修正、补充和综合，并将最终的设计通过人机接口以近似自然语冲压模具丰j 始设计k b s 系统研究言的形式反馈给用户。用户在理解系统设计结果的基础上，对其进行审核和修改，并将其转化为有限元模拟所需的初始边界条件。知识库维护模块对各子知识库实行统一的管理和维护。下面主要讨论基于上述思路的k b s 系统中的主要组成部分的功能和设计思路。3 2 1 人机接口人机接口是用户和计算机交换信息的途径。如上节所述，k b s 系统的智能水平要根据“智能代价”来确定，并不是智能水平越高、越能够独立地工作越好，而是要充分发挥人的能动作用和计算机的存储、计算方面的优势，使人和计算机协作，取长补短。人机接口起着输入及输出两种模块的作用：在良好的交互式环境中，提示用户输入模具初始设计的相关信息，然后将其经转换后，交给计算机处理；把计算机得出的中间结果或最终结果，以易于理解的语言，通过人机界面反馈给用户。在设计人机接口时，应预先考虑好哪些变量需要输入，哪些结果需要输出，以保证良好的交互性。3 2 2 全局知识库全局知识库是对各个对象的各种形式的子知识库的统称。冲模初始设计k b s中，采用面向对象的表示方法，把知识封装在“类”中，设计所用的事实性知识阱类的静态属性表示出来，方法性知识以类的动态属性表示出来。静态属性只能由该知识类对象的方法调用，知识类之间依靠相互调用方法实现消息传递。保证知识库与推理机的独立性是专家系统的重要特征，只有这样，才不会因为用户对知识的增加、修改而引起推理机构的大改动。因此，如何组织面向对象的知识库，使其既具有知识和推理集成在类模块中的功能，又具有知识库与推理机分离的特性，是一个关键问题，这对于知识库的维护、系统的扩充都有很大影响。知识库采用数据库来组织，并根据冲模设计知识的特点，以公式、数表、规则形式分别表示。子知识库与全局知识库之间以“零件类型”和“待求解的问题”的关键词构成“一对多”的关系。当从输入接1 ：3 获得零件的事实性知识后，该零件对象的子知识库最终建立起来。3 2 3 知识库的维护模块冲模初始设计k b s 离不歼对知识库的管理，要做到维护和修改方便，就要设1 6冲压模具初始设计k b s 系统研究计一个强大的知识库维护模块。对知识库的增加、修改、删除、查询等操作，利用关系型数据库完善的数据处理功能编写相应函数来实现。可靠性是知识库维护过程中的一个重要问题，即确保知识库的协调性，从知识库中推不出矛盾的结果。尽管知识库在某一阶段是协调的，但加入一个新的事实到知识库中，或从库中删除一个已有事实，可能会导致知识库产生矛盾。知识库的不协调表现在两个方面：不一致与不完全。因此，知识库的查询、扩充功能以及冲突与冗余的检查是知识库维护模块必须要解决的问题。3 2 4 全局数据库全局数据库是推理的中间机构，存储用户提供的初始事实以及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果等信息。推理机根据全局数据库中的内容从知识库中选择合适的知识进行推理，然后把推理得出的结果存入其中。由此可见，全局数据库是推理不可少的一个中间机构。3 2 5 推理机推理机是冲模初始设计k b s 系统得出最终结论的途径。在此初始设计专家系统中，推理机分如下两个部分。第一个部分是面向对象的推理机。当推理机开始运行时，首先调用面向对象的推理机。它负责根据求解目标，确定推理所位于的知识库。此推理机对提高推理效率有很大的影响。第二个部分是面向过程的推理机。面向过程的推理机是基于面向对象推理机的推理结果进行工作的，它采用广度优先的正向搜索策略，用户将与求解问题有关的信息存入全局数据库中，推理机根据相关的信息，找到与其匹配的项，将结果存入全局数据库中，再根据目前的推理状态选用知识，如此反复，直到得到问题的解。3 2 6 解释机构能够对自己的行为作出解释，是k b s 系统区别于一般程序的重要特征之一。解释机构由一组程序组成，它能跟踪并记录推理过程，并把解释通过约定的形式输出给用户。冲压模具初始设计k b s 系统研究第四章知识的表示与管理k