（材料加工工程专业论文）板料成形有限元模拟系统设计与后置处理系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要丁辱；g 板料成形是利用模具使板料发生塑性变形成壳体零件的技术。板料成形有限元模 拟为板料成形工艺设计和模具设计提供了科学的评价手段，通过对模拟结果的分析， f ，。 提出合理的成形工艺方案，从而达到降低生产成本，提高生产效率的目的。 本文针对板料成形有限元模拟系统的开发需要，运用系统分析方法建立了模拟系 二，翻框趣。板料成形有限元模拟系统分为四个子系统：图形平台、前置处理、模拟计 算和后置处理。采用面向对象的分析和设计方法，本文对图形平台和后置处理子系统 进行了详细分析和设计，建立了它们的面向对象的系统框架。由于采用面向对象技 术，设计出的系统具有很好的可维护性和可扩展性。 本文对板料成形有限元模拟后置处理中的一些关键技术进行了研究，提出了一姥 新算法。其中，在等值线生成算法的研究中，提出了一种新的基于线性插值的等值线 生成算法。该算法实现简单、计算效率高、生成等值线质量高，具有很好的工程应用 价值。在该算法的基础之上，建立了基于区域填充的浓淡图生成算法，并成功应用于 后置处理系统v f o r m p o s t 的开发中。f 目前，常见的有限元模拟系统都没有提供对成 形工艺进行分析评价的功能，但是该功能又是很重要的。本文对这一新功能进行了探 索性的研究，建立了成形工艺分析的流程，对其中的关键性技术做了一定的探讨，得 出一些初步的结论。厂d 一 作者开发出一套板料成形有限元模拟后置处理系统w o r mp o s t ，通过一些实例的 考核说明该系统是稳定的，基本满足工程应用的需要。 关键词：板料成形有限元模拟后置处理系统 面向对象 等值线成形工艺分析 1 华中科技大学硕士学位论文 r o l l i a b s t r a c t s h e e tm e t a lf o r m i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s sw h i c hu t i l i z e sp l a s t i cp r o p e r t i e so fm e t a l s t ot r a n s f o r mas h e e tm e t a lb l a n ki n t oap a r tw i t hs h e l lc o n f i g u r a t i o nb yd i e s t h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o no fs h e e tf o r m i n gc a r lp r o v i d es c i e n t i f i ce v a l u a t i o no f t h ep r o c e s sd e s i g n a n dd i ed e s i g ni ns h e e tf o r m i n g b ya n a l y z i n gt h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，ab e r e rb l u ep r i n to f f o r m i n gp r o c e s s i sd e s i g n e di no r d e rt or e d u c et h ec o s ta n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t o w a r dt h en e e do fd e v e l o p i n gas y s t e mo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fs h e e tf o r m i n g ， t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e mb yu s i n gt h es y s t e m se n g i n e e r i n gm e t h o d 。 t h es y s t e mo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n gi n c l u d e sf o u rs u b s y s t e m s ： g r a p h i c sp l a t f o r m ，p r e p r o c e s s o r , s i m u l a t i o n s o l v e ra n d p o s t p r o c e s s o r a c c o r d i n g t h e o b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i s a n dd e s i g nm e t h o d ，t h eo b j e c t - o r i e n t e df r a m e w o r k so fg r a p h i c s p l a t f o r m a n dp o s t p r o c e s s o ra r ee s t a b l i s h e d a sar e s u l t ，t h e d e s i g n e ds y s t e m i sm o r e m a i n t a i n a b l ea n de x t e n s i b l e t h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ep o s t p r o c e s s i n gs u b s y s t e mo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f s h e e tf o r m i n ga r es t u d i e da n ds o m en e w a l g o r i t h m s a r ep r o p o s e d d u r i n gt h er e s e a r c ho f t h ec o n t o u r c r e a t i n ga r i t h m e t i c ，a n e wc o n t o u r c r e a t i n g a r i t h m e t i cb a s e do n l i n e a r i t y i n t e r p o l a t i o ni sp r o p o s e d t h i sa r i t h m e t i c c a r lf a c i l i t a t et h ei m p l e m e n t a t i o n ，i m p r o v et h e c o m p u t a t i o ne f f i c i e n c y , g e n e r a t eh i g hq u a l i t yc o n t o u ra n df i t t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n u s i n gt h ec o n t o u rc r e a t i n ga r i t h m e t i c ，t h ea l g o r i t h mf o rc r e a t i n gs h a d e dp i c t u r e 、t s e d o n a r e af i l l i n gi sa l s ob u i l ta n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ed e v e l o p m e n to fp o s t - p r o c e s s i n g s u b s y s t e mv f o r m p o s t n o wt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns y s t e m sc a nn o tp r o v i d ea c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no f t h ea v a i l a b i l i t yo f t h ef o r m i n gp r o c e s s ，b u t t h i sf u n c t i o ni sv e r y i m p o r t a n t t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h en e wf u n c t i o na n de s t a b l i s h e s t h ea n a l y s i sf l o wf o r f o r m i n gp r o c e s s t h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ea n a l y s i sf o rf o r m i n gp r o c e s s a r ed i s c u s s e da n d s o m ee l e m e n t a r yr e s u l t sa r ea c h i e v e d a p o s t p r o c e s s i n gs y s t e mo ff i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n gn a m e d i i 华中科技大学硕士学位论文 v f o r mp o s ti sd e v e l o p e db yt h ea u t h o r t h ea p p l i c a t i o ni nt h ep r a c t i c es h o w e dt h a tt h e s y s t e mi ss t e a d ya n dm o s t l y m e e tt h en e e d o f e n g i n e e r i n g l k e yw o r d s ：s h e e tm e t a lf o r m i n g f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n p o s t p r o c e s s i n gs y s t e m o b j e c t o r i e n t e d c o m o u r a n a l y s i so f f o r m i n gp r o c e s s i i i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本章阐述了板料成形有限元模拟系统开发的课题来源、目的和意义，论述了板料 成形有限元模拟的发展历史和当前国内外的研究现状，确定了系统开发的软件环境， 并介绍了论文的主要内容。 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题为国家自然科学基金项目：“基于晶体塑性理论的板材成形过程的计算机 模拟”( 批准号5 9 8 7 5 0 2 5 ) 和教育部优秀年轻教师基金项目：“冲压模具仿真设计的 关键技术研究”的一部分，同时也是“十五”国家科技攻关计划“精密制造与数控关 键技术研究和应用示范”的“智能化大型复杂模具设计、制造成套技术与装备的丌发 和应用示范”( 项目编号为2 0 0 1 b a 2 0 3 b ) 第一期工作的部分。 本文的目的是对板料成形有限元模拟的过程进行分析，建立起一个板料成形有限 元模拟系统的框架，同时重点对有限元模拟后置处理中的一些关键技术进行研究，丌 发出一套实用的板料成形有限元后置处理系统。 板料成形具有效率高、性能好、材料省的特点，广泛应用于汽车、航天、造船、 家电等工业领域，特别是在汽车工业中。汽车工业是国民经济的支柱产业。大型汽车 覆盖件的冲压技术是汽车制造业的核心技术之一，一直是制约我国汽车工业发展的一 个瓶颈环节。虽然改革开放以来，我国已能生产奥迪，捷达，大众和富康等轿车，但 生产这些轿车的覆盖件模具和冲压生产技术几乎全部依赖外国进口。即使是我国自行 j - r 发的车型，特别是轻型车，大部分覆盖件模具和冲压生产技术也是进口的。所以研 究板料成形问题是非常必要的，具有广泛的应用价值和市场潜力。 一般的板料成形问题是高度几何非线性、材料非线性和状态非线性的力学问题， 理论解析求解是十分困难的。通常，对于复杂零件的成形工艺的制定和模具设计，主 要依靠某些定性的理论分析和大量的经验数据，以及设计人员的经验和技巧。随着科 学技术的不断进步，特别是计算机技术的飞速发展，板料成形的计算机数值模拟终于 找到了一种比较有效的方法，即有限元法。有限元法在板料成形模拟中的应用，经过 几十年的发展，已日渐成熟。板料成形数值模拟为板料成形工艺提供了一种科学的分 析方法，它能够在零件设计的初始阶段就对其可成形性进行有效的把握，并能够在模 华中科技大学硕士学位论文 具制造之前就能对成形工艺参数进行合理的优化以确保产品的质量，减少试模、修模 工作，降低生产成本，提高企业的模具开发效率和产品的市场竞争力。为了将这一成 果应用于实践，造福人类，开发实用的板料成形有限元模拟系统成为众多研究人员的 目标。华中科技大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室较早地开展了这方面的 研究，但是由于客观条件的限制，没能很好地解决这个问题。在已有的研究基础上， 我们有必要利用新的技术，开发一套具有自主版权的板料成形有限元模拟系统。现在 的板成形有限元模拟系统尽管已经比较完善，有的已经商业化，但依然存在许多问 题，比如回弹分析等。如果我们拥有自己的系统，就可以很方便地做进一步的开发， 不断地完善功能，在这领域占有一席之地，打破国外软件的垄断，为中国的民族产 业做一份贡献。 有限元分析过程般分为三个阶段：数据准备阶段、数据计算阶段、结果可视阶 段，也就是通常所说的前置处理、模拟计算、后置处理。后置处理是有限元分析的重 要组成部分，对于有限元程序的推广和应用起着关键性的作用。利用计算机和交互式 图形显示技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应变、应力和温度的等值线图， 以及随压力机行程变化使工件产生的位移、应变、应力和温度分布的动态显示图，将 使有限元结果更加直接、明了地显示出来。实践表明，一张显示图可以代替上千小时 的人工判读，从而大大节省工作时间。对于具有大量结果数据的有限元系统，能否清 楚、明白、形象地说明分析结果将对系统的使用价值具有决定性的影响。 1 2当前国内外的研究现状 1 2 1板料成形有限元模拟软件的发展概况和预测 有限元模拟技术是随着有限元理论、计算机技术和板料成形技术的发展而不断发 展的。1 9 6 7 年，m a r c a l 和k i n g “1 首先提出了弹塑性有限元法。1 9 7 0 年，h i b b i t 。3 等 提出了建立在有限变形基础上的大变形有限元公式，采用l a g r a n g e 描述，根据虚功 原理，导出了有限元的速率型刚度方程。1 9 7 8 年，w a n g 和b u d i a n s k y ”采用流动坐标 中的有限变形公式推导出用于板料成形的薄壳有限元方程。这样，有限元模拟技术开 始真正地和板料成形结合起来了。 进a - - 十世纪八十年代以来，有限元模拟技术及其在板料成形模拟中的应用取得 了很大进展，出现了许多有限元模拟软件，如：已经成为商品化的数值模拟软件有 华中科技大学硕士学位论文 p a m s t a m p 、d y n a f o r m 、a - u t o f o r m 、m a r c 、a b a q u s 、o p t r i s 、a n s y s 等。这些软件绝 大部分都具有完整直观的前、后置处理系统，可以直观地在计算机屏幕上观察材料变 形和流动的详细过程，了解材料的应力应变分布、料厚变化、破裂及皱曲的形成垒 过，获得成形所需载荷及零件成形后的回弹和残余应力分布。这些有限元模拟软件大 体上可分为两类：一、大型通用非线性有限元模拟软件如：m a r c 和a n s y s ，二、小型 专用板料成形有限元模拟软件，如：d y n a f o r m 、a u t o f o r m 和p a m - s t a m p 。前者一般都 具有自己完善的几何造型系统，提供大量的单元类型，能解决各种类型的有限元模拟 问题，功能非常强大。但是它们的前置和后置处理不能解决板料成形过程模拟中的一 些特定问题。这样，对于某些特定的用户来说，可能花了大价钱，买回来一堆东西， 学起来很困难，使用效果不好。而后者虽没有很强的几何造型功能，但利用图形输入 接口同样可以完成模型设计。同时，这类专用软件一般都提供了很强大的前置和后置 处理功能，使用很方便，工作效率高，价格也相对便宜。所以，开发专用的板料成形 有限元模拟软件具有很高的实用价值。 在国内，许多高校和研究机构也在做这方面的研究。吉林大学、华中科技大学、 湖南大学、上海交通大学、大连理工大学和北京航空航天大学等都作了一些研究。其 中，大连理工大学推出了一个有限元分析软件j i f e x ，北京航天航空大学推出紫瑞 c a e ，两个系统都是应用于结构有限元分析的。吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所 研究出一套用于汽车覆盖件成形的模拟软件k m a s ，其他单位也有自己的软件推出。但 是，当前这些软件都不够完善，通常是在别的造型系统上做的二次开发，具有依赖 性，可移植性较差。因此，影响了软件的实用性和商业化。所以，增加系统的独立 性，提高实用性将是我们今后研究的一个方面。 目前的有限元模拟系统：对成形力这样与整体有关的量以及板材的整体形状大都 可以准确的进行模拟，但像应变这样的局部量计算结果就相差很大；对加工成形有重 要意义的成形极限和起皱分析仍处于探索阶段：接触和摩擦的处理是数值模拟的难 点；计算结果既依赖程序本身，也依赖使用者以上这些都是需要继续探索和研究 的。 此外，板料成形数值模拟软件今后应向智能化的方向发展。智能化包括三个方 面：第一，网格划分的智能化。网格划分质量对于有限元分析结果有很大影响。智能 化的网格划分应该能根据工件的具体形状采取合理的策略，使得网格质量最佳。第 二，有限元分析的智能化。分析部分能根据具体问题采用最有效的有限元方法来保证 华中科技大学硕士学位论文 计算的收敛性、高效性，和结果的准确性。现在的显隐结合算法就是一种尝试“1 。第 三，后置处理的智能化。后置处理可以根据分析结果对工艺方案、工艺参数以及零件 设计提出改进意见。 1 2 2后置处理系统的发展概况和预测 有限元后置处理是研究有限元模拟结果可视化的问题。早期的有限元分析没有 后置处理功能，计算的结果靠人工分析。这种方法费时、乏味，且很难发现其中 的规律。随着计算机图形学的发展以及计算机性能的提高，开始把有限元结果数 - 据转化为图形来进行分析。分析成形时所用的主要显示方法有：变形图、应力应 变等值线和浓淡图。现在的有限元系统都有这样的后置处理功能，如a y n s y s 、 d y n a f o r m ，等。后置处理具有显示、检查、调整、改善有限元分析结果的功能。一个 良好的有限元模拟程序，如果不能迅速准确地看到它的模拟结果，它的作用也是有限 的。因此，后置处理模块的研究就一直是众多研究人员研究的重点。国外，已经有商 品化的通用可视化系统，如美国o h i o 州立大学的a p e “1 ，美国a v s 公司的 a v s ，s g i 的e x p l o r e r 73 等。 在国内，可视化及后置处理的研究与国外的先进水平有很大的差距。1 9 9 2 年，北京理工大学左正兴博士在微机上开发的有限元后置处理程序m s p l o t ”1 ，采 用了交互式操作，可以显示二维及三维应力等值线。1 9 9 4 年，丁永祥“”等提出一种 基于线性插值的等值线的快速生成算法。范彦斌“”对有限元后置处理进行了深入讨 论，实现了浓淡图的绘制。2 0 0 0 年，上海交通大学的谢眷“”等提出一种适用于任意单 元的彩色云图扫描线算法。苏海东开发出利用0 p e n o l “”的有限元后置处理图形软件 f e p s “”。现在，后置处理的一些基本算法已经有了。但是如何改进这些算法，以实现 快速、高效、准确的图形和动画显示仍是需要继续研究的。同时，如何利用新的编程 技术和计算机图形学知识提供更加方便直观的图形显示也是需要解决的。此外，后置 处理的智能化和成形极限图的自动化正处于探索之中。 1 3系统开发的软件环境 ( 1 ) 操作系统：w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 ( 2 ) 图形平台：s i l i c o ng r a p h i c s 为w i n d o w s 开发的o p e n g l a p i ( 3 ) 蕉王县! m i 盥q 垒y i 坚! ：q ：娶堑! 垒型b l 旦鉴2 q 塑星垡! 皿堕塑曼! 虫! 望： 4 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 板料成形有限元模拟过程是一个非常复杂的过程。本文的任务是对板料成形有5 艮、 元模拟过程进行分析，建立板料成形有限元模拟系统的框架，同时对后置处理系统进 行研究，开发有限元后置处理系统。本文的主要研究内容如下： 1 ) 采用系统工程方法，对板料成形有限元模拟过程进行分析，建立板料成形有 限元模拟系统的框架。 2 ) 对图形平台和后置处理两个子系统进行分析，分别建立子系统的面向对象的 系统模型。 3 ) 对后置处理系统中一些关键技术进行研究，提出相关的解决方案。其中包 括：颜色映射模型、等值线算法、浓淡图算法、成形极限图和成形工艺分析。 4 ) 丌发出一套扳料成形有限元后置处理系统v f o r mp o s t ，并通过些实例对 其进行了考核。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体分析与设计 面向对象的程序设计的关键内容是类、操作、关联、继承等的设计，而这些设计 的动因来自于用户对程序的需求。系统分析的主要工作是分析用户的需求，然后将这 种需求转化为程序实现。而系统的分析和设计是系统方法在信息系统开发中的具体应 用，所以，在本章中，我们首先简要地介绍系统方法，然后采用系统思想对板料成形 有限元模拟系统进行分析和设计。 2 1 系统方法概述 系统工程方法( 系统方法) ”l 】是研究系统的组织和发展，以及研究系统的创造合理 化的技术。系统工程属于方法论范畴，是观点、程序、手段和方法的总称。系统工程 有系统和工程两个方面，即它要从系统看工程，又要从工程看系统。 系统由若干具有独立功能的元素( 或部件) 组成，这些元素之间存在着密切的联 系，通过这些联系来达到某种目的。因此，任何系统的存在，都必须有三个条件：机 构、功能和目标。机构指的是系统的组织结构；功能是做某项工作的能力：这些功能 的总称是系统的目标。有各种各样的系统，例如企业系统，宇宙系统等。信息系统输 入数据( 信息的载体) ，经过加工处理后输出的是各种新的数据，这些数据表示了新的 信息。软件系统主要指以计算机进行信息处理为基础的人机系统：系统具有边界，系 统的组成部分确定了系统的边界，边界内称为系统，边界外称为环境。在信息系统 中，系统与环境之间有信息交流。从环境中得到某些数据称系统的输入，向环境输送 某些数据称系统的输出。系统的概念也是相对的，许多小系统可以组成大系统，一个 系统又可以再细分为一些小系统( 称子系统) ，无论怎样分解或综合，所得到的部件都 必须具备作为系统存在所必须的条件。 从系统看工程，指的是用系统的观点和方法解决工程问题，这里的工程可以是系 统的组织建立、系统的经营管理或系统的更新改造。所谓系统观点，就是在思考、研 究和处理事物时，要有意识地把它看成一个系统，即明确要素，从系统相关角度分析 它。从工程看系统，指的是用工程方法去建造系统。 系统方法主要是系统分析和设计方法，其中包含系统模型与优化等。工程方法是 处理工程问题时的科学方法，包括构思( 结构与原理) 、原则( 技术的、经济的和社 6 华中科技大学硕士学位论文 i 会的等) 、计算( 对某些关键部分的原理性或整体输出) 、试验( 结构、材料与参数1 和设计等几个环节。以系统思想为指导，以系统方法和工程方法为工具，去建造人们 所需的新系统或改造原有的旧系统，使之达到更加合理、更加完善和更加科学。 系统工程具有以下特征： 以创造系统为目的。 把研究和处理的事物看作一个系统、一个整体。或者说，在认识系统时，要 认识到所要处理事物的全部组成环节，以及这些环节相连结的部分的形式 或特点，这也就是所谓的系统意识或观点。 在把一个事物当作个系统看待的指导思想下，就要找出这个系统或整体 的合理组成部分，以及各组成部分之间的关系，通过建立这些组成部分及 其合理关系来达到整体功能的要求。 解决问题要有一个合理的步骤或程序。系统不仅表现在整体协调关系上， 还反映在事物处理的步骤上。从某种意义上来讲，解决问题本身的程序也 是一个系统。 一个系统，从其开始到成功地投入使用，要经过一个过程，这个过程的合理展开 就是系统工程的程序和方法中所要讨论的内容。系统工程基本方法是分析、评价和综 合，如图2l 所示。 习而olki 镕i1 。 ， i刀川1 琢 百i fi、 谇价l 一 - l i ， l 图2 1 系统工程基本方法 系统分析是从系统长远需要和总体最优出发。在选定系统目标和准则的基础上， 分析构成系统的各个层次子系统的功能和相互关系，以及系统同周围环境的相互影 响。简单说，对系统的分析包括： 对系统的外界环境进行分析，即系统的目的分析。这有两个内容；一是对系 统的输出的分析，就是外界对系统的需求分析；二是对系统的输入分析，就 是外界环境对系统的限制分析。 华中科技大学硕士学位论文 对系统的内部进行分析，即系统的方案分析。这也有两方面的内容：一是系 统实施方案的可行性分析；二是各实施方案的经济效益分析。 系统分析为系统设计所提供的成果是：新系统或改建系统的必要性和可行性；系 统的目标和系统的约束；新建或改建系统的框架结构和评价基础；几种有价值的可供 进一步加工的系统方案等。 系统设计是在系统分析的基础上，运用系统思想，综合运用各学科的知识、技术 和经验，通过总体研究和详细设计等环节，创造满足设计目标的人造系统。 软件系统的分析和设计的指导思想是系统方法。当然，根据对软件系统中的组成 元素的认识的不同，有不同的分析和设计方法。结构化分析和设计方法从计算机角度 考察系统的组成结构，将软件系统看成由各种处理( 过程) 所组成的一个系统，因此， 这样的系统不便于用户理解。 面向对象方法学的基本出发点是尽量按照人们认识世界的方法来分析和解决问 题，它将对象作为组成软件系统的最基本的元素。在面向对象的方法学中，数据和相 关的操作被归属于某对象，该对象模拟着系统分析和设计中被研究的事物。这样， 一个组织良好的软件系统可当作外部世界某一方面的一个可操作模型，模型化的外部 世界都是由对象( 例如，设备、雇员和工资单等) 组成的，使用面向对象的方法能够合 理地围绕这些对象的计算机表示来组织模型。 简单地说，面向对象的系统分析与结构化的系统分析的区别是，前者模拟着人类 分类和理解世界的方式，而后者则教授我们像计算机那样思考问题；前者能使我们建 立更好的系统和更好地与最终用户通信，而后者在复杂性高时将使这种通信变得很困 难。 2 2板料成形有限元模拟系统分析 2 2 1 系统需求分析 板料成形是一种重要的加工方法，应用非常广泛。板料成形有限元模拟能够在不 需要实际使用模具加工的情况下，对不同的设计方案及时进行评价，筛选出合理的或 最优的方案，节省了大量的人力、物力和时间。并且，数值模拟可以提供工件和模具 中各物理量( 如应力、应变和温度等) 分布的详尽数据，使人们获得比实际过程更深 厶曲i 堡! 逝丝丑蕉堑型盛垄直隍丞熊塑丕筮星韭堂重垂数! 垦囱处壹垒垒盟堑塞扭 8 华中科技大学硕士学位论文 构和软件厂商在进行这方面的研究。华中科技大学塑性成形模拟与模具技术国家重点 实验室作为国内在该方向唯一的国家级重点实验室，理所当然应该在这方面有所作 为。该系统的开发对于打破国外垄断，发展民族产业也具有重要意义。同时，这样一 个系统，对于今后进一步开展研究意义重大。所以该系统的开发是非常必要的。 板料成形有限元模拟系统【1 7j 是利用有限元技术对板料成形过程进行数值模拟，可 以模拟板料成形过程中的板坯的形状变化，塑性区的扩展，表面缺陷的产生，预测是 否会发生破裂，显示变形后工件的应力应变的分布，据此选择适当的材料和工艺及模 具参数。有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有限 元法分析问题时，首先采用“化整为零”的方法，将连续体分解为有限个性态比较简 单的“单元”，对这些单元分别进行分析：然后采用“化零为整”的方法，将各个单 元重新组合为原来的连续体的简化了的“模型”，通过求解这个模型得到问题的基本 未知量( 例如位移) 在若干离散点上的数值解：最后，根据得到的数值解再回到各个 单元中去计算其他物理量( 例如应变和应力) 。因此，在有限元分析之前，需要根据 板料的成形加工工艺，通过网格划分，建立有限元计算模型。这就是所谓的前置处 理。有限元分析之后会产生大量的计算数据。对于用户来讲，要理解这样的计算结果 是很困难的，需要借助计算机图形技术，将计算结果直观形象地表达出来。这就是所 谓的后置处理。 2 2 2 系统可行性分析 实验室在板料成形有限元模拟方面做了多年的研究工作，积累了一定的经验，对 于模拟计算部分和前后置处理部分的关键理论和技术已经基本掌握，并且开发了一些 程序模块。同时，我们拥有一批在该领域具有很深造诣的专家教授以及一批从事丌发 工作的硕士、博士。所以，从技术角度来讲，开发这样一个系统是完全可行的。 近年来，实验室先后承担国家自然科学基金( 基于晶体塑性理论的板材成形过程 的计算机模拟，批准号5 9 8 7 5 0 2 5 ) 和教育部优秀年轻教师基金项目( 冲压模具仿真设 计的关键技术研究) ，拥有系统开发所需要的软硬件环境。并且现在实验室正在承担 “十五”国家科技攻关计划“精密制造与数控关键技术研究和应用示范”的“智能化 大型复杂模具设计、制造成套技术与装备的开发和应用示范”( 项目编号为 2 0 0 1 b a 2 0 3 b ) 的第一期工作。板料成形有限元模拟系统也是该项目的一个子项目， 受到项目基金的资助。从经济角度看，我们已经具备开发该系统的物质条件。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 系统方案分析 系统的方案选择需要考虑以下几个问题： 1 ) 板料成形有限元模拟系统分前置处理部分、模拟计算部分和后置处理部 分。这三部分之间的关系如何处理。 2 ) 模拟系统与c a d 系统的接口。模拟计算部分需要由c a d 系统提供模具的 几何信息，通常采用的是图形文件接口。比较通用的标准的图形文件格式 有：i g e s 、s t e p 、s t l 和d x f 等。 3 ) 系统的图形支持平台。系统的前置处理部分需要处理拉延筋的设计、板坯 设计和网格修理等基本图形操作，以及模具型面修理等高级图形操作。可 以采用在大型的c a d 系统( 如u g 、a u t o c a d 等) 上做二次开发的方法 来完成这些功能，也可以自己开发一个简单的图形支持平台来实现这些功 能。 4 ) 系统的开发和运行环境。选择系统开发和运行的软、硬件环境，对环境的 技术要求。 5 ) 系统的丌发方法。可以选择的有：过程式的开发方法和面向对象的开发方 法。 2 2 4 系统功能分析 根据有限元分析的流程，前置处理主要是建立和修改有限元计算模型，为有限元 分析部分做准备。前置处理需要给分析部分提供的数据有：1 ) 材料模型：2 ) 摩擦模 型；3 ) 模具和坯料的几何模型：4 ) 过程控制参数；5 ) 边界条件；6 ) 工艺参数。 有限元分析部分利用前置产生出来的计算模型，进行分析计算，模拟板料成形过 程。分析部分需要完成单工步拉深模拟多工序拉深模拟。曲面压边模拟，回弹分 析，修边计算，逆算法预测板坯尺寸、翻边模拟和冲孔计算为了实现这些功能，需 要解决的问题有：1 ) 逆算法的研究：2 ) 各种单元模型的开发，包括四边形和三角形 壳单元、六面体和四面体实体单元，单元积分可以采用不同的方法；3 ) 动力显式算 法；4 ) 静力隐式算法：5 ) 显隐耦合算法：6 ) 接触算法；7 ) 压边力模型：8 ) 拉延 筋模型：9 ) 本构关系模型；等。 0 华中科技大学硕士学位论文 后置处理是显示有限元分析结果，实现结果可视化的部分，需要实现板料成形过 程动画显示，网格显示，光照模型显示，应力应变等值线和浓淡图显示，位移的等值 线和浓淡图显示，成形极限图显示，等等。 7 2 2 5 系统评价原则 一个好的系统应该能满足系统所需要的各种功能，降低系统开发的成本，同时具 有很好的可扩展性，可维护性，以及系统的稳定性。系统能够满足用户的各种需要， 这是最基本的；没有这样的要求，开发系统就失去意义。在此之上，我们还要尽可能 降低系统的开发成本。过高的开发费用无论对于研究还是商业开发，都是不可取的， 也是我们的经济条件所不允许的。所以，如何利用已有的开发基础是必须要考虑的。 系统建立之后，还有一个维护和升级的问题，这就要求系统具有可扩展性和可维护 性。目前国外许多软件开发组织把6 0 以上的人力用于维护已有的软件，而且随着软 件数量增多和使用寿命的延长，软件维护越来越重要。良好的系统在开发之初就必须 考虑可维护性和可扩展性。系统在性能方面应该满足基本的功能要求，同时尽可能提 供一些自己有特色的便利的功能，比如圆角的修改和s t l 缺陷的自动修复。在速度方 面，要注意两个方面：一、提高图形的显示速度，没有延迟的感觉：二、提高计算的 速度，这将是系统很重要的一个性能指标，决定系统的实用性。在开发时间上，希望 在今年年内初步实现系统的基本功能，有一个可以运行的原型系统。 2 3 板料成形有限元模拟系统设计 2 3 i 系统方案制定 板料成形有限元模拟的整个过程是：系统建模分析计算结果处理。一般 将这三个过程称为：前置处理、模拟计算和后置处理。这三个部分是前后相承接的， 每一步都是下一步的基础。但是彼此之间的联系不是很紧密，交互性的要求不高，所 具有的功能和运行方式差别也很大。前置处理主要是图形的编辑和操作，各种控制参 数的输入，对交互性的要求很高。模拟计算部分主要是由计算机来完成，运算中基本 上不需要用户的干涉。后置处理主要是显示功能，有一定的交互，但没有图形的编辑 操作。所以可以将他们分别作为独立的子系统。这三个子系统之间可以通过数据库或 。，f 华中科技大学硕士学位论文 数据文件的方式来交换信息。譬如国际著名的板料成形有限元模拟软件 e t a d y a n f o r m 就是如此做的。这样做的优点是降低系统开发的复杂度，各个模块 具有更大的灵活性。缺点是彼此关联性降低，对分析部分无法实行实时的结果显示。 鉴于我们目前的开发能力和实际情况，三个子系统分开开发的方案更加可行。对于无 法实时显示分析结果的问题，可以在以后通过对后置处理升级的办法来解决。所以目 前的开发方案是分别独自开发，彼此利用数据文件做接口。 由于三维造型c a d 系统本身是很复杂的系统，并且已经有许多很成熟的商品化 的软件可以使用，所以模拟系统不必要、也不可能有自己完备的三维造型功能，所需 要的模具几何数据一般是从通用c a d 造型系统得到的。常见的数据接1 ：3 文件格式 有：i g e s 、s t l 、s t e p 、n a s t r a n 和d x f 等。i g e s 和s t e p 定义的几何信息是最 完备的，应用也很广泛，但格式很复杂。d x f 的格式比较简单一些，但应用不够广 泛。s t l 是一种新兴的文件格式，最早用于快速成形中，由于具有格式简单的特点， 应用越来越广，一般的c a d 系统都提供这样的接1 ：3 。目前，复杂曲面的网格划分仍 然是一个研究难题，特别是在有许多曲面相互关联的时候。大型覆盖件很多就是这样 的。模拟系统需要的是模具的几何信息，并且一般需要的是模具离散化的网格信息， s t l 恰好可以满足这种需要。采用s t l 避免了复杂文件接口的读取和复杂曲面的网格 划分问题，大大降低了系统的开发难度。n a s t r a n 是一种表示有限元网格模型的文 件格式，它提供的网格在质量上要优于s t l 的网格。但是，n a s t 鼬n 不是一种很通 用的文件格式，这使得它的应用受到很大限制。所以，为了提高系统的通用性，我们 只能将n a s t r a n 作为一种可供选择的文件格式，s t l 作为系统的基本数据输入文件 格式。综合考虑，作为第一步，可以选择s t l 文件作为系统的接口文件。在以后可以 继续添加其他的文件格式，如i g e s ，然后开发相应的网格划分功能。 利用文件接口，前置处理获得了模具网格。复杂曲面生成的网格一般都存在一些 缺陷，如：裂缝，重叠和空洞等。对于这些网格缺陷常常需要做修理工作。所以前置 处理需要一个图形支持平台。这个平台可以使用已有的c a d 造型系统，以前就是这 样做的。可是这样做有一个很大的问题，就是独立性太差，处于很被动的地位，常常 需要因为c a d 系统的升级而升级。并且，为了满足不同用户的需要，我们就必须在 不同的c a d 造型系统上做各种开发，提供各种版本。这样就增加了很多工作量。所 以，开发一个独立的图形支持平台显得很有必要。通过对这个图形支持平台的需求分 析，发现实现这个平台是可行的。并且，这样的平台对于我们的后继开发是很有用 l-lf 华中科技大学硕士学位论文 的。所以，构造自己的图形支持平台是系统开发的一部分，系统将建立在自己的平台 之上。 由于w i n d o w s 系统的广泛使用，以及系统提供的大量开发工具，选择w i n d o w s 做系统的开发和运行平台是理所当然的事。现在随着计算机硬件技术的飞速发展，微 机在性能方面不比工作站或大型机差太远，而在价格方面占有很大的优势，所以微机 的应用越来越广。我们的系统应该首先能够在微机上面运行，其次考虑工作站和大型 机。对于一般的主频p i i i 以上，内存2 5 6 m 以上级别的微机就可以满足软件运行的要 求。对于底层的图形平台，我们选择o p e n g l 。鉴于面向对象开发的众多优点，我们 选择面向对象的开发方法。但是，对于模拟计算部分，由于已经采用过程式方法开发 了大量的程序。如果改用面向对象方法，程序的编写工作任务太大。并且，分析部分 完全是一种过程式的运行机制，很少有复杂的交互，所以，分析部分采用过程式开发 是有一定的合理性的，可以减少工作量，充分利用原来的工作基础。 2 3 2 系统结构设计 系统的方案确定以后，就可以设计系统的结构，将整个系统可以分为几个相对独 立的子系统，对于每一个子系统分别进行详细的分析和设计。图2 2 是系统的组织结 构图。o p e n g l 是整个系统的图形基础，有大量的应用程序接口可以使用，能够完成 点、线、三角形等基本图元的绘制和图形显示场景的设置。图形支持平台主要包括 点、线和面的生成，具有简单的图元编辑功能。前置处理利用图形支持平台提供的低 级功能，实现网格修理，板坯和拉延筋的设计，以及一些高级图形对象( 如工艺补充 面) 的编辑和操作。c a d 造型系统通过s t l 数据文件，为前置处理提供模具型面的 几何网格信息。模拟计算部分利用前置处理提供的分析数据文件，进行有限元分析计 算，并给后置处理部分提供结果数据。后置处理利用o p e n g l ，将计算结果图形化地 显示出来，提供对成形工艺的分析评价。 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 系统组织结构图 图2 3 是系统的数据流图。从数据流图可以更清楚地看出系统与环境以及各个子 系统间的相互关系。图中，1 一图形平台，2 一前置处理，3 一模拟计算，4 一后置处 理。所有的子系统之间，通过数据文件来交换信息。 图2 4 是系统的功能图。四个子系统分别完成各自的功能，从而，构成整个系统 的功能。建立这样个系统就是我们整个系统规划的目的。 一 华中科技大学硕士学位论文 么 州村 数据 = 。- ! 一 丁艺参数拉延筋数据 控制数据 j 7 一 分析结粜 分析结果 分析结果 图2 3 系统的数据流图 1 5 尝中科技大学硕士学位论文 图2 4 系统功能图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 图形平台和后置处理子系统的分析与设计 前面章对板料成形有限元模拟系统进行了总体的分析和设计，将系统分为四个 子系统：图形平台，前置处理，模拟计算，后置处理。本章首先对面向对象方法和 o p e n g l 做简单介绍，然后采用面向对象的方法对图形平台和后置处理子系统分别进 行详细分析和设计。 3 1 面向对象方法简介 面向对象技术的研究和应用遍及计算机应用的各个领域，包括面向对象的程序设 计方法、面向对象的程序设计语言、面向对象的分析设计工具、面向对象的操作系 统、面向对象的数据库管理系统、面向对象的开发工具和开发环境等等。所有的这些 研究和应用都是围绕着一种方法面向对象的方法。所以面向对象的方法其实可以 称为一种思想。一种考虑问题的思维方式。面向对象方法学的出发点和基本原则，是 尽可能模拟人类习惯的思维方式，使开发软件的方法与过程尽可能接近人类认识世界 解决问题的方法与过程，也就是使描述问题的问题空间( 也称为问题域) 与实现解法的 解空间( 也称为求解域) 在结构上尽可能一致。 客观世界的问题都是由客观世界中的实体及实体相互间的关系构成的。我们把客 观世界中的实体抽象为问题域中的对象( o b j e c t ) 。因为所要解决的具体问题各有其自身 的特点，因此，对象是不固定的。一个雇员可以作为一个对象，一家公司也可以作为 一个对象，到底应该把什么抽象为对象，由所要解决的问题决定。 从本质上说，我们用计算机解决客观世界的问题，是借助于某种程序设计语言的 规定，对计算机中的实体施加某种处理，并用处理结果去映射解。我们把计算机中的 实体称为解空间对象。显然，解空间对象取决于所使用的程序设计语言。例如，汇编 语言提供的对象是存储单元；面向过程的高级语言提供的对