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哈尔演理工大学t 学硕士学位论文 基于成组技术的汽车覆盖件冲压 工艺设计及数值模拟 摘要 由于汽车冲压件外形和结构的复杂性，冲压工艺设计仍然是以设计人员 的经验和知识为主，通过类比进行设计。以往的汽车覆盖件成形工艺设计， 一般需参考类似零件的现有工艺资料，并根据对成形零件的工艺性和成形性 分析，制定出初步工艺方案，然后再通过试冲来不断修改、完善，以形成最 终合理的工艺方案。这种方法需要耗费大量人力物力并且大大延长新车型和 配套模具的开发周期。近年来，随着数据库技术和有限元技术的发展，计算 机辅助设计( c a p p ) 和计算机数值模拟( c a e ) 己逐渐成为工艺设计及工艺分析 的有效工具。 本文根据成组技术的原理，对零件进行分类编码，并借助v i s u a l f o x p r 0 6 0 可视化软件，建立了以零件查询系统、工艺查询系统、经验查询 系统和资源查询系统等为主的数据库系统。并应用v i s u a l b a s i c 6 0 环境开发 基于知识的工艺设计系统基本框架，主要设计拉深工艺、翻边工艺、冲裁工 艺、局部成形等工艺系统，采用人机交互方式，实现汽车冲压件计算机辅助 工艺设计。 本文较系统的阐述和讨论了冲压成形动态仿真非线性分析的有限元理 论，包括材料模型、单元算法及接触处理算法等并通过采用大型非线性动 力显式分析软件e t a d y n a f o r m 5 2 模拟，讨论了汽车门外板压料面，工艺 补充面的生成方法。结合汽车门外板冲压仿真模拟预测出可能出现的起皱、 破裂等缺陷，通过调整压边力、拉深筋、开工艺切口等工艺参数，从理论成 形极限图上讨论了可能的工艺改进方案，为板材成形工艺设计和生产实践提 供了有效的理论指导，同时也缩短了冲压覆盖件的模具开发周期，大大降低 了产品的开发成本，缩短了产品的市场化周期。 关键词覆盖件；冲压工艺；数值模拟；c a p p ；成组技术 堕查鎏登三奎耋三兰堡圭兰堡鎏圣 ag r o u pt e c h o l o g y b a s e dp r o c e s s p l a n n i n ga n dn u m e i u c a ls i m u l a l l i o n f o ra u t o m o t i v es ，i ：c 气m p i n g s a b s t r a c t d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h eo u t l i n ea n ds t r u c t u r e ，t h et e c h n o l o g i c a ld e s i g n o fa u t o m o b i l ec o v e r i n gp a r t s i si ss t i l lb a s e do ne x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g eo ft h e d e s i g n e ra n dd e s i g n e db ya n a l o g y p r e v i o u sa u t o m o b i l ec o v e r a g ef o r m i n g p r o c e s sd e s i g n ，w h i c hn o r m a l l y t a k e sas i m i l a rr e f e r e n c et ot h e e x i s t i n g t e c h n o l o g i c a lc o m p o n e n t s ，a n d t h e p r e l i m i n a r yc r a f tp r o g r a mi s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gp r o p e r t ya n df o r m a b i l i t yo ft h es h a p e dp a r t ，a n d t h e ni tw i l lb em o d i f i e da n dp e r f e c t e db yt h et r i a ls t a m p i n g , t h e nt h ea p p r o p r i a t e c r a f tp r o g r a mi sf o r m e d h o w e v e r , t h i sm e t h o dn e e d sl a r g eq u a n t i t yo fm a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，b e s i d e s ，i tp r o l o n g st h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fn e wm o d e l a n dt h em a t i n gd i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u ea n dd a t a b a s e ，c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) a n dc o m p u t e ra i d e de n g i n e e f ( c a e ) h a v e b e c o m et h ee f f e c t i v et o o lo fp r o c e s sd e s i g na n dt e c h n o l o g ya n a l y s i ss t e pb ys t e p b a s e do ng r o u pt e c h n o l o g yt h e o r y , w ew o r ko u ts o r t i n gc o d en u m b e ra n d e s t a b l i s h e dd a t a b a s ew h i c hb a s e do nv i s u a lf o x p r 0 6 0r e l a t i o n a ld a t a b a s e i n c l u d i n gt h ep a r t sq u e r ys y s t e m ，t h ep r o c e s sq u e r ys y s t e m ，t h ee x p e r i e n c eq u e r y s y s t e m a n dr e s o u r c e s q u e r ys y s t e m u s i n g v i s u a l b a s i c 6 0 d e v e l o p s t h e k n o w l e d g e b a s e ds t a m p i n gp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m ，w h i c ha p p l i e sk n o w l e d g et o t h ea n a l y s i so ft h ep r o c e s sf e a t u r ea n dc a l c u l a t i o n so ft h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r , t h e n ，a i d sd e t a i l e ds t a m p i n gp r o c e s sp l a n n i n g i nt h i s p a p e r t h en o n l i n e a re x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tt h e o r yi ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y , w h i c hi n c l u d em a t e r i a lm o d e l s ，e l e m e n ta l g o r i t h ma n dc o n t a c t h a n d l i n gm e t h o d se t c u s i n gad y n a m i ce x p l i c i tf e a s o f t w a r ee t a d y n a f o r m 5 2 ， a n di n t r o d u c e st h eg e n e r a t i o no fa u t o m o b i l ep a n e l sb i n d e ra n da d d e n d u m 竺玺鎏矍三奎兰三耋堡圭兰竺丝三 t h r o u g hp r e d i c t i n gt h ed e f e c t ss u c ha sw r i n k l ea n dc r a c k so fa u t o m o b i l eo u t d o o r s i m u l a t i o n 。w ea d j u s t e dp r e s s u r e - p a d f o r c e ，d r a w b e a d ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d a d d i n gt e c h n i c a lc u t a l s o ，w e d i s c u s sap o s s i b l e i m p r o v e m e n tp r o g r a m a c c o r d i n gt ot h et h e o r yf l da n dp r o v i d ee f f e c t i v eg u i d a n c ef o rt h ed e s i g na n d p r o d u c t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g y , i na d d i t i o n ，t h ed e v e l o p m e n tc y c l e o fs t a m p i n gp a n e lm o u l di ss h o r t e n e d ，t h u sr e d u c e dt h ec o s t o fp r o d u c t d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c tp e r i o ds i g n i f i c a n t l y k e y w o r d sa u t o m o b i l ep a n e l ；s t a m p i n gp r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c a p p ； g r o u pt e c h n o l o g y m 一 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于成组技术的汽车覆盖件 冲压工艺设计及数值模拟，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：“汔久日期：如叼年弓月多日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于成组技术的汽车覆盖件冲压工艺设计及数值模拟系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密围。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：伉浓祆日期：摊弓月占日 导师签名：刻面隅日期：砷3 月膨日 哈尔滨理t 大学 二学硕j j 学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 汽车行业是我国国民经济的支柱产业之一。冲压加工作为汽车车身生产的 基本技术手段，决定着汽车车身的精度、外观及经济性。作为产品设计和制造 之间的纽带，冲压工艺设计的先进程度是汽车制造水平的重要标志之一 现代汽车制造业面临着生产批量小，产品品种多，开发周期短和日益集成 化的生产和市场环境。而且在汽车制造领域，产品品种的变化，绝大多数情况 与车身覆盖件相关。虽然随着c a d c a m 技术在汽车领域中的应用，汽车制造 技术有了很大程度的提高，但工艺设计还处在较低的技术水平上，成为汽车制 造技术发展的瓶颈。因此，利用现代科技发展提供的信息技术、先进的制造思 想，来提高我国汽车工业的制造水平，特别是汽车覆盖件的工艺设计水平有着 重要意义。 传统的车身覆盖件冲压工艺设计过程高度依赖工艺人员的经验，而这些经 验又全靠工艺人员的领悟和师父的传授，以上过程是一个长期而缓慢的积累过 程。由于依靠自身积累的经验性知识因人而异，不同的人对同一工艺过程的理 解会有很大的差异。同样的零件，由不同的工艺人员来设计时，其工艺方案就 不尽相同。甚至，同一设计人员对同一个零件在不同时间的两次设计，其设计 方案也会有较大的差异。这种工艺设计的不规范性和随意性都给车身覆盖件冲 压工艺设计质量和效率的提高带来很大的困难。 近年来，随着计算机软硬件技术、图形学技术、人工智能技术、板料塑性 变形理论和数值计算方法等的发展，以及与传统的工艺模具设计技术的交叉 集成，开创了利用c a d c a m ，c a p p 技术和c a e 数值模拟分析技术进行覆盖 件成形工艺设计的新领域。技术设计人员可以根据数值模拟预测成形过程中的 板料的破裂，起皱和减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成 形工艺及模具设计提供帮助。这样大大缩短了汽车产品的设计制造周期，降低 汽车成本，增强了企业的竞争力。 目前由于c a d 和c a p p 系统间的耦合仅限于简单的几何模型传递，深层 次的特征信息、工艺规则、设计约束和知识模型的信息都没有作为关键要素进 行集成，工艺系统设计还缺乏有效的获取和繁衍新知识的方法。c a e 数值仿真 哈尔滨理1 = 大学t 学硕卜学位论文 技术不仅仅是检验模具工艺设计合理与否的工具，同时还是提供获取新知识 的有效途径，可以发现潜在的工艺优化设计的空间和可能性。 1 2 计算机辅助设计的主要作用和研究状况 计算机辅助工艺设计c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) ，它是根据产 品设计自动化所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计。随着机械 制造业出现计算机集成制造系统c i m s ，对c a d ，c a m 集成化的要求越来越强 烈，而c a p p 正是连接c a d 和c a m 间的一座桥梁：o p 能从c a d 系统中 获取零件的各种信息。同时，又能输出c a m 所需的各种信息。随着对生产模 式的深入研究与推广应用，人们已经认识到。蟑p 是先进生产模式的主要技术 基础之一 1 2 1c a p p 的主要作用 对于工艺过程复杂的汽车覆盖件产品而言，c a p p 技术无疑适应了其发展 需求，并将给传统的车身开发工艺设计过程带来一场变革1 1 l 。其主要作用表现 如下【2 l ： 1 可以减轻、代替工艺工程师的繁重劳动，使他们能从事新产品的开发、 工艺装备的改进及新工艺研究等创造性工作。 工艺过程设计需要有具有丰富生产实践经验的工艺工程师才能胜任，因为 工艺工程师熟知本企业的生产情况、各种工艺方法和工装设备、加工水平等。 这种具有丰富生产实践知识的工艺工程师即使是在工业发达国家中也是常常感 到缺乏。计算机辅助工艺设计可以代替大量的工艺工程师的繁重的重复劳动， 减少或代替工艺设计过程中所需的某些人工决策，降低对工艺人员的技术要 求。 2 实现工艺设计的规范化和标准化，提高工艺设计质量。 计算机辅助工艺设计可以编制出一致性好，精确的工艺过程。在人工编制 工艺过程中，由于受到个人经历和知识限制，在同样生产条件下，可能编制出 不同的工艺过程，影响了生产组织工作。而计算机能按照程序的要求编制出详 尽的工艺过程，精确性好，减少了人为因素的影响。 3 缩短生产准备时间，提高劳动生产效率。 人工设计过程繁琐、费时、速度慢，难以适应多品种生产、产品更新换代 和市场变化的要求。统计表明，人工工艺设计过程所需的时间约占整个生产准 哈尔滨理1 = 大学t 学硕十学位论文 备时间的4 0 左右。计算机辅助工艺设计能大大缩短生产准备周期，从而缩短 了产品开发周期，提高了企业对市场变化的响应速度和竞争力。 4 减少工艺设计费用及制造成本。 一个先进的计算机辅助工艺设计系统能大大减少工艺工程师的劳动，缩短 产品开发周期，提高生产率，减少废品数量，使制造费用、产品成本大为缩 减。 5 统一管理和维护工艺技术文件，实现对工艺专家知识与经验集中利用和 继承。 c a p p 系统把工艺技术文件计算机化，并存储在工艺数据库中，便于企业 技术资料的统一管理和集中利用。把工艺设计经验以工艺文件、工艺知识、工 艺规则等形式存储起来，并加以利用，从而实现工艺设计经验和知识的继承利 用，降低企业对工艺设计人员的要求。 6 促进生产自动化，并为企业信息化建设做准备。 c a p p 作为企业信息管理系统的一个重要组成单元，是企业信息化建设必 不可少的部分在集成制造系统中，c a p p 是连接c a d 和c a m 的桥梁，在企 业的信息流中占有重要的地位。 可见，c a p p 技术的应用不仅可以优化工艺资源配置，合理安排工艺过 程，而且使企业的信息化集成成为可能。 1 2 2 冲压成形计算机辅助工艺设计的研究状况 汽车覆盖件企业广泛应用c a d c a m 技术，并集中了先进的c a d c m 软件，但c a p p 技术的应用还是比较少。其原因一方面在与面向覆盖件的 c a p p 技术领域少有研究，通常大型软件公司开发的企业自动化软件中侧重软 件的通用性和开放性，对于中小企业投资大，开发周期长。另一方面，企业晃 对c a p p 技术认识存在一定的误区，即认为c a p p 仅用于大批量生产。 目前，国外关于这方面的文献很难见到，国内的研究也不多见。较早的应 用研究集中于工艺较为简单的冲裁、弯曲、简单的轴对称零件和盒形件等工 艺，对于复杂的拉深工艺涉及较少 3 1 。 国外主要研究有：美国p u r d u e 大学ge s h e l 等开发出用于轴对称零件拉深 加工工序自动设计的专家系统 4 1 。系统采用p r o l o g 语言编写。美国s u r e s hk s i t a r a m a n 等也开发了一套关于轴对称拉深件工序设计系统，其中基于知识的 专家系统能根据设计经验规则产生初步的工序，然后通过其工艺模拟分析模块 哈尔演理工大学t 学硕十学位论文 模拟金属的成形过程，并试验工序排列的正确性1 5 1 。美国佛罗里达大学r c h a u z s o y 等开发出针对简单弯曲件的一个实验性专家系统，实现了带有圆形冲孔 的简单板弯曲件加工工序的自动确定 6 1 。s b p a r k 等开发了基于知识的轴对称 拉深件工艺设计系统，由c a d 软件p r o d e e p 输入图形数据，系统自动识别参 数，然后生成每一步的模具、装配图、n c 加工命令等川。d l u t t c r s 等针对小 批量钣金生产环境，研究了面向并行工程的通用c a p p 结构以及加工周期内信 息的处理i s 。 美国西北大学智能信息实验室与福特汽车公司开发了覆盖件冲压咨询系 统，将实例推理技术应用到汽车覆盖件加工可行性分析中，着重研究了实例信 息处理技术 9 1 。 深拉延冲模设计专家系统通过一定的图形表示机制来表达所要设计的杯形 零件图形，然后利用图形识别系统对输入图形进行识别，再与典型零件拉延工 艺进行匹配、优化、修改，从而得到拉延过程中每一道工序的零件尺寸、冲模 形状和模具装配图 1 0 1 。 有些研究以各种几何轴对称、载荷轴对称和应变轴对称零件的拉延工艺研 究为基础，主要研究非轴对称零件的深拉延工艺设计【“l 。当进行更复杂几何形 状零件的拉延工艺设计时，其拉延工艺及其工艺优化仅取决于专家经验。 还有一些典型的工艺设计系统，如：基于变异式c a p p 系统用于对锻造和 冲压过程进行分类定义1 1 2 】；基于创成式系统，可以处理钣金类零件；a u t a p 系统可以在n c 机床上生成钣金类零件的加工程序1 1 4 j ；钣金零件的变异式过程 设计系统，该系统在目前工作中被广泛应用 1 5 1 国内华中理工大学较早开展了冲压工艺设计专家系统的研究，建立了用于 轴对称拉深工艺设计的专家系统d p e s 和用于弯曲工艺设计的专家系统 b p e s t l 6 1 拉深工艺设计专家系统d p e s t l 7 1 由规则库、推理机、控制程序，数 据库、交互设计模块等组成，在m i c r o 、，a x i i 机上采用f o r t r a n 与l i s p 语 言开发。系统采用框架表示与产生式规则相结合的方式来表达工程数据和规 则。规则库采用分类结构及子任务模块，推理机设置了局部匹配黑板，利用正 向推理技术搜索解空间。系统采用了“设计测试一校正”的循环控制策 略，直至最终生成可行性工艺设计方案。而弯曲工艺设计专家系统b p e s ，利 用专家系统的技术和方法，自动完成弯曲类冲压件的工艺性判断、工序设计和 工位布置。系统采用了特征的信息描述法和面向对象思想来表达工艺知识。 华中理工大学的王义林、李志刚等开发了基于特征的汽车覆盖件冲压 c a p p 系统【1 s l 。该系统以e u c l i d 软件为开发平台，采用交互式特征识别方法进 哈尔滨理1 = 大学丁学硕一仁学位论文 行特征建模，对基于知识的工艺生成和可行性分析等关键问题进行探讨，实现 了冲压工艺设计。此后，陈力利、易俊松等又先后以u g 软件为开发平台，对 c a p p 工艺知识库的建立及工艺路线的规定进行了进一步的研究【1 9 1 1 2 0 l 。 上海交通大学汽车研究所和上海大众汽车有限公司在基于专家知识的基础 上，研究了应用半创成方式设计汽车覆盖件拉延模的方法f 2 l l 。 北京航空航天大学的胡世光、高凯祁针对专家系统技术在覆盖件拉延件工 艺要领设计中的应用展开研究，以“人机一体化”思想为指导，提出拉延件要 领设计的概念和特点，对零件信息建模，面向对象方法，知识库建立等关键技 术进行探讨1 2 2 1 。 汽车覆盖件形状较为复杂，多为复杂空间曲面，由于工艺设计的复杂性， 至今仍很难找到一条有效的途径来解决实际问题。专家系统应用也主要集中在 模具设计的方向上，对工艺设计的触及少之又少。这一方面需要考虑采用合适 的模型来描述和表达实际冲压工艺问题；另一方面要考虑选择有效的方法集专 家的经验和知识于系统，并能通过高效的控制来实现问题的解决。 1 3 覆盖件冲压成形数值模拟 1 3 1 覆盖件冲压成形数值模拟的意义 由于车身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。车身覆盖件多为结构尺寸大，形状复杂，尺寸精度和表面粗糙度要求高的 空问曲面，其冲压过程是一个十分复杂的力学过程。传统的冲压生产是经验和 试探的摸索，尤其是试模阶段，大量的资源和时间支出使得冲压生产的质量和 成本难以得到理想的控制。计算机有限元数值分析对板科成形过程的仿真应用 可以使技术人员非常直观地在计算机屏幕上观察到材料变形和流动的详细过 程，了解材料的应变分布、料厚变化、破裂及皱曲的形成经过。获得成形所需 要的载荷及零件成形后的回弹和残余应力分布，从而根据已有的经验实时调整 模具参数及成形工艺，并修改毛料形状和尺寸。通过大型复杂的汽车覆盖件的 成形工艺进行深入的模拟分析，提高了产品的质量，缩短了模具设计的开发周 期，降低了开发成本。同时，也把得到的工艺经验和设计知识与c a p p 结合， 演证工艺的合理性和可靠性，并通过有限元模拟使缺乏工艺经验的覆盖件 c a p p 的知识库得到补充。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 1 3 2 覆盖件冲压成形数值模拟的发展状况 板料成形数值模拟技术的研究始于上个世纪6 0 年代例，早期的研究主 要采用的是有限差分法。到上个世纪7 0 年代，采用有限元法的板料成形数值 模拟技术开始在业界流行。1 9 7 1 年，日本学者y a m a d a 首先将弹塑性有限元法 引入到模拟板料成形的研究中，用于分析圆筒件的拉延问题。与此同时， h i b b i t t t 2 5 1 在h i l l l ”j 有限变形原理基础上采用l a g r a n g e 描述，建立了大变形弹塑 性有限元理论。1 9 7 8 年，n m w a n g 和b b u d i a n s k y l r o 采用完全l a g r a n g e 数 学描述，推导出可用于一般板料成形过程分析的有限元模型。他们在其研究 中，一方面假设被成形的板料很薄，可以忽略弯曲效应，进而可以借助薄膜单 元来离散分析对象；另一方面假设板的材料是弹塑性的，满足速率无关m i s e s 流动法则，并且在界面约束中引入库仑摩擦定律。基于上述假设和分析对象的 简化，两人模拟了多种材料的半球冲头胀形及冲压成形过程，其计算得到的应 交分布数据与物理实验结果吻合相当好，该成果标志着数值模拟技术在板料成 形领域应用研究的正式开始。2 0 世纪8 0 年代初，通用汽车公司的n m w a n g 和福特汽车公司的s c t a n g 等人经过长期探索，成功地对轿车行李箱盖和前 翼子板的冲压成形过程进行了数值模拟1 2 a 1 1 2 9 1 ，从而开创了汽车覆盖件冲压成形 数值分析的应用研究领域i ：0 1 8 0 年代后期，随着计算机科技的飞速发展和有 限元方法的实用化，在世界汽车工业应用需求的推动下，板料成形过程的计算 机模拟迎来了蓬勃发展的时期，时至今日，仍方兴未艾。在国外，板料成形有 限元分析技术己经成为许多汽车生产厂家和模具制造公司提高产品竞争力的必 备技术。欧洲以欧盟牵头，开展了一个包括多家汽车公司、研究机构和软件开 发商参与的板材成形数值模拟技术的工业应用研究项目。在美国板料成形数值 模拟技术的应用己经相当的广泛，先进的计算机模拟已逐步与实验和测试结合 了起来，并有取代传统意义上的费时、费力的实验手段的趋势。法国雷诺汽车 公司不仅自己有技术人员专门从事数值模拟工作，而且与北京航空航天大学合 作，对轻型材料汽车饭金零件的成形技术进行数值模拟分析1 3 1 1 日本丰田 ( t o y o t a ) 公司在应用该技术方面非常成功，己经建立了一个整车车身各种典 型零件的分析结果库。日本荻原( o g i h m ) 公司经过努力，也为多种车型建立了 基于有限元技术的板料成形数据库。目前，荻原公司能对整车开发中的 3 0 巧0 的冲压件进行板料成形数值分析。 国内在车身覆盖件冲压成型数值仿真方面起步较晚，但发展比较迅速。 1 9 9 0 年，北京航空航天大学的熊火轮0 2 1 采用a d i n a 程序，模拟了宽板拉伸、 哈尔滨理工大学- 学硕 学位论文 液压胀形及汽车暖风罩的成形。1 9 9 1 年华中理工大学的董湘怀 3 3 1 做了轴对称及 三维金属板料成形过程的有限元模拟研究，为克服因节点接触状态变化而引起 的数值计算不稳定性，提出了“弹性边界层”方法。华中理工大学的吴勇国p 哪 对板壳理论、显式积分等计算理论与方法在板料成形数值分析中的应用做了深 入细致的研究，并模拟了汽车覆盖件成形。哈尔滨工业大学的张凯峰嘲采用刚 粘塑性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并己经得到工业应 用。湖南大学工程软件研究所的李光耀p 6 l 在国家自然科学基金的资助下，开展 了冲压成形过程的动力显式有限元分析程序的开发和研究。吉林大学的胡平 3 7 1 教授等采用非经典的弹塑性拟流动理论和非二次形的面内各向异性屈服函数对 各向异性板料冲压成形性进行了分析，并开发了k m a s 板料成形模拟分析软 件。湖南大学的徐康聪 3 s l 进行了板料成形过程的显式有限元分析程序的开发和 研究，采用基于随动坐标系的假定应变域壳单元及显式有限元格式求解三维板 料成形问题。 国内的一些汽车厂为了提高企业的市场竞争力，减少试错逼近的试模环 节，降低生产成本，缩短生产周期，开始与高校合作，展开了覆盖件冲压成形 动态仿真的工业应用研究。如1 9 9 6 年，一汽集团、上海大众先后与高校合作 完成了小红旗轿车、s a n t a n a 系列轿车等若干覆盖件的冲压仿真分析与试验分 析，开展了工业应用研究。 。 现在板料成形计算机模拟技术己开始进入应用阶段，国外有比较成熟的 专用商业化软件可用于板料成形数值模拟，典型的有如以下几种： d y n a f o r m ，a u t o f o r m ，p a m s t a m p ，l s d a n a 3 d ，s h e e t - 3 d 等。 1 4 课题研究的内容 目前，汽车工业面临着全世界范围内激烈的市场竞争。与此同时，人们对 汽车的质量、性能的要求越来越高。在这样的背景下，企业所面对的生产环境 的特点是：生产周期缩短，产品的结构趋于复杂，品种增多，批量变小，用户 需求个性化和生产日益集成化。这就需要作为c a d 和c a m 之间桥梁的 c a p p 、c a e 发挥更大的作用。基于以上分析，本课题分成基于成组技术的覆 盖件冲压工艺的计算机辅助设计( c a p p ) 和在辅助工艺设计基础上，冲压工艺的 数值模拟( c a e ) 两个部分。其具体内容如下： 1 以成组技术为基础，将数据库技术应用于覆盖件冲压工艺设计知识数据 库的设计，建立了覆盖件冲压工艺设计知识数据库的基本结构，开发了相应的 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 数据库管理系统。 2 利用v i s u a lf o x p r 0 6 0 可视化软件，建立了以零件查询系统、工艺查询 系统、经验查询系统和资源查询系统等为主的数据库系统。 3 应用v i s u a l b a s i c 6 0 环境开发基于知识的工艺设计系统基本框架，主要 设计拉深工艺、翻边工艺、冲裁工艺、局部成形等工艺系统，采用人机交互方 式，实现汽车冲压件计算机辅助工艺设计。 4 利用有限元数值模拟软件d y n a f o r m ，针对具体实例进行拉深工序模 拟。 5 分析覆盖件的成形特点，针对模拟所出现的破裂、起皱等缺陷进行受力 分析，通过调整压边力、拉深筋、开工艺切口等工艺参数，使产品工艺达到了 优化的目的。 哈尔滨理下大学工学硕 学位论文 第2 章c a p p 原理及相关技术 2 1 成组技术简介 2 1 1 成组技术的概念 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ，简称g n 是按照事物的相近性，它是将许多 不同而有具有相近的事物依照一定的准则分类成组，使类似的事物能够采取相 同的解决办法，以达到节省时间、精力和费用的目的。 成组技术在广义上认为：由于许多问题是相似的，把相似的问题归并成组 便可找到一个单一的解决一组问题的答案，从而节省了时间和精力。在工程上 将企业生产的多种产品部件和零件，按照一定的相似标准分类归组，并以此为 基础组织生产的各个环节，由于扩大了同类零件的批量，从而实现多品种、中 小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化和科学化，促进了产品 零部件的标准化。 成组技术以系统工程思想和相似性原理为依据，将相似的零件进行识别和 分组，并在零件设计和制造中充分的利用他们的相似性，相似零件被列入一个 零件组或零件族。 2 1 2 成组技术的核心技术 2 1 2 1 零件的相似性早在几千年前，人类在认识自然和改造自然的长期实 践过程中，就发现宇宙间的万物都存在着普遍的联系和相似现象，并由自发到 自觉地按照“比较鉴别，分类归组和借助适宜方法统一处理”的思路来有效地 利用客观存在的相似性。例如，我国古代把儒家经典划分为“四书”、“五 经”，按“六艺”组织教学活动；西方生物学家把生物划分成“属”和“种”， 鸡是翅膀退化了的鸟，老虎和猫是同一科的成员等等。这些都体现了“相似成 组”的哲理。 大量的统计分析表明，任何一种机械产品中的组成零件都可分为三类。图 2 - 1 是各类零件在产品中所占的百分比：( 1 ) 复杂件或特殊件：结构上差别大， 通用性低，约占零件总数的1 0 ；( 2 ) 相似件：属中等复杂程度，在不同产品中 哈尔演理工大学t 学硕士学位论文 2 0 1 0 7 0 囹 复杂件 相似件 口 标准件 图2 - 1 机械产品的三种类型零件 f i g 2 - 1t h mt y p e so fm a c h i n e r yp a r t s 相似而具有一定的通用性，品种多，数量大，约占7 0 ；( 3 ) 标准件：这部分零 件约占2 0 。由图中可以看出，相似件的出现率很高，而且即使是复杂件，在 同类系列化产品中，其在工艺上也有许多相似性。因此，只要充分利用这一特 点，就可将那些看似孤立的零件按相似原理划分为具有共性的一体，在加工中 以群体为基础集中对待，从而使多品种小批量的生产转化为近似大批量的生 产 成组技术最基本的原理是“相似性”一产品零件的几何形状、结构特征的 相似性，制造零件的工艺规程、材料毛坯的相似性，组织生产的机器设备、工 艺装备的相似性，控制管理的信息手段、协调机能的相似性等。 根据其“相似性”的基本原理形成的成组技术是一种涉及面很广的现代化 科学管理方法按一定的相似性准则进行归类分组，从而扩大产品批量，实现 对多品种、中小批量生产的产品设计、工艺设计、加工制造和生产管理等领域 的最大优化，降低产品成本和提高效率 4 0 1 。成组技术的应用和推广，意味着企 业在生产、技术、经营三大管理上要进行重大改革，对企业的全面发展将会起 到巨大的推动和促进作用。 2 1 2 2 成组技术的分类编码系统成组技术的关键是按照一定的规则进行分 类编码，实现产品的数字化表示。机械零件分类编码系统，就是用数字、字母 或符号，将机械零件图上的各种特征进行描述和标识的一套特定的法则和规 定。 编码的目的是用规定的字符来代表复杂的概念。这种复杂的概念若用文字 叙述，则必将十分冗长和累赘。将编码技术用于成组技术的零件分类系统，可 使复杂的分类标志所代表的特征和属性概念字符化或代码化，从而便于记忆和 哈尔滨理工大学t 学硕t 学位论文 应用。零件分类中采用编码后，还能使零件复杂的结构形状转化成数码，亦即 实现“以数代形”的目的，这样便能充分利用计算机善于处理数字信息的能 力。于是可以直接利用零件分类所得的分类码进行零件谱的统计分析，以及按 结构一工艺相似性的要求划分零件组。 编码所用代码的类型主要有以下3 种类型： 1 用阿拉伯数字( 0 ，1 ，9 ) 作代码。常用的数字数制有二进制、八进 制和十进制。目前十进制用得较多。 2 用英文字母( a ，b ，z ) 作代码。用英文字母作为代码，其通用性不 及5 可拉伯数字。除英文字母外还可以用其它文字字母作代码，例如俄文字母。 3 数字字母混合作为代码。如果采用十六进制代码时这便是一种典型的数 字字母混合代码。当然，数字字母混合代码并不限于用在十六进制中。 在上述3 种类型的代码中，一般以采用数字代码占多数，少量采用数字字 母代码，而纯粹用字母代码的极少。 目前比较常用的分类编码系统是o p t i z 码，该方法采用9 个码位，1 5 位 用于描述零件的形状，称为主码；6 - 9 位用于描述零件的尺寸、精度和材料， 称为辅码。一组代码表示具有相似特征的一组零件，代码的作用是使这组零件 的各相关特征字符化、明朗化，为g t ( 成组技术诳实施中进行相似性分析和处 理提供必要条件。 2 1 2 3 零件的分组方法按编码系统将零件编码后要进行分组，即采用不同 的相似标准，将零件划分为具有不同属性的零件族。 目前应用的零件分类方法主要有：视检法、生产流程分析法和编码分类 法。视检法是由有生产经验的人员通过仔细读零件图，把具有某种特征属性的 一些零件归结为一类，它的效果取决于价人的生产经验。生产流程分析法是以 零件生产流程为依据，在认真分析零件的工艺规程和生产设备明细表等技术文 件后，把工艺过程相近的零件归为一类。编码分类法需将待分类的零件进行编 码，然后按一定的相似性进行分类。编码分类发是比较科学的方法，特别是使 用电子计算机分类时效果更好。 2 2 数据库的基本知识 数据库( d a t a b a s e ) 是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。数据 库为信息存储与处理提供了灵活、广泛的技术支持。数据( d a t a ) 是对客观事物 的抽象，不仅包括数字，也可以是文字、图形、图像、声音等多种不同的形 喻尔滨理t 大学下学硕十学位论文 式，经过数字化都可以存入计算机。数据库中的数据按照一定的数据模型组 织、描述和存储，因而具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易于扩展性， 并可为各种用户共享1 4 1 1 。 数据库作为数据的载体应该为其提供相应的处理功能，如收集、存储、加 工和传播等一系列活动。数据管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 根据数据 处理的这种需求，对数据进行分类、编码、存储、检索和维护，因而它是数据 处理的中心问题。 2 2 1 数据库设计的一般步骤 数据库设计的主要任务是在数据库管理系统( d b m s ) 的支持下，按照应用 要求，为某一部门或组织设计一个结构合理、使用方便、效率较高的数据库及 其应用系统。 数据库的设计是从用户对数据的需求出发，研究并构造数据库结构的过 程。目前分段设计法在数据库设计中得到广泛应用，这种方法遵循自项向下， 逐步求精的原则。将数据库设计分解成若干个相互独立又相互依存的阶段，设 计流程图如图2 2 所示。其中需求分析目标是了解与分析用户的信息及应用处 理的要求，概念设计是对需求分析后提供的信息和应用处理进行抽象与综合处 图2 - 2 数据库设计步骤 f i g 2 - 2d e s i g ns t e p so f d a t a b a s e 理，并构造相应的独立于特定数据库管理系统的概念模型，逻辑设计( 实现设 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 计) 是将概念模型转换成某数据库管理系统所接受的逻辑数据结构，物理设计 是将逻辑数据库转换为特定计算机系统所接受的数据库【“。 2 2 2 数据模型 数据库中数据的结构形式称为数据模型，它是对数据库系统的数据组织、 信息表示和操作手段的一种模型化表示。数据模型重在数据结构。因此，一种 数据模型实际上定义了一个具体的数据库。 数据模型是用户和数据库之间相互交流的一种工具。用户可按数据库提供 的数据模型使用有关的命令进行数据的存、取等操作。 数据库中常用的数据模型有三种：层次模型、网状模型、关系模型。 层次模型描述的是实体间“一对多”的关系，也叫树型结构。例如，一个 企业或一个学校，其组织结构就是一种典型的层次结构的数据模型。 网状模型描述的是实体间“多对多”的联系。这种模型的结构特点是不受 层次的限制，可以任意建立联系，是一种节点的连通图。 关系模型是用二维表格来描述实体之间联系的一种结构模型，因此，可将 关系理解为二维表。关系模型是一种新的数据模型，由于这种模型比较接近人 们的使用习惯，因此很受欢迎，成为目前数据库系统中最常用的一种数据模 型。 2 3c a p p 系统的基本原理和分类 2 3 1c a p p 系统的基本原理 c a p p 在整个c d ，c p p c 舢订集成系统中处于中间位置。一方面，c a p p 系统需要从c a d 系统接收零件几何结构信息，进行工艺规划，生成工艺文 件；另一方面，它需要向c a m 系统提供细致而详尽的机床设备，道具、夹 具、量具选择及材料等指导性信息。c a p p 系统的基本结构如图2 3 所示。 从图中可以清楚看出：首先，将零件的特征信息以代码或数据的形式，输 入计算机，并建立起零件信息的数据库；其次，把工艺人员编制工艺的经验、 工艺知识和逻辑思想以工艺决策规则的形式输入计算机，建立起工艺决策规则 库( 1 - 艺知识库) ：第三，把制造资源、工艺参数以适当的形式输入计算机，建 立起制造资源和工艺参数库；第四，通过程序设计充分利用计算机的计算、逻 哈尔滨理下大学t 学硕士学位论文 辑分析判断、存贮及编查询等功能来自动生成工艺规程。这就是c a p p 原理。 图2 - 3c a p p 系统的基本结构 f i g 2 - 3t h eb a s i cs t m c t m eo fc a p ps y s t e m 从图2 3 中可以看出。廿p 主要包括以下五大功能模块： 1 零件信息模型的建立和零件信息的输入要建立c a p p 系统，首先要解 决零件信息的描述与输入问题，这是c a p p 系统运行的基础和依据，对整个 c a p p 系统的设计结构和运行效率有决定性的影响。 目前国内外开发的c a p p 软件的信息描述与输入还需要人机交互的方式进 行。最早采用的方法是以成组技术为基础，以成组编码表示零件的种类和主要 结构。这种方法简单易行，常用于变异式c a p p 系统。8 0 年代以来，制造业 竞争日益全球化，使制造业在经历了机械化、自动化之后，开始进入集成化阶 段。从c a p p 的发展来看，直接从c a d 系统获取c a p p 所需的数据，乃是提 高设计效率，实现真正集成的根本途径。 2 工艺设计决策机制c a p p 的核心问题