板料沖壓仿真系統(tǒng)設(shè)計

                          華中理工大學(xué) 鄭瑩 董湘懷 李尚健 

　　摘要　論述板料沖壓成形過程計算機(jī)仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，包括結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο蠓椒ǖ取?nbsp;

　　關(guān)鍵詞：　板料沖壓　計算機(jī)仿真　有限元法　系統(tǒng)設(shè)計 

　　板料沖壓成形計算機(jī)仿真涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)、沖壓工藝學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)……，需要綜合多學(xué)科知識進(jìn)行研究；其理論性很強(qiáng)、應(yīng)用性很廣。要開發(fā)出一個計算效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、功能齊全的板料成形過程計算機(jī)仿真軟件，必須將沖壓工藝CAE與模具CAD進(jìn)行集成化，即一方面采用CAD系統(tǒng)為數(shù)值分析建立幾何模型，另一方面采用數(shù)值分析對CAD設(shè)計結(jié)果進(jìn)行評價，優(yōu)化工藝參數(shù)和優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。在工程實際中應(yīng)用板料沖壓成形計算機(jī)仿真技術(shù)，是從根本上改進(jìn)現(xiàn)行模具設(shè)計模式的一個有力手段，是促進(jìn)模具工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一，對于實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化具有重要意義。 

　　1　仿真原理 

　　板料沖壓是利用模具使金屬板料發(fā)生塑性變形生產(chǎn)殼體零件的一種成形方法。在板料沖壓中，由于工件變形規(guī)律的復(fù)雜性，在沖壓成形中容易產(chǎn)生破裂和起皺等成形缺陷。另外，在沖壓成形中工件產(chǎn)生了與模具載荷相平衡的內(nèi)應(yīng)力，沖壓結(jié)束模具卸除后，由于內(nèi)應(yīng)力釋放從而工件產(chǎn)生回彈，在切除工藝廢料后還要再次發(fā)生回彈，使得工件的最終形狀不易精確控制。采用成形過程仿真能獲得成形過程中工件的位移、應(yīng)力和應(yīng)變的分布；通過觀察位移后工件變形形狀能預(yù)測可能發(fā)生的起皺；根據(jù)各離散點上的主應(yīng)變值在板料成形極限曲線圖上的位置或利用損傷力學(xué)模型進(jìn)行分析，可以預(yù)測成形過程中可能發(fā)生的破裂；將工件所受的外力或被切除部分的約束力解除，可對回彈過程進(jìn)行仿真，得到工件回彈后的形狀和殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變的分布。這樣就能為優(yōu)化沖壓工藝和模具設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。 

　　板料沖壓計算機(jī)仿真的核心是應(yīng)用數(shù)值方法來分析和研究金屬板料塑性成形問題。作為數(shù)值分析方法中應(yīng)用最廣并且最具有生命力的一種方法，有限元法成為目前板料成形數(shù)值分析最有效的方法［1,2］。對于連續(xù)介質(zhì)有限變形中的幾何與材料非線性問題，隱式積分方法與顯式積分方法是2種主要算法。隱式算法是由虛功原理建立一個高階非線性方程組，采用牛頓—拉費森（Newton-Raphson）迭代計算求解方程組，計算精確可靠，但在每一增量步中，需要形成大型稀疏剛度矩陣，進(jìn)行反復(fù)迭代計算，計算量大，占用存儲空間多，并存在非常嚴(yán)重的收斂問題，特別在像板料成形這樣高度非線性過程的分析中，收斂問題尤為突出，因此，開發(fā)板料沖壓成形過程計算機(jī)仿真軟件較少使用隱式算法而更多地采用顯式算法。將準(zhǔn)靜態(tài)的板料成形問題虛擬地視為動力過程，采用動力顯式算法來分析，基于時間中心差分格式，使有限元方程的計算顯式化，避免了迭代計算和因非線性引起的收斂問題。采用集中質(zhì)量矩陣解耦聯(lián)立方程組使其成為獨立的方程列式，可大大簡化計算。顯式算法占用存儲空間小，便于用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析，80年代以來，在板料成形分析中得到應(yīng)用并逐漸取得令人滿意的成果。對于系統(tǒng)動力問題，顯式算法的基本思路是，由虛功原理可得虛功方程

　　式中，

　　fi為體力密度；ρ為質(zhì)量密度；ν為阻尼系數(shù)；Ti為力邊界Γσ上作用的外力；Tci為接觸邊界上作用的外力。經(jīng)有限元離散化可得有限元方程

　　式中，M為一致質(zhì)量矩陣；C為一致阻尼矩陣；P為外力向量；F為內(nèi)力向量。 

　　采用集中質(zhì)量的方法使質(zhì)量矩陣對角化，在此基礎(chǔ)上對阻尼矩陣也進(jìn)行對角化處理，采用中心差分法對時間進(jìn)行離散化，不需經(jīng)過迭代即可求解相互獨立的多個方程。顯式算法也有自身的問題，如動力效應(yīng)即虛擬慣性力的影響，另外由于中心差分法的計算穩(wěn)定性對時間步長的限制，若將沖壓件的回彈作為動力系統(tǒng)的過渡過程用動力顯式算法來分析，則使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)所需計算步數(shù)很多，代價很大。而隱式算法是無條件穩(wěn)定的，所以可以采用足夠大的時間步長，所需計算步數(shù)很少。分別采用顯式算法與隱式算法進(jìn)行成形過程和回彈的分析能發(fā)揮各自的長處，這是目前較為流行的顯隱式綜合算法。 

　　2　系統(tǒng)實現(xiàn) 

　　板料沖壓仿真系統(tǒng)的開發(fā)可采用結(jié)構(gòu)化方法或面向?qū)ο蠓椒?nbsp;。 

　　2.1　結(jié)構(gòu)化方法 

　　70年代中期，結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計思想得到發(fā)展。用結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計較復(fù)雜的板料沖壓仿真系統(tǒng)在實際軟件開發(fā)中應(yīng)用得較多。通過系統(tǒng)分析，在系統(tǒng)的設(shè)計階段確定沖壓仿真軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和模塊間的關(guān)系，定義各模塊間的接口，設(shè)計全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定系統(tǒng)與其它軟件及用戶之間的界面，并設(shè)計功能模塊的具體算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之類內(nèi)部細(xì)節(jié)等。 

　　結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)設(shè)計強(qiáng)調(diào)自頂向下的功能分解，將系統(tǒng)逐級向下分解成模塊和子模塊。在對板料沖壓仿真系統(tǒng)劃分模塊時，應(yīng)盡可能地降低模塊之間的耦合程度，增加每一模塊的內(nèi)聚性。充分運用好這2個相輔相成的設(shè)計原則，盡量提高模塊的獨立性，在修改和維護(hù)一個模塊時，就可將修改范圍控制在最小限度內(nèi)，對其它模塊的影響就會減到最小。 

　　2.2　面向?qū)ο蠓椒?nbsp;

　　傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化的軟件工程方法，雖然從一定程度上提高了板料沖壓仿真軟件的開發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護(hù)性，但對于軟件的可重用性、可擴(kuò)充性以及嵌入其它系統(tǒng)的能力方面，仍然提高不大，其原因在于，結(jié)構(gòu)化方法是采用面向任務(wù)的觀點，即為某項任務(wù)而設(shè)計，這種方法論產(chǎn)生了分析與設(shè)計階段的鴻溝，導(dǎo)致了分析階段的問題域與設(shè)計階段的求解域的不一致。面向?qū)ο蠓椒ㄕ�是為了擺脫這種不一致性而建立起來的新型軟件工程方法，它的指導(dǎo)思想是按人們通常的思維方式建立問題域模型，設(shè)計盡可能自然地表現(xiàn)求解方法的軟件，為此必須建立直接表現(xiàn)組成問題域的事物及事物間的相互聯(lián)系的概念，建立適合人們思維方式的描述范式。在面向?qū)ο蠓椒ㄖ�，對象和消息傳遞分別表示事物及事物間的相互聯(lián)系；類和繼承是適應(yīng)人們思維方式的描述范式；方法是作用于對象上的各種操作：上述概念構(gòu)成了面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)的基本內(nèi)容。對象和類的基本特性在于對象的封裝和繼承性，通過封裝提高了對象的獨立性和信息隱蔽性；通過繼承實現(xiàn)了類與類之間的相互聯(lián)系，由此產(chǎn)生了諸如動態(tài)聚束和實體的多態(tài)性。面向?qū)ο蠓椒ㄌ岣吡朔治�、設(shè)計和實現(xiàn)的一致性，使系統(tǒng)具有可重用性和可擴(kuò)充性。 

　　有限元方法及其應(yīng)用領(lǐng)域日新月異的發(fā)展使得要求以它為核心開發(fā)的軟件具有高度的可重用性和可擴(kuò)充性，同時有限元軟件日益成為CAD/CAM軟件不可分割的一部分要求其具有更高的可嵌入其它系統(tǒng)的能力，使用傳統(tǒng)方法開發(fā)有限元軟件難以滿足這些要求，發(fā)展面向?qū)ο蟮挠邢拊�方法和技術(shù)勢在必行，因而面向?qū)ο蠓椒ㄖ饾u被考慮用來開發(fā)板料沖壓仿真軟件系統(tǒng)，這是一種新的嘗試，需要時間來探索。面向?qū)ο笤O(shè)計利用已經(jīng)形式化的分析模型，擴(kuò)充其構(gòu)造部分，改進(jìn)類、對象實體描述，進(jìn)而構(gòu)成一個完整的軟件模型。這個軟件模型可以借助于某種程序設(shè)計語言提供的解空間對象實現(xiàn)，從而得到需要的軟件。使用面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計一個板料沖壓成形仿真系統(tǒng)的過程可以概括為，①定義每個對象類的屬性；②確定類與對象、類與類之間的關(guān)系；③定義對象間的通信機(jī)制，主要是確定對象的消息模式及對象之間的消息傳遞，從而構(gòu)成系統(tǒng)的控制流和信息流；④確定每個對象的狀態(tài)，確定實現(xiàn)各狀態(tài)的方法。 

　　2.3　系統(tǒng)實現(xiàn) 

　　從本質(zhì)上說，沖壓仿真就是描述板料在沖頭、凹模、壓邊圈等工具按既定方式運動作用下的約束運動（變形運動〕，因而建立對象模型時即可用圖1所示的聚集樹來描繪沖壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它表明沖壓系統(tǒng)由工具與工件組成，工具通常是沖頭、凹模、壓邊圈、反向沖頭等模具，工件表示板料變形件。在沖壓過程中，各個工具屬性不同作用不同，板料在工具的約束作用下成形。從這里可以看到，對象模型把面向?qū)ο蟮母拍钆c傳統(tǒng)方法中常用的信息建模概念結(jié)合起來，從而改進(jìn)和拓寬了普通的信息模型，增強(qiáng)了模型的可理解性和表達(dá)能力。

　　板料沖壓仿真系統(tǒng)的模塊構(gòu)成以及模塊間的調(diào)用關(guān)系見圖2。前后置處理模塊是信息交換及調(diào)度中心，它除完成離散幾何模型形成分析模型及對計算結(jié)果進(jìn)行可視化處理的工作外，還負(fù)責(zé)信息交匯與傳輸任務(wù)，指揮其它幾個模塊工作；幾何造型模塊被用來進(jìn)行初始設(shè)計并根據(jù)專家系統(tǒng)對模擬情況的分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；成形和回彈模擬2個模塊則對經(jīng)過離散的工件作變形過程數(shù)值分析，專家系統(tǒng)模塊根據(jù)計算結(jié)果對設(shè)計作出質(zhì)量評估，并確定設(shè)計或提出修正意見。

　　板料沖壓成形仿真系統(tǒng)流程見圖3，各部分功能如下：①幾何造型。建立沖頭、壓邊圈、凹模等工具和板料的幾何模型。②前置處理。網(wǎng)格離散工具/板料，定義材料、接觸等； 工具/板料位置設(shè)定，建立分析模型；定義或修正工具的位移/速度/壓力等荷載歷史曲線。③成形模擬。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，對板料做成形模擬（網(wǎng)格自適應(yīng)于板料變形)，從前后置處理器檢查計算結(jié)果。④回彈模擬。觀察工件形狀，調(diào)整工件網(wǎng)格，修正回彈分析文件, 根據(jù)輸入數(shù)據(jù)做工件回彈模擬，從前后置處理器檢查計算結(jié)果。⑤后置處理。畫出工件成形形狀、屬性等值線、行程歷史曲線等并給以動畫顯示。⑥專家系統(tǒng)。根據(jù)仿真分析結(jié)果, 對初始設(shè)計進(jìn)行質(zhì)量評估, 通過優(yōu)化分析確定設(shè)計或修正設(shè)計。 

　　3　結(jié)束語 

　　板料沖壓成形計算機(jī)仿真是一項先進(jìn)技術(shù)，它隨著指導(dǎo)理論的發(fā)展而發(fā)展。為能保證開發(fā)出質(zhì)量可靠的仿真軟件，必須對系統(tǒng)進(jìn)行盡可能完善的設(shè)計。在系統(tǒng)設(shè)計過程中必須遵循軟件工程方法，保證文檔齊全、格式規(guī)范，以便于做好系統(tǒng)開發(fā)工作。