盖件冲压工艺设计和冲压仿真
汽车覆盖件模具的典型设计分析流程是在完成覆盖件产品设计后，模具设计人员凭经验制定冲压工艺和模具设计方案，而后运用cae技术来进行冲压成形的计算机仿真；根据仿真结果返回到cad系统中修改设计方案，再开始下一轮的计算机仿真，直至仿真结果验证了设计方案的可行性。如果需要多次的工艺方案修改，每一次均需要返回cad系统进行修改，而每一次的cad修改返回后，成形性仿真计算包括网格剖分、补孔、翻边等步骤都需要重新进行，严重影响了成形仿真的效率。
针对这一现状，本文提出一种新的基于散乱模型的冲压仿真参数化建模方法，并开发出汽车覆盖件冲压成形仿真前处理stlmesher。在获取了覆盖件零件的stl文件格式模型之后，模具的工艺面和压料面都在cae前处理系统中进行参数化设计，无需再返回到cad软件中处理。以覆盖件产品的stl格式模型为基础，根据冲压工艺方案设计参数化的工艺补充面和压料面。该方法极大地方便了工艺方案设计和修改，节约了设计时间，并同步生成仿真计算所需的网格模型无需再进行专门的网格剖分。
1 仿真模型工艺面的参数化建模
1．1 逼近工艺面的三角面片数量的确定
本文提出的仿真建模方法使用三角形面片逼近模具型面。为了保证仿真计算的精度，三角形逼近的模具网格必须模拟模具的几何形状，如果造型中使用的三角形数量过少，逼近的精度就比较低；如果三角形的数量太多，有限元计算中接触搜寻的计算量就会大大增加。通过控制模型的离散误差，可以控制三角形的数量。使用三角形造型时，曲线段是由数段弦代替。如图1所示，半径为r、包含角为a的圆弧使用n段弦替代，由此定义弦长逼近标准为l=r-rcosa/2n（1）.
弦长逼近标准l为弦与对应弧中点的距离。通过设定z的值（通常设定为0．1mm），即可控制逼近曲线的弦的长度，进而可控制三角形的数量。
1．2使用三角面片的工艺补充参数化设计
工艺设计的目的是通过建立产品工艺补充部分，形成均匀的进料阻力和良好的拉深条件。因此要保证工艺补充面和压料面的交线在冲压方向上光滑连接，在垂直冲压方向的平面内起伏均匀。工艺面的造型分两步进行，分别是截面特征线的构造和工艺面的构造，具体过程如下：
（1）构造截面特征线。①首先根据覆盖件的成形工艺性。以及修边线的位置和修边类型，从前述的五种典型截面线中选取一种，并确定截面线参数。②在模型的边界的特征点上，使用该点的主法矢、副法矢和切矢作为该点处局部坐标系的向量。该点处的截面线就定义在由主法矢和副法矢确定的平面内。③由截面线参数确定出该条截面线的n个控制点，由此构造出一条k次nurbs曲线得到截面线的解析表达式。为了使用三角面片造型，使用i段直线段逼近该截面线（所需直线段的数量由弦长逼近标准确定）。
（2）构造工艺补充面。根据两条特征线之间的模型边界变化情况，使用两种方式生成工艺补充面。①如果两条特征线之间的模型边界线是光滑的，就以它为导引线，采用扫动（sweep）方法构造中间部分的工艺补充面的截面线；如果不是光滑过渡的，适用曲面桥接（bridge）的方式构造中间部分的截面线，实现光顺过渡，满足c1连续要求。②把两两相邻的截面线之间的区域，使用三角面片完成造型设计，得到zui终的由三角面片构造的工艺补充面。
与cad软件中的工艺补充设计相比，本文提出方法可基本实现相同的功能，但是操作更简单快捷。在cad软件中进行工艺补充部分的参数化设计时，需要对每条截面线定位，不断的建立和变换坐标系，设计过程十分费时。
这里以修边线位于拉深件底部，垂直修边的模型为例说明本文的参数化建模方法。截面线示意图见图2，截面线上包含的参数有凹模圆角半径r1，凸模圆角半径r2，斜壁的长度c。斜面与冲压方向的夹角a，修边线到凸模圆角的距离口，压料面与水平面的夹角口等。
设定完截面线形状参数后，使用直线段分段逼近截面线。将不同的截面特征线布置到模型边界上相应区域，沿边界生成一系列的截面线，结果如图3所示。根据弦长逼近标准确定截面线的数量。模型边界上直边的部分布置的截面线较稀疏，而在圆角部分则布置了较多的截面线，保证了工艺补充面的光顺过渡。zui后将截面线上的直线段用三角面片连接，得到离散化的工艺补充面的网格模型，如图4a所示。从图4b的光照模型可以看出，使用本文方法设计的模型型面的光顺程度很高，图中的深色线所示为模具的分模线。
1．3压料面的参数化设计
压料面的设计思想与工艺补充设计相似，先设计出压料面截面线，而后使用三角面片完成压料面的设计。具体的设计方法是，将前面工艺补充设计得到的凹模口线，沿切线向外延伸3～5mm，得到分模线co。把co上的点首尾相连，并作光顺处理，作为压边圈的内沿。而后根据工艺选定的压料面种类，沿切线方向外延c0，得到了压边圈的外边沿co。使用与工艺补充面设计类似的方法，以直线段逼近截面线，使用三角面片构造压料面。将模型沿分模线进行分割，位于分模线之外的部分作为压边圈，而内部的部分作为凸模。
对图4所示模型生成整套的冲压模具网格模型如图5所示。
2 真实拉深筋的参数化设计
汽车覆盖件冲压成形中经常各种质量问题，其主要原因是拉深成形过程中材料沿凹模口的流动速度不均衡，板料变形不均匀。工程中常使用拉深筋调节和控制板料成形力。根据截面形状的不同，拉深筋可分为半圆筋、方形筋、拉深槛、三角筋等。
2．1 冲压仿真中拉深筋模拟方法
薄板冲压成形仿真中拉深筋的模拟有两种方式：一种是真实拉深筋几何模型模拟方法，另一种是等效拉深筋模型模拟方法。国内外对等效拉深筋模拟进行了大量的研究研究。等效拉深筋模型的优点是计算效率较高，但也存在一些缺陷。采用真实拉深筋模拟的主要难题在于建模和网格剖分较困难，计算耗费也比等效拉深筋模拟方法多。根据真实拉深筋的形状与尺寸，采用精细的网格建立拉深筋模型，通常将拉深筋所在区域的网格单元尺寸控制在2～3mm范围内，并且相应位置板料网格的尺寸与模具网格尺寸满足相互适应性条件，否则会对cae分析结果产生不利影响，由此进一步增加网格剖分的难度。因此，国内外的研究中大多建立等效拉深筋进行分析，的商业软件dynaform、auto-form等中也只提供了等效拉深筋模型。
2．2基于三角面片的参数化拉深筋建模
拉深筋参数化设计同样使用三角面片完成，本文提出的方法可以对圆筋、矩形筋、拉深槛、三角形筋等进行参数化设计。以zui常用的半圆形拉深筋为例，首先确定拉深筋的截面线形状参数，包括拉深筋宽度b，拉深筋高度h，筋半径r，和，-z，以及筋距离分模线的距离d，如图6所示。与工艺补充面的参数化设计相同，拉深筋的建模也是首先使用直线段设计拉深筋截面线，而后使用三角形面片逼近拉深筋的几何曲面。通过交互模式确定拉深筋的起点和终点，将截面线沿分模线扫描，并用三角形将各条截面线连接，可完成真实拉深筋的设计。
图7所示为某车型角支撑板的拉延模模型，由于工件拉深较浅，为了增加进料阻力，使板料充分变形，在凹模圆角外面放置整圈的半圆型拉深筋。使用unigraphic软件对同一模型进行拉深筋设计得到的结果如图8所示，模型中的拉深筋共使用约170余个曲面片。使用本文提出的方法共使用了约10 500个三角面片完成拉深筋的几何设计。从两个模型的比较可以看出，本文方法建立的拉深筋模型可以满足冲压仿真计算的要求。
2．3带有真实拉深筋冲压仿真分析中对板料网格的处理
使用真实拉深筋进行仿真计算时，板料网格的网格尺寸要与模具网格尺寸满足相互适应性条件，否则由于板料网格的尺寸比较大，将难以流过闭合后的拉深筋。为此需要把冲压过程中会流过拉深筋的板料，以及可能与模具曲率变化大的区域接触的部分的板料剖分较细密的网格，以满足板料网格和模具网格的适应性要求。
如果把整个板料模型都剖分成尺寸很小的网格单元，将会极大的增加计算耗费。合理的做法是首先对板料模型剖分正常尺寸的网格，而后对局部区域进行网格细分操作，减小对应区域的网格的尺寸。
为了合理地限制板料细分的范围，这*据拉深筋的布置范围、拉深筋的尺寸，并适当地估算成形过程中可能流过拉深筋的板料网格范围，确定出需要做细分的板料网格的范围，如图9所示，矩形板料中灰色区域为需要做细分的板料网格。在确定了需要做细分处理的板料网格后，使用板料网格细分算法进行处理，网格细分的次数由模具拉深筋网格的尺寸与初始板料网格尺寸的差别决定。细分后的网格使用该文提出的网格拓扑形态优化方法进行优化，以提高网格质量。
3 数值算例与讨论
一个算例是某载重车的前保险杠模型。该零件的尺寸为2375mm*360mm，如图10所示。模型中有3个较大的孔，设计了垂直修边的内工艺补充面。外工艺补充面截面线选择的是修边线在拉深件斜面的类型；内部孔洞的*采用了类似外工艺补充设计的方法，修边线在拉深件斜面的截面特征线。压边圈设计为平滑曲面压边，完成工艺补充设计后的凹模网格模型如图11所示。整套网格模型见图12，从上到下依次为凸模、压边圈、板料和凹模。仿真计算得到zui终的零件拉延成形情况如图13所示，零件的实际拉延成形情况见图14。
第二个算例是某车型车门外板，零件模型是由逆向工程获取的三角面片模型，如图15所示。工艺补充面的截面线选择为修边线在侧壁上，倾斜修边，压边圈设计为平滑曲面压边。完成工艺补充设计凹模如图16所示，包含凹模、凸模、压边圈和板料的整套模具模型见图17。使用冲压仿真计算软件cadem ii计算得到的零件拉延成形情况如图18所示。
zui后一个算例是某车型的行李箱盖，由ug输出的stl格式的零件模型如图19所示。完成工艺设计的凹模和整个模具工具的模型分别如图20和图21所示。尽管模型中的包含大量狭长的三角面片，但由于冲压仿真计算中模具作为刚体处理，因此不会影响仿真计算。在冲压速度2m／s，摩擦因数0．12，压边力70kn的工艺条件下，零件成形的结果如图22所示。
从上述算例可以看出，本文提出的方法可以方便有效地进行汽车覆盖件的工艺补充面设计、压料面设计和真实拉深筋的设计。但要使目前开发的覆盖件冲压成形仿真前处理系统stlmesher能够获得商业化应用，还需要进一步的考虑，例如使系统更稳定，能解决尽可能多的实际应用问题，包括如何提供更加灵活的工艺型面设计手段、如何将完成设计的工艺型面输出保留、如何与优化算法有效的衔接等问题。这些工作有待于在进一步的研究中解决。
4 结论
（1）提出一种快速的汽车覆盖件冲压仿真建模的思路与方法，将覆盖件冲压工艺设计与冲压成形仿真前处理集成，使用散乱三角面片模型，在cae的前处理软件中进行参数化的工艺补充面和压料面设计。
（2）模型的网格剖分与冲压工艺设计同时进行，无须再进行专门的网格剖分。自动生成整套模具的网格模型，供有限元仿真分析使用。
（3）根据冲压工艺方案，设计参数化的工艺补充截面线，使用适当数量的直线段逼近；将截面线合理的布置在模型边缘，使用三角面片构造出工艺补充面和压料面。工艺补充面和压料面均实现了参数化建模，可以方便的修改。
（4）提出了参数化的真实拉深筋的模型建模方法，可建立半圆形拉深筋和三角筋的网格模型，提供了灵活的拉深筋布置手段。
（5）为确保带有真实拉深筋的仿真计算中板料网格的流动，提出了板料网格的预细分操作，以及细分范围的确定方法，完成了相关软件的开发。
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针对这一现状，本文提出一种新的基于散乱模型的冲压仿真参数化建模方法，并开发出汽车覆盖件冲压成形仿真前处理stlmesher。在获取了覆盖件零件的stl文件格式模型之后，模具的工艺面和压料面都在cae前处理系统中进行参数化设计，无需再返回到cad软件中处理。以覆盖件产品的stl格式模型为基础，根据冲压工艺方案设计参数化的工艺补充面和压料面。该方法极大地方便了工艺方案设计和修改，节约了设计时间，并同步生成仿真计算所需的网格模型无需再进行专门的网格剖分。
1 仿真模型工艺面的参数化建模
1．1 逼近工艺面的三角面片数量的确定
本文提出的仿真建模方法使用三角形面片逼近模具型面。为了保证仿真计算的精度，三角形逼近的模具网格必须模拟模具的几何形状，如果造型中使用的三角形数量过少，逼近的精度就比较低；如果三角形的数量太多，有限元计算中接触搜寻的计算量就会大大增加。通过控制模型的离散误差，可以控制三角形的数量。使用三角形造型时，曲线段是由数段弦代替。如图1所示，半径为r、包含角为a的圆弧使用n段弦替代，由此定义弦长逼近标准为l=r-rcosa/2n（1）.
弦长逼近标准l为弦与对应弧中点的距离。通过设定z的值（通常设定为0．1mm），即可控制逼近曲线的弦的长度，进而可控制三角形的数量。
1．2使用三角面片的工艺补充参数化设计
工艺设计的目的是通过建立产品工艺补充部分，形成均匀的进料阻力和良好的拉深条件。因此要保证工艺补充面和压料面的交线在冲压方向上光滑连接，在垂直冲压方向的平面内起伏均匀。工艺面的造型分两步进行，分别是截面特征线的构造和工艺面的构造，具体过程如下：
（1）构造截面特征线。①首先根据覆盖件的成形工艺性。以及修边线的位置和修边类型，从前述的五种典型截面线中选取一种，并确定截面线参数。②在模型的边界的特征点上，使用该点的主法矢、副法矢和切矢作为该点处局部坐标系的向量。该点处的截面线就定义在由主法矢和副法矢确定的平面内。③由截面线参数确定出该条截面线的n个控制点，由此构造出一条k次nurbs曲线得到截面线的解析表达式。为了使用三角面片造型，使用i段直线段逼近该截面线（所需直线段的数量由弦长逼近标准确定）。
（2）构造工艺补充面。根据两条特征线之间的模型边界变化情况，使用两种方式生成工艺补充面。①如果两条特征线之间的模型边界线是光滑的，就以它为导引线，采用扫动（sweep）方法构造中间部分的工艺补充面的截面线；如果不是光滑过渡的，适用曲面桥接（bridge）的方式构造中间部分的截面线，实现光顺过渡，满足c1连续要求。②把两两相邻的截面线之间的区域，使用三角面片完成造型设计，得到zui终的由三角面片构造的工艺补充面。
与cad软件中的工艺补充设计相比，本文提出方法可基本实现相同的功能，但是操作更简单快捷。在cad软件中进行工艺补充部分的参数化设计时，需要对每条截面线定位，不断的建立和变换坐标系，设计过程十分费时。
这里以修边线位于拉深件底部，垂直修边的模型为例说明本文的参数化建模方法。截面线示意图见图2，截面线上包含的参数有凹模圆角半径r1，凸模圆角半径r2，斜壁的长度c。斜面与冲压方向的夹角a，修边线到凸模圆角的距离口，压料面与水平面的夹角口等。
设定完截面线形状参数后，使用直线段分段逼近截面线。将不同的截面特征线布置到模型边界上相应区域，沿边界生成一系列的截面线，结果如图3所示。根据弦长逼近标准确定截面线的数量。模型边界上直边的部分布置的截面线较稀疏，而在圆角部分则布置了较多的截面线，保证了工艺补充面的光顺过渡。zui后将截面线上的直线段用三角面片连接，得到离散化的工艺补充面的网格模型，如图4a所示。从图4b的光照模型可以看出，使用本文方法设计的模型型面的光顺程度很高，图中的深色线所示为模具的分模线。
1．3压料面的参数化设计
压料面的设计思想与工艺补充设计相似，先设计出压料面截面线，而后使用三角面片完成压料面的设计。具体的设计方法是，将前面工艺补充设计得到的凹模口线，沿切线向外延伸3～5mm，得到分模线co。把co上的点首尾相连，并作光顺处理，作为压边圈的内沿。而后根据工艺选定的压料面种类，沿切线方向外延c0，得到了压边圈的外边沿co。使用与工艺补充面设计类似的方法，以直线段逼近截面线，使用三角面片构造压料面。将模型沿分模线进行分割，位于分模线之外的部分作为压边圈，而内部的部分作为凸模。
对图4所示模型生成整套的冲压模具网格模型如图5所示。
2 真实拉深筋的参数化设计
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2．1 冲压仿真中拉深筋模拟方法
薄板冲压成形仿真中拉深筋的模拟有两种方式：一种是真实拉深筋几何模型模拟方法，另一种是等效拉深筋模型模拟方法。国内外对等效拉深筋模拟进行了大量的研究研究。等效拉深筋模型的优点是计算效率较高，但也存在一些缺陷。采用真实拉深筋模拟的主要难题在于建模和网格剖分较困难，计算耗费也比等效拉深筋模拟方法多。根据真实拉深筋的形状与尺寸，采用精细的网格建立拉深筋模型，通常将拉深筋所在区域的网格单元尺寸控制在2～3mm范围内，并且相应位置板料网格的尺寸与模具网格尺寸满足相互适应性条件，否则会对cae分析结果产生不利影响，由此进一步增加网格剖分的难度。因此，国内外的研究中大多建立等效拉深筋进行分析，的商业软件dynaform、auto-form等中也只提供了等效拉深筋模型。
2．2基于三角面片的参数化拉深筋建模
拉深筋参数化设计同样使用三角面片完成，本文提出的方法可以对圆筋、矩形筋、拉深槛、三角形筋等进行参数化设计。以zui常用的半圆形拉深筋为例，首先确定拉深筋的截面线形状参数，包括拉深筋宽度b，拉深筋高度h，筋半径r，和，-z，以及筋距离分模线的距离d，如图6所示。与工艺补充面的参数化设计相同，拉深筋的建模也是首先使用直线段设计拉深筋截面线，而后使用三角形面片逼近拉深筋的几何曲面。通过交互模式确定拉深筋的起点和终点，将截面线沿分模线扫描，并用三角形将各条截面线连接，可完成真实拉深筋的设计。
图7所示为某车型角支撑板的拉延模模型，由于工件拉深较浅，为了增加进料阻力，使板料充分变形，在凹模圆角外面放置整圈的半圆型拉深筋。使用unigraphic软件对同一模型进行拉深筋设计得到的结果如图8所示，模型中的拉深筋共使用约170余个曲面片。使用本文提出的方法共使用了约10 500个三角面片完成拉深筋的几何设计。从两个模型的比较可以看出，本文方法建立的拉深筋模型可以满足冲压仿真计算的要求。
2．3带有真实拉深筋冲压仿真分析中对板料网格的处理
使用真实拉深筋进行仿真计算时，板料网格的网格尺寸要与模具网格尺寸满足相互适应性条件，否则由于板料网格的尺寸比较大，将难以流过闭合后的拉深筋。为此需要把冲压过程中会流过拉深筋的板料，以及可能与模具曲率变化大的区域接触的部分的板料剖分较细密的网格，以满足板料网格和模具网格的适应性要求。
如果把整个板料模型都剖分成尺寸很小的网格单元，将会极大的增加计算耗费。合理的做法是首先对板料模型剖分正常尺寸的网格，而后对局部区域进行网格细分操作，减小对应区域的网格的尺寸。
为了合理地限制板料细分的范围，这*据拉深筋的布置范围、拉深筋的尺寸，并适当地估算成形过程中可能流过拉深筋的板料网格范围，确定出需要做细分的板料网格的范围，如图9所示，矩形板料中灰色区域为需要做细分的板料网格。在确定了需要做细分处理的板料网格后，使用板料网格细分算法进行处理，网格细分的次数由模具拉深筋网格的尺寸与初始板料网格尺寸的差别决定。细分后的网格使用该文提出的网格拓扑形态优化方法进行优化，以提高网格质量。
3 数值算例与讨论
一个算例是某载重车的前保险杠模型。该零件的尺寸为2375mm*360mm，如图10所示。模型中有3个较大的孔，设计了垂直修边的内工艺补充面。外工艺补充面截面线选择的是修边线在拉深件斜面的类型；内部孔洞的*采用了类似外工艺补充设计的方法，修边线在拉深件斜面的截面特征线。压边圈设计为平滑曲面压边，完成工艺补充设计后的凹模网格模型如图11所示。整套网格模型见图12，从上到下依次为凸模、压边圈、板料和凹模。仿真计算得到zui终的零件拉延成形情况如图13所示，零件的实际拉延成形情况见图14。
第二个算例是某车型车门外板，零件模型是由逆向工程获取的三角面片模型，如图15所示。工艺补充面的截面线选择为修边线在侧壁上，倾斜修边，压边圈设计为平滑曲面压边。完成工艺补充设计凹模如图16所示，包含凹模、凸模、压边圈和板料的整套模具模型见图17。使用冲压仿真计算软件cadem ii计算得到的零件拉延成形情况如图18所示。
zui后一个算例是某车型的行李箱盖，由ug输出的stl格式的零件模型如图19所示。完成工艺设计的凹模和整个模具工具的模型分别如图20和图21所示。尽管模型中的包含大量狭长的三角面片，但由于冲压仿真计算中模具作为刚体处理，因此不会影响仿真计算。在冲压速度2m／s，摩擦因数0．12，压边力70kn的工艺条件下，零件成形的结果如图22所示。
从上述算例可以看出，本文提出的方法可以方便有效地进行汽车覆盖件的工艺补充面设计、压料面设计和真实拉深筋的设计。但要使目前开发的覆盖件冲压成形仿真前处理系统stlmesher能够获得商业化应用，还需要进一步的考虑，例如使系统更稳定，能解决尽可能多的实际应用问题，包括如何提供更加灵活的工艺型面设计手段、如何将完成设计的工艺型面输出保留、如何与优化算法有效的衔接等问题。这些工作有待于在进一步的研究中解决。
4 结论
（1）提出一种快速的汽车覆盖件冲压仿真建模的思路与方法，将覆盖件冲压工艺设计与冲压成形仿真前处理集成，使用散乱三角面片模型，在cae的前处理软件中进行参数化的工艺补充面和压料面设计。
（2）模型的网格剖分与冲压工艺设计同时进行，无须再进行专门的网格剖分。自动生成整套模具的网格模型，供有限元仿真分析使用。
（3）根据冲压工艺方案，设计参数化的工艺补充截面线，使用适当数量的直线段逼近；将截面线合理的布置在模型边缘，使用三角面片构造出工艺补充面和压料面。工艺补充面和压料面均实现了参数化建模，可以方便的修改。
（4）提出了参数化的真实拉深筋的模型建模方法，可建立半圆形拉深筋和三角筋的网格模型，提供了灵活的拉深筋布置手段。
（5）为确保带有真实拉深筋的仿真计算中板料网格的流动，提出了板料网格的预细分操作，以及细分范围的确定方法，完成了相关软件的开发。
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