冲压件在CAD和有限元分析集成下的并行工程设计

1、冲压件在CAD和有限元分析集成下的并行工程设计1 介绍计算机辅助设计（CAD）是在工业上协助产品的开发的最常见的工具。随着信息存储检索的便利和高效，一个CAD系统可以作为涉及产品开发的各种工业活动中央数据库。机械制造的计算机仿真过程在产品开发中起到重要最作用。仿真工程可以提供更多定量观察帮助工程师确定在设计阶段可能被忽视或者忽略的潜在制造困难。（Ishii,1990）金属板材成形是一个生产过程，其过程是在冲压作用下按照所需要的形状利用模具得到所需要的几何体。通常情况下，部件设计，工艺过程，模具及板材材料的选择在很大程度上是一个不断尝试的过程,即初步设计之后不断测试修正直到得到合适的结果。这种做

2、法十分昂贵并且费时，因此计算机模型消除大部分这种尝试性工作将具有非常重要的价值。大多数实际应用中，在机械方面形成过程是一个非常复杂的操作。它涉及相当大的塑性变形，非常大的压力和扭转，以及薄板材料和工具之间较大的相对运动导致非线性仿真模型。因此，对于工业应用来说，任意形状的工具表面，数值方法应当被应用。有限元分析方法在这里更加适用，由于其本身的灵活性，普遍性和适用于各种材料，形状，受力和边界条件。在这篇文章中，旨在阐述在冲压件集成构架的设计过程。断面形状，有限元分析单元（详见第三章）和Pro/ENGINEER (Pro/Eng)，可以商用的CAD系统(Pro-ENGINEER,1993)将被使用

3、。第二章讨论了目前使用方法，遇到的困难和缺点。基于有限元分析的简短评论在第三章中给出。第四章描述了如何贯彻本文的主要思想。已经存在一个原型系统并且它的功能将在示例部分进行说明。这可以作为第五章的介绍，详细解释了其提出的综合方法。它包括部件/过程模型提供的几何数据和非几何数据用于支持有限元模型的生成。此外，无论是现存的CAD功能还是通过一体化任务完成发展的新模型都会被介绍。最后，应用在工业冲压不规则集合体的过程将会在第六章中进行介绍。2问题陈述和现有试验讨论虽然数值模拟代码的结果已经被证明是有用的，但是这样的程序不能在当今的方法中使用，是因为其可能会对整个设计过程有很大的影响。最主要原因是因为，

4、手工处理数据和完成仿真过程所需要的时间是冗长的，而且往往需要有经验的分析师来分析结果。由于有限元分析的仿真过程的准备所需要的花费是非常昂贵的，它的最主要的功能是在设计最终完成的时候用来校核的工具。在这个阶段，除非非常严重的缺陷被检测出来，设计者们很少对设计做重大修改。随着工业行业对更可靠的、经济的和有竞争力的产品的强烈要求，强调的重点已经转移到从设计阶段更早的引入有限元分析，到并行设计时完全利用这些数值工具的益处。我们计划用基于有限元分析部分的钣金设计。这完全适合支持初步设计，因为它可以大大的缩短数据准备、计算、结果分析所需要的时间。无论怎样，手工处理数据的过程仍然是冗长的而且容易出错的。此外

5、，和三维的有限元分析建模相比，截面分析的使用会需要额外的工作用于发展截面工具和网格的划分。为了加快有限元的建模过程，很多研究项目涉及有限元分析预处理过程的自动网格生成（Wu et at., 1990; Stephenson et al., 1990; Natahusada and Ozsoy, 1990; Botkin, 1990; 其他）和自适应网格重构工具（例如Shephard, 1985c; Shah and Grosse, 1990;）还有一些试图通过IGES格式（IBM IGES,1990）将几何模型从设计环境中导入有限元分析预处理器中或者通过一个中性文件格式（例子见 PATRAN,

6、1989和CAEDS, 1990）。然而，从CAD系统中转换的数据大部分不是FEA建模必需的，分析师而不是电脑从大量数据文件中检索出相关数据。而且也很难反馈实体在FEA预处理器到原始设计环境的任何变化。其他努力为了提供FEA和CAD系统的直接借口以及有限元模型的自动处理已经开展，例如，Shephard and Yerry, 1986; Young and Grosse, 1990; and Arabshahi et al., 1991.Shephard (1985a and 1985b) 定义了一套“几何通信算法”，可以用来整合FEA模型和几何模型系统。这些算法可以用来访问，增加和修改零件模型

7、使其更容易的生成FEA模型。他还提出为了集成目的，在有限元模型系统中扩大数据结构包括几何、属性和网格数据。这些方法需要在当前FEA建模系统中使用的内部数据结构的变化。问题1：截面的几何数据不可用对于一个截面分析程序，几何输入是一个断面设计。这使得复杂问题在一系列2-D垂直平行于冲压运动方向的平面上分析。该方法迄今为止用于手工重建所需要的部分，在2-D空间下基于FEA预处理器中使用的3-D设计。然而，不是所有的几何数据需要建立一个部分，在3-D零件中能够立即利用的，尤其是零件实体是复杂的和“临界点”是必需的（临界点可定义工具方向或者空白表格的变化，相对于改善成型的压力方向）。图表1列举了一个包含

8、建立3-D实体所需要尺寸的零件，和两个选定的截面，每个表示不同的临界点。实体的这些截面，也就是截面A和截面B，是不同的而且很难计算。对于这样的零件，一个最主要的因素解释现有难题是因为3-D零件的形状，尤其是半径的不同和草图中的差异。此外，由于截面部分必须平行于冲压运动方向，不同的倾斜角度导致所选几何体的截面计算更加复杂。问题2：几何属性的矛盾性设计者需要包含所选出来的2-D部分所有额外几何属性，用来定义冲压工艺。这些包括最初的空白位置，压料尺寸和边界条件。如果几个部分是用来进行工艺模拟的，设计者竟会需要重视每个部分的几何属性。这些重复的工艺位置额外的增加了设计者的负担，更严重的是，这些几何属性

9、在断面和原始设计之间可能会产生矛盾。例如，Fig. 2表明了一个零件设计，虚线代表了设计压料形状（为了清晰度，图表中的压料位置被扩大了）。当选出来的断面在2-D预处理器重构造，压料位置将会在2-D明确说明(Fig. 2中标记的)。如果我们比较设计压料形状和2-D断面就可以看到矛盾产生（如Fig. 2中显示的）。很明显，复制3-D几何属性在一些2-D截面上是很困难的。问题3：传播几何修饰的难点在经过多次反复设计之后，进一步研究，截面几何广泛的变化使其很难在3-D零件中标记出变化。图3显示了一个原始的3-D设计，混合两个平行但是不同的截面尾部，所选出来的部分（双线）和最终修改的部分以更加开放的墙壁

10、和更小的半径（单线）。在零件上标记特殊修改部分将会至少和从一个3-D设计中检索一个部分一样困难，而且很容易导致严重的几何冲突。3 基于有限元分析的概述本节回顾数学模型和计算机模型的基本假设，使用在深度压料点仿真，尤其是在2-D截面部分在本文表述的过程。我们遵照这里曾经在Saran（1991）中使用过的标记。重点是CFS在Saran和Wagoner中系统地提出了一般的非线性派系接触问题，在Saran et al（1991）中被采纳，而且在Saran et al （1994）中更新。截面分析方法代表了一种可选择的步骤在全部的3-D分析。它可以提供一个有关平面应变调节即将完成时，在复杂工业性冲压截面

11、上，将要产生的金属流动的（情况的）分析。尽管很迅速，但有时分析并不严谨和精确。例子是一个模具的截面，范围是一边的曲率略小于另外一边。基于这个阐述，FEA程序的断面形式被发展了（Saran et al., 1992）。在一些成型工艺仿真中成功使用的代码也在工业上使用，例如汽车业，航空领域，电子领域等。大量的测试和对照证明了其在高精确性和有效性方面的能力（Saran, 1991;Saran et al., 1993）。简单的说，程序需要输入截面几何，材料的数据，摩擦力和平面压边力。这预测了任意形状零件的截平面的工序范围，例如压力和压薄，冲击强度和冲程以及薄板变形（包括拉伸的总和）。在仿真期间，应变

12、将会监测评估金属流动，如果超过假设的极值条件将会通知使用者。对于大多数实际应用来说，板材成型过程是非常复杂的，而且涉及相当大的塑性变形，很大的应力和旋转，以及薄板材料和工具之间较大的相对运动（特别是在深冲压阶段）导致非线性仿真模型。因此，有限元方法在这里更喜欢分析，由于其较大的灵活性、普遍性和易用于各种材料、形状、压力和边界条件。有限元方法（FEM）提供了离散的空间，但是对于仿真来说，时间的离散同样是必需的。这提供了增量的方法，当冲床在时间阶的连续性上具有优势，数据结果估算出来，那么现有几何体在每一步里都会被更新。最新的拉格朗日包含平面变形假设的绝对增量运动仿真，用来描述加大的应力和偏移。接触

13、摩擦的解决办法是基于拉格朗日因子的基础上发展起来的。在库伦公式模型中，摩擦强度被描述为： （1）当使摩擦系数，P是法向力的数值，t是滑动方向的单位向量。刚粘塑性材料的模型被使用。薄板的材料假定遵守Hill非二次屈服准则,法向异性屈服函数。各向同性强化法则是用在接下来的公式中 (2)当，分别代表有效压力、有效应变、强度系数、加工硬化指数，应变率敏感度指标；是一个基本应变率，a0 是预变力条件。发展CFS算法的重点是全套一致的线性规则关系，包括运动的，结构的，均衡的和界面方程所有较高要求的条件保留在派生的刚度矩阵中。其结果在接下来的关系中（Sara, 1991）： （3）其中对刚度矩阵做出贡献，毗

14、邻有限元和矩阵H，包含接触摩擦条件方程。4 提出集成模型的应用方法和实例当前在设计中使用FEA的尝试，大部分需要使用预处理器或者CAD和FEA软件之间的转换。结果是，这些方法有一些缺点，这些缺点已经在第二部分中详细讨论。在本文中，我们说明了以CAD系统部分和基于FEA程序的集成，例如钣金冲压过程的截面分析。所提出的方法不会有这些缺点。充分利用设计过程中基于有限元部分的分析，我们提出的方法是建立一个集成的设计环境即包括CAD系统和截面分析程序以及其他在产品研发过程中所使用的计算机工具。集成系统的结果将会快速并且容易使用。他提供所有的功能需要支持倾斜、提取截面和完整表现部分和相关加工属性。他还允许

15、设计修改和避免当更新3-D模型中所选截面时在模型中产生的矛盾。建立设计环境的总体目标是提供真正的集成系统从此取代建立接口。当建立接口时，数据从函数或者应用软件中传递到另一个在第一个函数完成之后，例如，机械设计时CAD数据将传递到FEA中软件中。在真正的集成下，一个“对话”不断的在专家之间进行，因此，在设计工作进行时，遇到的问题可以提出并得到解决，并且，可以做出大量的决定。当工作进行时，集成系统可以提供便利的通信方式和在任何平台传递数据。（Altan et al., 1992）在这节里，我们描述了俄亥俄州立大学在净成形制造中计算误差时使用的原型和设计的讨论会。这将会充当下一章详细介绍实际操作的介

16、绍部分。截面部分，薄板冲压设计的截面分析程序（Saran et al., 1992）是一个截面分析软件包。Pro/ENGINEER，一个商用的包含参数化技术的CAD系统（Pro/Eng, 1993），被用作建立该系统的平台。对于使用者而言，该集成设计和分析系统看起来和普通的CAD系统没什么分别，但是由于添加了更多的设计功能，即部分基于有限元分析。当生成的设计使用了CAD系统中可用的设计功能，使用者可以在任何设计平台上使用截面分析。图4显示了一个初步的薄板冲压设计，包含延展凸缘以适应边界尺寸。Pro/Eng菜单的新部分设计和编码处理附加功能。设计者指定设计的倾斜度，通过旋转视角改变垂直冲压运动方

17、向（集成系统提供了协助该规范的方法）。对于简单的部分，在这里考虑的，倾斜度不是必须的，因此可以用现存的面来定义草绘平面。使用者可以如图5所示的结果切断平面。通过点击相应的菜单按钮，推断程序将会自动的提取CAD模型中截面的几何信息，并将其转换成截面分析程序所需要的格式。图6显示了几何输入通过集成系统自动生成。下一步需要详细说明工艺参数。系统使用一个全屏编辑器，并自动生成一个窗口控制，包含分析系统所需要的所有参数，以及各参数的简短描述和默认值。（见图7）再点击一次鼠标，系统会自动的将几何数据和参数结合到一起，生成并储存输入数据文件到截面分析程序中。同时程序仿真从菜单系统中启动，当仿真程序完成时，断

18、面形状后处理器用来粗略的检查数据结果。图8显示了几个可能标注中的两个，可以在输出窗口中绘制出来。这些包括冲压强度，收缩量总和、冲程和沿着所选截面的应变分布。结果可能会和产品要求产生矛盾，例如，应变或者应变梯度在某些区域过大，挤压力超过机械性能，或者回转弹性模量太大。当问题产生时，设计者使用CAD系统可能会改变工艺参数，选择其他材料或者修改/重新设计此部分。集成系统会再一次从修改的部分里检索截面几何，自动生成分析程序执行下一次重复设计的需要的输入数据。5 拟议集成CAD/FEA 环境5.1 系统构架的全面描述图8显示了总体的系统构架和各种活动涉及到拟议集成设计和分析系统。在这样一个增强的的CAD

19、系统中，设计者以标准方式创建一个基于功能需求的冲压件。此外，使用新功能提供，他在3-D模型中直接定义了工艺过程有关的几何属性。这包括和冲程方向、空白边缘的初始位置、压料（压料板）边界位置相关的的零件方向。附加的非几何信息包括材料属性，以后将同样和工艺模型进行关联。为了进行截面分析，特殊自动化功能将会开发，允许使用者标记一个平面，平行于压力冲程方向。几何模型的交叉算法接下来用来创建所选择零件一半的CAD模型。集成程序自动的生成截面几何，检索CAD模型中所有其他的工艺相关几何属性。在那之后，几何工具（模具和冲床）和初始空白薄板位置会自动计算出来，一个几何输入数据文件按照FEA程序需要的文件格式生成

20、。接下来，设计师将会要求提供或者接受有关各种工艺参数的默认信息，例如摩擦系数等等。分析程序接下来会执行评估设计而不退出CAD系统。根据结果，设计者可能会修改几何或者改变工艺状态及/或者材料等级来提高设计。由于这两种应用软件，设计和分析，共享相同的根零件模型，在CAD系统中几何修改在扩展零件/工艺模型上。因此，集成系统会消除任何可能的几何矛盾。一个集成系统的原型版本开发来应用这些概念已经在第四章中描述。为了执行上面提到过的工作提纲，主CAD系统必须配备一些特定功能，例如分割截面等。为了在这片文章中描述软件，5.5章包含一个必须的但是存在的CAD功能的描述，同时5.6章包含新功能信息，新功能已经被

21、开发、编码并且已经列入系统。5.2 扩展零件/工艺回顾正如前面几章提到的，提供从CAD零件模型中提取有关数据的能力并生成适当的格式化数据文件在FEA模型中使用是集成有限元分析和计算机辅助设计必不可少的一步。直接存储CAD零件模型不仅仅需要取消了重新定义几何体的需要，而且提供了更加有效的方式建立有限元模型。从这一点上来看，边界表示法（Mortenson，1995）看上去是在CAD系统中最合适的表达方法，便于有限元模型的生成。通过组织好的逻辑关系和几何层次，数据生成模块将导出建立一个有限元模型人任何所需要的信息。对于其他任何几何信息（附加属性），例如边界表面等，我们可以使用外来的参考曲线或曲面从而

22、更方便模型的生成。因此，这个边界表示法提供给我们充分的信息促进有限元模型的生成。5.3 属性的说明除了基本几何的描述，一个完整的有限元模型需要属性信息的详细说明（图9），例如边界条件、材料属性、工艺参数和分析软件的控制数据。这些数据的一部分是以几何体为基础的，一部分是非几何体为基础的。按惯例来说 这些数据直接指定有限元分析模型。因此，一些严重的矛盾不一致会发生在有限元分析模型和CAD模型之间。这种情况在界面分析中可能更严重因为预处理器在有限元分析中通常建立截面模型代替全部零件。这个问题通过提出的集成框架来解决，正如下面提到的。在执行有限元分析程序之前，设计者会在零件模型上直接定义以几何体为基础

23、的属性，建立一个增强的CAD数据库（扩展零件/工艺模型）包含建立有限元模型的所有必要信息。在一些情况下，除了常规的零件定义数据之外，参考表面和参考曲线同样可以被用来促进规范以几何体为基础的属性。例如设计者可能会使用一个参考（基准）曲面绘制零件表面部分，来指示最初空白薄板轮廓。在提出的方法中，以非几何体为基础的信息用来定义属性并存储在零件模型中，因此他以后可以提取完整的有限元分析模型。设计者可以使用同一组参数设定不同的截面，以避免重新定义参数导致的任何不一致。系统将会检索，包括为选定截面在截面分析中生成输入数据所需要的信息。5.4 定位和截面对于一个复杂的零件几何，设计者通常必须测试零件提高可成

24、型性的各种趋势。在这一章中，我们将讨论一个方法可以协助设计者快速重新定位零件相对冲压运动的方向，生成适当的截面几何。对于截面分析，相交平面必须平行于冲压运动方向。当在集成系统中选择一个平面，设计者需要指定一个“草绘平面”，他的法向量平行于冲压运动方向。接下来，他在草绘平面上标记两个点代表相交平面。草绘平面可能是零件上一个确定的表面。对于一些简单几何的零件和明显的零件位置，设计者可能会挑选零件表面作为草绘平面用来标记切割线。图10显示了一个零件设计和交叉线的例子。对于更复杂的拥有不规则几何体的零件，设计者需要指定一个基准面或者参考平面作为草绘平面。为了创建一个基准平面，设计者必须正确的指定零件的

25、定位。在CAD系统中创建的零件相关于默认坐标系和默认视角。设计者可能会旋转视角以便于从各个角度观察物体。这通过生成变换矩阵来完成，使用它传递物体从通用坐标系到2-D视图。如果冲压运动方向假定为垂直于屏幕，方向向上运动，倾斜问题结果是零件在3-D空间中定位的决定性因素，在视觉固定的冲压方向。当期望的定位方向被指定，任何相交平面穿过零件，零件在用户定义的沿着冲压运动的方向。因此，草绘平面在这个应用当中是一个参考平面，水平方式放置并垂直于屏幕。然而，这还不足够作为参考，关于零件模型允许设计者创建期望草绘平面。为了解决这个问题，集成系统能自动的创建一个右旋坐标系，他的X轴从左到右水平放置，Y轴从下到上

26、垂直放置，Z轴指向使用者。基于这个坐标系，设计者可以创建期望的基准面作为草绘平面。运算法则常常用来创建期望的“倾斜”坐标系改变为一个水平的和一个垂直线在屏幕空间返回到零件空间使用相反的观察矩阵，同时使用这些转换线作为X轴和Y轴来创建坐标系。图11显示了一个零件设计相关于通过集成系统创建的坐标系（CS1）。在这个图中，冲压运动沿着CS1的Y轴。各自的，草绘平面DTM8.，通过CS1中的X-Z平面沿着Y轴偏移一个固定的距离来创建。CSO是一个原始的坐标系，在零件几何数据定义之前。设计者能够接下来在草绘平面DTM8（上部视图）中选择两个点以或得期望的截面。5.5 必须存在的CAD功能为了执行上述提到

27、的工作提纲，几个功能是必须的。主CAD系统为了这些应用必须装配上必要的功能，如下表所（缺少的功能将在下一章中描述）：· 提供使用者几何查询能力（边界信息）从使用者书面申请程序。· 允许使用者挂接应用程序到原来的CAD系统，并制定用户界面系统。· 允许使用者在设计上创建和标记参考曲面/平面。· 切割能力（例如布尔运算（零件半平面）· 提供观察矩阵的信息· 允许使用者创建另外一个基于使用者指定因素的坐标系，并且使用个坐标系作为一个参考来定义半平面。5.6 最新开发的CAD功能主CAD系统需要装配一些新开发、编码并且包含在系统中的功能。如下

28、面列出来的：· 一个在Pro/ENG中定制的菜单系统，包含按键来执行集成系统的特殊功能，例如：定义斜度，标记截面，运行仿真程序，回顾结果等等。· 允许使用者图形化设计加工方向的功能。它生成一个“倾斜的坐标系”基于期望的加工方向作为截取截面的一个参考。· 可以计算转换矩阵可以将一个3D的表面转换为2D的截面的功能。· 可以自动的生成输入文件的功能，基于所选截面的几何并对断面形状进行编码，这将包括一些的几项内容：· 用于转换一个参考边到一个分段线性模型的功能。· 基于模型几何数据来计算最初的薄板位置的功能。· 基于模型、薄板和标准信息来生成在冲压初期阶段的冲压位置的功能。· 通过使用