CAE与CAD的冲压件集成分析.docx

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CAE与CAD的冲压件集成分析

　　由于成形机理的复杂性，冲压件产品设计、工艺设计和模具设计在很大程度上都是凭经验进行的，要经过多次试模和修改才可能获得比较合理的设计结果，致使产品开发周期长、成本高。

为了提高设计质量，CAD和CAE逐步得到了广泛的应用，但两者主要是孤立地应用的。

随着产品开发集成化、并行化的发展要求，实现CAD/CAE集成己成为迫切需要解决的问题。

为此，不少国际著名的CAD软件商都在其CAD系统中嵌入CAE模块，而CAE软件也在不断加强其造刑功能及前后置处理功能，努力使CAD与CAE逐渐融合在一起。

但前者的分析功能一般较弱，而后者的分析结果又很难直按反馈给CAD系统，用以指导设计。

由于两者间的通信主要是基于几何层，信息的交换离不开大量烦琐的人工处理，很难实现由设计到分析再到指导设计的集成化与并行化。

　　为了探索冲压件CAD/CAE集成的途径，研究了板金成形产品与工艺并行设计系统，原型系统由有限元分析模块、MATLAB数学与图形软件包和基工知识的设计模块组成，其中基于知识的设计模块由知识库和并行设计环境组成；以商品化CAD系统作为软件平台，通过扩充CAD系统的部分功能，并嵌入自行开发的有限元分析模块，实现CAD与CAE集成，以支持板金件并行设计。

这些方法论证了CAD与CAE集成化与并行化的可行性，但需要投入大量的人力、物力去重新开发CAE模块。

　　本文着重讨论现有商品化CAD与CAE系统的集成问题。

由于特征是产品开发过程中推理、决策的基本对象，可起传递设计信息的载体作用。

因此，本文通过建立基于特征的集成化产品信息模型，研究基于特征的CAE建模技术和基于特征知识的智能化后处理技术，并利用特征的桥梁作用，结合领域知识和人工智能技术，基于现有商品化CAD与CAE系统，实现冲压件CAD/CAE的系统集成。

　　1基于特征的CAE建模技术

　　设计模型和分析模型是同一个对象的两个不同应用特征集，由设计模型出发建立CAE分析模型的过程称之为设计特征向分析特征的映射，主要内容包括：

基于特征的几何模型简化、载荷与边界条件处理和网格划分等。

研究特征映射机制，实现基于特征的启发式自适应分析建模对提高CAE分析计算的质量与效率具有重要意义。

　　1.1基于特征的几何模型简化

　　几何模型简化包括降维处理、对称性简化和删去那些对计算影响不大的细节特征（如倒角、小孔等）。

　　根据经验知识并结合设计特征的几何计算和载荷与边界条件分析，可判断哪些对象可以降维处理。

例如，当零件的长、宽尺寸远大于厚度尺寸时，可以按板料零件处理，用零件表面或中面代替实体零件，并用具有截面性质的杆单元表示拉延筋等。

详细论述了基于中面表示的冲压件特征造型技术，以及中面模型与实体模型的转换算法。

　　对称性简化可首先直接根据基于特征的产品信息模型中记录的有关特征的剖面轮廓、定位关系以及生成方法（拉伸、扫掠、复制等）等信息判断分析对象的对称性，并求得对称线（轴）或面。

然后根据其载荷、约束等边界条件作用的位置、方向、大小等检测、判断它们是否关于几何对称线或面对称。

如果是，则分析对象具有对称性，可以实施对称性简化，图1表示冲压件分析模型的对称性简化流程。

　　图1冲压件分析模型对称性简化流程图

　　1.2基于特征的载荷及边界条件处理

　　在现有的有限元分析软件中，载荷及边界条件的处理基本上都是人工进行的。

由于在基于特征的产品信息模型中，记录了各零件或特征的功能、装配关系、约束条件等信息，对在CAE分析中合理处理载荷与边界条件具有重要指导作用。

例如，对起散热或加强作用的肋片特征，可根据其功能、特征关系、特征体积和材料密度等映射为均布载荷等。

因此，将特征技术引入到分析模型的载荷及边界条件的处理中，可以提高载荷及边界条件处理的自动化，减少人工建模的工作量与人为差错。

　　在冲压工艺中，冲压产品是板料在凸、凹模的共同作用下成形，载荷与边界条件表现为凸凹模、压边圈等对工件的作用。

凸、凹模的形状就是板料加工过程中的边界约束，而受载是在凸、凹模的相互作用、运动过程中产生的，可根据每一工序过程前后工件的形状特征信息确定凸模的初始作用位置（即载荷作用的初始位置）和凸、凹模对板料边界约束的深度和最终约束形状。

这样由于凸凹模的形状是由冲压工艺决定，而冲压工艺又取决于产品形状，因此，根据产品的特征信息，结合工艺条件（包括冲压力、冲压速度、工具运动定义以及摩擦条件等）可实现冲压件分析建型过程中载荷与边界条件的自动处理。

1.3基于特征的有限元网格划分

　　网格质量（包括单元形状、网格密度、节点位置等）是影响有限元分析计算精度与效率的关键因素。

传统的网格划分主要是根据分析对象的几何形状决定网格划分的疏密程度，而没有考虑外加载荷的场效应以及边界条件的影响，因此生成的网格有时并不一定合理。

其实网格划分与特征信息密切相关，如弯曲角度小的特征要比弯曲角度大的特征具有更细的网络密度，载荷作用关键区域也要有更细的网格密度等。

因此，可以用特征重要度来指导网格的划分，而一个特征的重要度可以从特征的功能、几何形状、参数大小、属性、约束等多方面进行评价。

　　Nakajima等通过建立特征重要度经验公式，对网格划分精度进行控制；Dyck等用神经网络求解特征所对应的网格密度。

网络的输入是特征的各项参数，输出的是网格单元的大小或者是反映网格密度的定性描述，如“很稀疏、稀疏、密、较密、很密”等。

利用特征信息进行启发式网格划分，不仅可以减少大量的工作量，而且可以获得较好的网格密度控制，同时在改善网格节点位置、合理简化计算模型和选择单元形状等方面也比传统方法具有优越性。

　　2基于知识的智能化后处理技术

　　通过CAE分析可以预测金属流动、应力-应变和工艺参数对成形质量的影响，可帮助评价设计质量和改进生产工艺。

但分析得到的是大量离散网格节点上各物理量的数值结果，为了获得有价值的信息，必须建立分析结果与产品模型（包括设计特征、工艺参数等）的联系，并建立各种设计评价准则，以便对设计结果进行评价和解释。

目前，对CAE分析结果的处理主要是采用可视化技术将应力、应变、速度等各物理量以等值线、流势图、缺陷预测图等形式显示。

计算可视化虽然结果直观，但对分析结果没有评价和解释，对设计结果的判断仍需要由设计者自己凭经验作出。

这一方面对设计者提出了很高的要求-另一方面，使CAE工具的应用仍停留在设计验证阶段，而没有发挥它应有的指导设计的作用。

利用特征的载体作用，将特征技术、领域知识和人工智能技术结合起来，建立基于特征知识的智能化后处理技术，是实现CAD和CAE集成的关键。

　　2.1设计评价标准

　　设计评价标准可以是多种多样的，在CAE分析中，主要有力学评价标准和几何评价标准。

力学评价标准是指运用力学方法对工件是否发生缺陷进行评判，它能从理论上对缺陷的产生、发展进行严密的推导。

如板料成形中有强度破裂准则、成形极限图、压应力失稳起皱准则、剪应力失稳起皱准则等；几何评价标准是指从工件的几何变化状况（如位移、厚度等）来判断缺陷的产生，如覆盖件成形中，当板料厚度减薄超过一定值后，将认为发生破坏。

这两种评价标准都能反映工件上产生的缺陷，在软件中实现这两种评价标准，可以达到自动判断工件是否产生缺陷的目的。

　　2.2分析结果数据的特征映射

　　在分析建模时，如果采用基于特征的分析建模技术，则分析结果数据自然保持与产品模刑的对应关系，但如果采用的是传统的基于几何的分析建模技术，或者尽管采用的是基于特征的分析建模技术，但在计算中进行了网格再划分，而又没有记录下再划分历程，那么分析结果将失去与产品模刑的对应关系。

分析结果数据的特征映射就是要重新建立起离散网格模型与几何形状的联系，从而将分析结果数据与产品设计特征联系起来，便于分析结果的评价与指导设计的修改。

　　由于分析结果数据是依附在单元或结点上的，因此，分析结果数据的特征映射可通过几何比较匹配方法来实现，即通过比较单元或/和结点与特征形体的几何包容关系来确定属于每一个特征的网格单元及其分析结果数据。

以圆筒形件拉深为例，通过几何比较匹配可将分析结果分别映射到设计特征的凸缘区、凹模圆角过渡区、直壁区、凸模圆角过渡区和筒底区。

这样处理之后单元和结果数据就直接与特征联系起来，单元状态就直接表现为该特征的状态，于是通过判断单元的状态就可以知道设计（特征）是否合理。

　　2.3分析结果的评价与解释机制

　　分析结果的评价与解释机制将CAE分析结果从数值解变换成可供推理和理解的符号，然后借助有关经验知识与理论知识对设计结果进行评价，对可能存在的缺陷进行预测，并提出改进意见，从而实现CAE与CAD的双向关联，达到真正意义上的系统集成。

　　设计的好坏直接与特征参数和其属性（如摩擦条件、材料特征、边界条件和受载情况等）密切相关，这可借助特征信息及相关知识来进行设计评价与缺陷解释。

其运行机制实质上是一个基于特征知识的专家系统，它包括3个核心部分：

（1）数据库。

存放基于特征的产品信息模型、冲压产品及其工艺设计的典型事例和CAE分析结果数据以及从中提炼出来的关键数据（即符合力学与几何评价准则的与缺陷产生相关的数据，如应力、应变、位移等）。

（2）知识库。

存放大量来自生产实践的领域知识或经验规则，这些知识都是进行产品设计和工艺设计评价的依据。

例如，压边圈的主要作用是防止板料在拉延过程中起皱，压边力的大小一般可根据图2所示经验曲线选择。

压边力如果大于最大压边力，将导致工件被拉破，如果小于最小值，将导致工件起皱。

该经验曲线可进一步表示为评价获得合格产品工艺参数的确信度因子：

　　式中：

Cn和Cx分别为最大、最小极限压边力值时防止起皱的确信度。

　　图2压边力选择经验曲线及防止起皱的确信度因子

　　此外，通过CAE分析，也可抽象出某些规律来指导设计。

例如，对给定材料，压边力和摩擦因素是影响板厚变化的典型因素，经CAE分析，可获得在给定摩擦条件下压边力对板厚变化的影响关系，以及给定压边力条件下，摩擦因子对板厚变化的影响关系。

这些数值结果也可以表示为表格或通过回归分析建立经验公式或规则集成进知识库，形成新的知识。

　　（3）推理机。

推理机是设计评价与解释的核心，它采用基于事例与基于规则相结合的推理技术，将知识库中的规则与数据库中的事实进行比较匹配，从而得到对设计的评价和缺陷产生原因的解释。

最后根据对缺陷产生原因的解释，从缺陷防止措施知识库中提出对当前设计有用的防止措施，形成指导设计的修改意见，供设计者对产品设计和工艺设计进行修改。

3CAD与CAE系统集成框架与实施

　　通过以上论述，可以看出通过建立基于特征的集成产品信息模型，利用特征的载体作用，结合领域知识和人工智能技术的运用可实现CAD与CAE的系统集成，集成框架如图3所示。

　　系统实施以目前广泛应用的商品化CAD软UGII和板料成形仿真软件DYNAFORM为集成对象。

为了将CAD与CAE系统在功能上紧密地耦合在一起，实现“分析-设计”的自适应，以CAD系统为集成平台，利用二次开发工具开发冲压件特征造型模和CAE分析前、后置处理模块。

系统执行过程是：

首先通过特征造型功能进行产品设计，然后通过前处理模块进行有限元分析建模，生成DYNA输入文件，供DYNAFORM的核心求解器DYNA进行成形过程仿真，最后将分析结果数据反馈到CAD中的后置处理模块进行设计评估与解释，并提出修改意见。

图4表示冲压件CAD与CAE系统集成的详细功能模块或过程，图5所示为系统运行实例，其中圆筒件及其成形工艺参数为：

凸模：

rp=1.25mm，φp=49.5mm；凹模；rd=4mm，φd=51.25mm；板料毛坯：

08F钢，φ=98mm，t=0.5mm，R=1.0，σ=530ε-0.2413MPa，σs=210MPa；σb=337MPa；压边力：

2.6kN；摩擦系数：

0.12；虚拟冲压速度：

200m/s；行程：

20mm。

　　通过CAE仿真分析发现，圆筒件在成形过程中，从第7步起，开始在突缘区逐渐起皱，到第10步时，起皱现象已较为明显（见图5）。

分析计算完成后，后处理模块读入圆筒件的分析结果数据后，通过结果数据特征映射、关键数据特征归类等数据处理方法建立起离散数据与设计特征的联系，然后根据模拟得到的应力、应变、位移等信息实现对分析结果的评价和解释。

评价结果是圆筒件存在缺陷：

突缘区起皱。

解释原因是：

压边力过小，并建议将压边力改为8kN。

根据系统给出的修改建议，对圆筒件成形工艺参数进行修改后突缘区的起皱现象消失，得到合理的产品设计与工艺设计。

　　图3CAD与CAE系统集成框架

　　图4冲压件CAD与CAE系统集成的功能模块

　　图5冲压件CAD/CAE系统集成应用实例

　　4结论

　　本文利用特征的载体作用，通过建立基于特征的集成化产品信息模型，研究基于特征的前处理技术，基于特征知识的智能化后处理技术和系统集成技术，基于商品化CAD与CAE系统实现冲压件CAD/CAE系统集成，使在设计阶段通过CAE仿真，对设计结果进行评价，并及时反馈修改意见，指导设计修改。

使在实际生产过程中可能出现的问题，在设计阶段就加以解决，从而实现冲压件产品与工艺并行设计，达到提高产品设计质量=降低成本和缩短开发周期的目标。

参考资料：

cae信息制造http:

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