汽车车身作为整车所有零部件的载体，其开发和制造的成本约占整车全部投资的40%～60%，而且，车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计和制造。

随着市场竞争的加剧和环保法规的相继出台，汽车工业面临着严峻的挑战，“3R战略”成为了所有汽车制造商的追求目标——缩短研发周期、降低研发费用以及减小整车重量（提高燃油效率）。3R战略的实施对诸如CAD/CAM/CAE等技术的应用提出了更高的要求。

众所周知，汽车的大部分构件都是薄板冲压件，国外各大汽车厂商很早就开始采用计算机仿真技术用于指导产品的设计和制造。

冲压数值仿真的发展主要依赖于各种板成形软件的涌现和进步，这些CAE软件大多可以利用CAD生成的模型进行设计和工艺过程仿真，为新产品的开发提供参考依据。

当前，工业上应用板材成形CAE分析的目的可以归纳为以下四个主要方面：

□ 节省时间：对工件是否可制造作出早期判断，减少调试次数，缩短开发周期，快速响应结构修改；

□ 节省费用：降低模具成本，增强可靠性；

□ 提高产品质量：择优选择材料，可制造复杂的零件，可进行各种成形参数的优化，为未来的产品设计、工艺设计、模具开发和试模提供技术储备；

□ 降低风险：准确预测可能出现的成形问题、表面质量问题和型面准确性等问题。

传统的汽车模具开发

在车型设计→模具设计与制造→产品投产的整个过程中，模具设计和制造约占2/3的时间，成为了制约新车型快速上市的关键因素。

传统的模具开发是由产品直接进行工艺设计和模具设计（如图1）。设计者根据书本中的规则和积累的经验采用试错法（trial-and-error）来实现，把模具加工出来再试模，当成形出现问题，如起皱、开裂、过渡减薄时，由试模工程师直接修模，如打磨拉延筋、增加吸料特征等。当这些手段仍然无法得到满足要求的产品时，就不得不宣布模具报废，再重新进行工艺设计和模具设计，再制模、试模，直到可以生产为止。从这个过程中可以看出，这种方法通常会带来大量设备、材料和时间上的浪费，因此，产品开发的成本显著增加，新车型投放市场的周期也被延长，同时，质量也得不到保证，降低了客户的信任度，这些都会严重影响企业的竞争力。

图1  传统的汽车模具开发过程

引入钣金成形仿真技术的汽车模具开发

20世纪80年代初，数值模拟技术作为一种设计方案的评价工具，首先被运用于汽车覆盖件工艺及其模具设计中，随后，众多学者在材料模型、单元类型、缺陷预测、拉延筋模型和求解算法等数值模拟的关键技术方面展开了深入研究，提出了正交各向异性的“屈服准则”，合理地描述具有较强组织结构的各向异性金属板料的屈服行为，并且有效地模拟板料拉深成形过程中的塑性流动规律，全面反应面内各向异性和屈服函数对板料成形过程中的塑性流动规律及成形极限影响。著名专家D.Y.Yang指出，由于膜单元不能正确处理成形过程中的起皱等问题，因此，对于复杂的汽车覆盖件工艺分析，采用考虑弯曲作用的壳单元在综合计算效率和精度等方面是最好的选择。随着理论研究的深入和实际中的成功应用，大量具有完善前后置处理功能的板料成形模拟软件涌现了出来，其中最具有代表性的是动态显式程序eta/Dynaform。现在，eta/Dynaform以其强大的智能网格划分、精准的求解结果、广泛而全面的理论基础得到了全球汽车厂商的青睐。图2是引入eta/Dynaform钣金成形软件的汽车模具开发的解决方案。

图2 引入eta/DYNAFORM仿真软件后的汽车模具开发过程

在产品设计阶段就引入CAE分析可以发现该产品的成形难点和障碍。从图3所示的厚度分布云图可知，在中间柱状的顶部，厚度减薄很严重，从而可以预测该处是成形的难点和障碍。用该分析结果来指导模具设计可以发现：如果把压料面降低，使其拉延深度比现在还大的情况下，零件容易破裂，所以，压料面必须考虑尽量降低此处的深度以改善成形性。eta/Dynaform采用改进的一步算法（MSTEP）来进行快速产品成形性分析，同时还可以利用展开坯料、排样等技术对材料成本进行估算。

图３ 产品可成形性分析

此外，eta/Dynaform不仅提供了与主流CAD软件的强大接口，如UG、CATIA等，同时还提供了DFE(Die Face Engineering)功能，CAE用户可以在DFE模块中开发裁剪线、添加压料面/工艺补充面，设计各种拉延筋。

在产品设计阶段，DFE模块可以支持产品成形研究，在模具设计阶段帮助设计工程师完成模具设计。如图4，CAE用户可以用这个模块快速地设计出压料面和工艺补充面。参数化的设计方法使得调整更加方便、快捷。

图４ 模具设计（压料面和工艺补充）

模面设计好后，eta/Dynaform可以完成虚拟试模。在这个工程中，用户可以发现当前工艺方案的成形问题。对于图5所示的零件仿真结果，通过后处理软件可以清楚地发现零件的开裂、起皱、回弹、划痕等问题，同时通过动态地显示成形过程，用户对整个成形过程中的塑性流动可以一目了然。另外，用户可以快速地对拉延筋、压边力、摩擦系数、毛坯尺寸进行多次调整和模拟，直到结果满意为止。如果通过这些方法仍然得不到满意的结果，可以到DFE中修改模面或重新设计模面，直到获得满意的结果，再继续制模、试模或直接加工。

在开发模具阶段引入成形仿真可以节约时间和成本。在开始制模之前，所有的修改和改进都可以在CAD软件或DFE模块中进行。例如使用虚拟试模，8个地板覆盖件的试模时间从原来的44周减少到了12周。该技术可以使工程师的构想得到快速实现，此外还可以得到精确的工艺信息，在美国，以戴姆勒－克莱斯勒公司为代表的汽车厂商已经成功地应用了CAE软件，并且他们的大部分零件都用CAE试模来代替实际试模。对新产品经过CAE试模以后，也只要实际试模1～2次就可以得到满意结果。

图5(a)  数字化试模一变形（起皱）

图5(b)  数字化试模－厚度分析

结论

在整车模具开发的每个阶段，成形仿真都起着非常重要的作用，如在产品设计阶段可帮助用户精确地预估坯料尺寸，优化排样方案，得到最佳的材料利用率，准确地进行成本分析并估算模具报价，同时也可以帮助用户对产品进行快速地分析，初步得出产品的工艺性。

当前，类似于eta/Dynaform这样的仿真软件不仅提供了CAE分析手段，而且提供了面向模具设计的CAD功能。在产品开发的早期阶段，这样的仿真软件可以快速生成压料面和工艺补充，用MSTEP模块做简单的可行性分析，还可以快速地验证模具设计以及对比不同的模具设计方案，以评估产品的成形性能并有效地预测材料成本。在模具设计阶段可以直接设计模具并进行成形分析。

值得强调的是，在工艺和模具设计阶段， eta/Dynaform可以模拟实际中的所有工艺过程，如重力载荷、压边、拉深、切变、多工步、回弹、拼焊板成形、液压胀形、弯管成形、多层材料拉深等。通过CAE试模，可以准确预测成形缺陷，评估成形质量，把模具调试阶段的工作提前到设计阶段来完成，大大减少实际的试模次数，缩短开发周期，节约成本，提高质量。