图1  某车型鼓包产品造型

本文着重阐述了覆盖件板料冲压成形过程有限元模拟技术的一般方法，讨论了它的关键技术及其最新进展和发展趋势，介绍了一些主流商业软件产品，并以具体冲压零件为例，采用AUTOFORM软件对零件的成形性进行模拟计算，分析了成形缺陷的原因并提出改善方案。

长期以来，困扰模具设计人员的主要问题是较长的模具开发周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功，某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。

目前，板料冲压过程的计算机分析与仿真技术（非线性有限元分析技术）已能在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题。如计算金属的流动、应力应变、板厚、模具受力和残余应力等，预测可能的缺陷及失效形式；如起皱、破裂和回弹等，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化。在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能从设计阶段准确预测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数和模具结构，缩短模具的设计制造周期，降低产品生产成本，提高模具和冲压件产品品质，从根本上提高企业的市场竞争力。

图2  冲模型面有限元模型

板料成形需要解决的问题

在冲压成形过程的计算机仿真中应考虑的问题有几个方面：板料的大位移、大转动和大应变条件下的弹塑性变形的描述和计算；板料与模具间法向接触力的计算；板料与模具接触面间摩擦的描述及摩擦力的计算；模具的几何描述和运动计算；压力机加载过程的描述和模拟。

板料成形的工艺主要有冲压工艺设计（包括毛坯尺寸计算、分步成形计算等）、模具设计、冲压设备选择和成形缺陷预测与消除等。

图3  毛坯放置情况

板料成形需要解决的主要问题包括缺陷（起皱、拉裂和回弹）预防、压边力确定、模具磨损的影响、润滑方案确定、成形力确定、毛坯尺寸确定和压延筋布置等。

有限元数值模拟的关键技术

板料成形CAE技术是建立在有限元法基本原理和数值方法基础上，利用计算机进行计算和求解的分析方法。有限元数值计算的关键技术如下：

1.模具几何形状的数字描述

模具几何形状的数字描述有多种方式，目前较常采用的是STL格式。

图4  计算机模拟拉伸成形后的成形极限图

2.摩擦边界条件的施加

与摩擦金属的成分、毛坯与模具间的相对滑动速度、温度及润滑条件有关。

3.速度约束条件的施加

主要包括边界自由节点和边界约束节点的运动属性判定。

4.网格划分和重划分技术

目前的CAE软件都提供了网格划分、修补和重划分功能，作为板料成形分析的工艺人员，关键是要掌握好有限元网格划分指导思想、划分方法和原则，利用软件划分出适当的单元。

板料成形CAE软件

很多公司都推出了非常适合于模具设计工程师使用的板料成形数值模拟软件。国外较有名的商业化板料成形数值模拟软件有ESI公司的PAM-STAMP、美国ETA公司的DYNAFORM和瑞士ETH公司的AUTOFORM等。这些软件采用自适应网格技术，实现显隐式无缝转换，用一步法作坯料快速开发，具有较强的模面设计功能和焊板成形分析功能。这些公司的产品较为全面，涵盖了板料成形模拟的多个方面，广泛应用于拉伸、切边、翻边、弯曲、多工位成形、液压胀形和弯管等领域。

我国近几年也开发了较为成熟的板料成形CAE软件，如华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室开发的FASTAMP以及吉林大学车身与模具工程研究所的KMAS等。

图6  压料面更改

目前多数的板料成形CAE软件基本上都具备了以下功能：完全工艺化的风格，易学易用；丰富标准的CAD接口，可输入/输出多种标准数据格式；先进的网格生成器，三角形、四边形网格混合以及网格修改、剪裁功能，成形过程中网格的自适应（adaptive）划分功能；方便的拉延筋生成功能；坯料快速估算及开发，提高成材率；快速的拉延评估分析功能（无需建立凸模及接触、载荷曲线）；模面设计，由产品几何外形生成压边和凹模等，并可输出经过分析优化后的模面，供模具设计制造；变厚度板料（焊板）成形分析；丰富的材料库；显隐式无缝转换（回弹分析）；显示各变量（应力、应变、厚度和能量等）的历史曲线、云图及动画，截取截面显示（如厚度变化等），FLD图可以显示每个单元的成形状况等；二次开发功能。

板料成形CAE软件的未来将向几个方面发展：发展与应用新的本构方程、破坏准则和摩擦模型，提高分析的准确性；增加模具变形分析能力，提高分析预测水平；采用优化分析方法，得到最佳的板材形状、压边力和拉伸筋位置等成形参数；有限元模拟与CAD环境的双向嵌入，无缝集成；采用网络并行计算，提高分析计算速度。

板料成形CAE分析的一般步骤

板料成形CAE分析的一般过程为前处理（网格划分、定义约束条件、施加条件和边界条件等），求解（数值计算）和后处理分析结果（应力、应变、材料厚度分布和能量等历史曲线、云图、动画、切取截面显示、回弹及FLD图等）。其中前处理工作最为重要，作好网格划分、定义约束条件、施加条件和边界条件等工作，是有效完成CAE分析的关键。

下面以冲压零件为例来具体说明板料成形CAE分析的一般步骤：

图1是某车型的鼓包零件，其形状复杂、拉延深度深，要经过拉延、修边冲孔、整形和斜楔冲孔等工序。在全套模具设计中拉延工序最为重要，也是难度最大的。工艺设计不当常常会产生拉裂、起皱等缺陷，给模具调试造成较大的难度。应用CAE软件AUTOFORM可以模拟板料成形的全过程，及时预测可能出现的拉裂、起皱缺陷，为完善模面设计方案、修模提供依据。

1.模型的建立与计算条件

在NX软件中完成后鼓包的产品数模导入，并修改处理成拉伸工序件模型，包括冲压方向、压料面和工艺补充面等，然后将工序件数字模型用IGES格式导入AUTOFORM软件中，利用软件中的前处理工具来对几何模型进行网格划分，建立冲压成形的有限元模型凹模。采用OFFSET或者TOOLS BUILDING方式形成凸模及压边圈的有限元模型。图2为冲模型面的有限元模型，图3为毛坯放置情况，因零件左右对称，为节省运算时间，取毛坯的一半进行计算。

2.材料参数和边界条件

后鼓包材料采用FEP04（相当于宝钢ST14），厚0.75mm，毛坯尺寸1340mm×1700mm，杨氏模量E＝206MPa，泊松比ν＝0.33，密度ρ＝7.8g/cm3，硬化系数K＝0.59MPa，硬化指数n＝0.18，各向异性指数r＝1.5；边界条件如下：确定摩擦系数为0.12，压边力为900kN，摩擦系数取0.12。

3.模拟结果

模拟可显示板料的变形、应力、应变分布及板料厚度变化和成形极限图等，厚度变化和成形极限是工程界最为关心的两个物理量。图4是拉伸成形后的成形极限图（FLD），图中成形曲线（FLC）由材料参数和屈服理论确定，FLD图可以显示每个单元的成形状况，从图4中可看出，在该冲压条件下板料的冲压在某些部位会破裂，而且角部起皱的现象比较严重，冲压效果不好，制件已经处于破裂期。图5为计算机模拟冲压成形后的情况。以往对于复杂的覆盖件拉伸件，用传统设计方法难以准确计算材料的塑性流动情况，并且很难准确预测工艺条件改变后材料流动的状况。

为了便于工程应用，还可将一些计算结果转化为其他工程信息，如根据变形状态反算出板料的最佳毛坯形状、尺寸或工件的回弹分布等。

4.工艺及产品改进

在模具系统和工艺参数中，拉伸（冲压）方向以及压料面和工艺补充面的形状、压边力、拉伸筋、入模圆角、摩擦情况和冲压速度等参数对零件工艺性和质量有很大的影响，直接影响着零件起皱、破裂、表面皱纹和回弹等。

多轮调整模具和工艺参数而不能获得满意的效果时，我们要考虑能否对产品造型的局部形状进行更改，以改善零件的成形性。

针对后鼓包零件，我们主要做了如下工艺和产品改进：

（1）更改后部压料面（见图6），抬高压料面，使后部拉延深度相应降低；

（2）根据CAE分析的毛坯流入量调整毛坯尺寸大小，改变毛坯形状，采用切角的形式，在不增加落料模的情况下，改善四角部材料流动；

（3）调整压料力大小，由90t调整为80t；

（4）凹模圆角加大，在后序整形到位；

（5）将材料厚度由0.75mm提高至0.8mm；

（6）经与研发人员协商，在不影响产品功能的情况下，更改局部形状，尽量增大产品圆角。

通过以上改进，最终达到比较满意的结果。图7、图8和图9是选取零件在不同行程下的模拟结果。

图10是改进后的FLD图，可以看出，有个别点处于危险区域，这些点位于制件加强筋的尖角处，这是由于产品设计时给出的R角过小造成的，可以在调整模具时予以修整。

板料成形CAE软件的应用要求

数值模拟计算已经与理论分析、试验研究成为科学技术探索研究的三个相互依存、不可缺少的手段。在应用中，板料成形CAE软件的应用要求有：

1.掌握网格划分技术的指导思想、划分原则，保证有效性

在现有的板料成形CAE分析软件中，都提供了自动划分网格功能，并且大部分软件采用了自适应网格划分技术，所以网格划分的操作非常简单，但需要分析人员对网格的有效性进行判断并确认，对细节区域的网格进行修补或重划分。

2.要以现实冲压条件为基础，掌握实际冲压条件的数学描述方法

在板料成形CAE分析软件中，一定要结合实际冲压条件，掌握实际冲压条件的数学描述方法。否则，CAE分析只能成为理论分析，不能应用于实际生产。要准确描述实际冲压条件，需要进行大量的调查分析。

3.CAE分析与经验学习积累同等重要

欧美大多采用仿真设计，但在日本，模具设计师通常是依靠经验来设计模具。经验的重要性体现在以下两点：在板料成形CAE分析的预处理过程中，好的工艺辅助面及拉延筋可以快速达到预期的目的；在后处理分析发现成形缺陷时，通过什么方法来改善，需要有丰富的经验。

4.CAE分析必须与零件及模具的CAD/CAM并行交互

CAE分析是为零件及模具的设计和工艺参数优化等服务的，不能将CAE分析孤立，而应该更多地渗入零件及模具的设计、工艺设计中，及早地改善模具设计，优化工艺参数，甚至改进零件设计，才能缩短开发周期，降低开发成本。

结语

无论是在分析计算的精度方面，还是在对冲压过程中，板料成形CAE软件已经显示出了巨大的工程应用价值。我们在新车型冲压零件开发过程中，通过采用同步工程模式，在数模冻结前普遍应用AUTOFORM软件，不仅对大型复杂零件进行了成形性分析，而且还对梁类成形件进行了回弹预测，对零件的工艺性及产品造型提出了大量的修改建议，为新车型生产准备工作的顺利展开打下了坚实的基础。可以断言，板料成形CAE技术的进一步发展将对简化和优化冲压过程、缩短生产准备周期、提高产品质量和寿命、降低生产成本以及减少投资等起到极其重要的作用。