當(dāng)代汽車和現(xiàn)代模具設(shè)計制造技術(shù)都表明，汽車覆蓋件模具的設(shè)計制造離不開有效的板成形模擬軟件。世界上大的汽車集團(tuán)，其車身開發(fā)與模具制造都要借助于一種或幾種板成形模擬軟件來提高其成功率和確保模具制造周期，國際上的軟件主要有美國eta公司的Dynaform，法國ESI集團(tuán)的PAM系列軟件，德國AutoForm工程股份有限公司的AutoForm，國內(nèi)有吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的KMAS軟件，北航的SheetForm，華中科技大學(xué)的Vform等。本文著重探討AutoForm及其應(yīng)用。
1. 概述：AutoForm與板料成形技術(shù)
AutoForm工程有限公司包括瑞士研發(fā)與全球市場中心和德國工業(yè)應(yīng)用與技術(shù)支持中心，其研發(fā)和應(yīng)用的階段主要有：1991年實現(xiàn)自適應(yīng)精化(adaptiverefinement)網(wǎng)格；1992年采用隱式算法(implicit code)并與1993年開發(fā)出板成形模擬分析的專用軟件；1994年實現(xiàn)對CAD數(shù)據(jù)的自動網(wǎng)格劃分；1995年開始工業(yè)應(yīng)用；1996年實現(xiàn)對CAD數(shù)據(jù)的自動倒圓(automatic filleting)；1997年采用One-step(一步成形)代碼實現(xiàn)工藝補(bǔ)充面(addendum)的自動設(shè)計；1998年實現(xiàn)壓料面(binder)的自動生成；2000年實現(xiàn)快速交互式模具設(shè)計。它是專門針對汽車工業(yè)和金屬成形工業(yè)中的板料成形而開發(fā)和優(yōu)化的，用于優(yōu)化工藝方案和進(jìn)行復(fù)雜型面的模具設(shè)計，約90%的全球汽車制造商和100多家全球汽車模具制造商和沖壓件供應(yīng)商都使用它來進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、工藝規(guī)劃和模具研發(fā)，其目標(biāo)是解決“零件可制造性(part feasibility)、模具設(shè)計(die design)、可視化調(diào)試(virtual tryout)”。它將來自世界范圍內(nèi)的許多汽車制造商和供應(yīng)商的廣泛的訣竅和經(jīng)驗融入其中，并采取用戶需求驅(qū)動的開發(fā)策略，以保證提供最新的技術(shù)。 AutoForm的特點：1)它提供從產(chǎn)品的概念設(shè)計直至最后的模具設(shè)計的一個完整的解決方案，其主要模塊有User-Interface(用戶界面)、Automesher(自動網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面設(shè)計)、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、Hydro(液壓成形)，支持Windows和Unix操作系統(tǒng)。2)特別適合于復(fù)雜的深拉延和拉伸成形模的設(shè)計，沖壓工藝和模面設(shè)計的驗證，成形參數(shù)的優(yōu)化，材料與潤滑劑消耗的最小化，新板料(如拼焊板、復(fù)合板)的評估和優(yōu)化。3)快速易用、有效、魯棒(robust)和可靠：最新的隱式增量有限元迭代求解技術(shù)不需人工加速模擬過程，與顯式算法相比能在更短的時間里得出結(jié)果；其增量算法比反向算法有更加精確的結(jié)果，且使在FLC-失效分析里非常重要的非線性應(yīng)變路徑變得可行。即使是大型復(fù)雜制件，經(jīng)工業(yè)實踐證實是可行和可靠的。4)AutoForm帶來的競爭優(yōu)勢：因能更快完成求解、友好的用戶界面和易于上手、對復(fù)雜的工程應(yīng)用也有可靠的結(jié)果等，AutoForm能直接由設(shè)計師來完成模擬，不需要大的硬件投資及資深模擬分析專家，其高質(zhì)量的結(jié)果亦能很快用來評估，在縮短產(chǎn)品和模具的開發(fā)驗證時間、降低產(chǎn)品開發(fā)和模具成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量上效果顯著，對沖壓成形的評估提供了量的概念，給企業(yè)帶來明顯的競爭優(yōu)勢和市場機(jī)遇。 2. AutoForm的前處理與后處理
從數(shù)據(jù)輸入到后處理結(jié)果的輸出，AutoForm融合了一個有效開發(fā)環(huán)境所需的所有模塊。其圖形用戶界面(GUI)經(jīng)過特殊裁剪更適合于板成形過程，從前處理到后處理的全過程與CAD數(shù)據(jù)的自動集成，網(wǎng)格的自動自適應(yīng)劃分；所有的技術(shù)工藝參數(shù)都已設(shè)置且易變更，設(shè)置的過程易于理解且符合工程實際。 AutoForm軟件與其它CAD軟件的數(shù)據(jù)接口可以通過IGES、VDA等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)了與CATIA數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換。其偏移(offset)功能能很快地從凸模(或凹模)生成凹模(或凸模)；能很方便地定義拉延筋和修邊輪廓等功能曲線；復(fù)雜形狀的落料件和組合毛坯件的自動網(wǎng)格劃分；對稱件可以1/2描述；能直接地將落料輪廓、拉延筋線和修邊輪廓從CAD帶入模擬中。這些都大大簡化了CAD數(shù)據(jù)的輸入。
其網(wǎng)格生成器(automesher模塊)，網(wǎng)格自適應(yīng)功能非常強(qiáng)，可以將IGES和VDA曲面轉(zhuǎn)化成AutoForm能夠識別的文件格式，在定義網(wǎng)格大小、最大表面誤差值后能很快完成高度復(fù)雜自由幾何曲面的自動網(wǎng)格劃分。對CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行尖角圓整(自動倒圓)，即在劃分網(wǎng)格后檢查工具幾何模型的自由邊界、棱邊和內(nèi)凹面，無須人工干預(yù)及修改即可對棱邊倒圓，在尖角處自動產(chǎn)生指定半徑倒圓，效率高。由于軟件接觸算法的特點，對工具采用曲面片(facet)離散，對毛坯采用網(wǎng)格單元剖分，自動檢查孔、尖角和根切截面，因而可大量節(jié)省有限元模型前處理的時間。AutoForm能根據(jù)計算的需要自動重新定義網(wǎng)格，生成成形件的適應(yīng)性有限元網(wǎng)格，采用的標(biāo)準(zhǔn)是幾何和應(yīng)變梯度。AutoForm的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分產(chǎn)生非常精確的幾何分辨率和準(zhǔn)確的結(jié)果。 AutoForm對模擬結(jié)果融合了許多有效和宜人的解釋：1)可以實時地觀測計算結(jié)果，以便在計算初始階段即可發(fā)現(xiàn)模型設(shè)置方面的錯誤，避免浪費(fèi)時間。2)可觀測應(yīng)力、應(yīng)變和厚度分布、材料流動狀況，可計算工具應(yīng)力、沖壓力，可實現(xiàn)材料標(biāo)記、法向位移的標(biāo)識，可生成對破裂、起皺和回彈失效進(jìn)行判定的成形質(zhì)量圖以及成形極限圖(在成形極限圖上可標(biāo)識變形臨界區(qū)域、標(biāo)識某一單元的應(yīng)變路徑)。3)還可進(jìn)行一些特殊評估：幾何體和結(jié)果的截面顯示；FLC失效分析；狀態(tài)改動后的后期顯示；回彈評估用的實際模型定位。
圖形顯示支持OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)，能真實上色，能顯示幾何體的陰影圖及伴有選定結(jié)果變量后的彩色分布圖，動畫能力和陰影圖的實時旋轉(zhuǎn)使后處理變得更容易并使用戶分析結(jié)果更方便快捷，彈擊鼠標(biāo)可顯示零件的有關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果的輸出等。 動態(tài)剪輯(dynamic clipping)和動態(tài)截面(dynamic section)：用戶界面的動態(tài)剪輯和動態(tài)截面支持板料和模具接觸面間的準(zhǔn)確評估，而且模具閉合時板料的成形狀態(tài)能很方便地觀看和理解，這利于確認(rèn)模具何形狀的任何改變后材料的流動和板料成形情況。
滑動線和沖擊線(skid and impact lines)的評價：通過在模具表面上定義滑動線和沖擊線來評估它們在板料上的運(yùn)動情形及其對制件質(zhì)量的影響，并能自動確定板料和這些線的接觸情形以及接觸區(qū)域內(nèi)材料的流動軌跡。
3. Autoform-DieDesignerTM ：快速模面設(shè)計及其優(yōu)化的模塊
傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)采用人工方法來生成壓料面和工藝補(bǔ)充面，費(fèi)時費(fèi)事。DieDesigner是AutoForm的一個有重要功能模塊，它是和BMW和Audi聯(lián)合開發(fā)并得到來自DaimlerChrysler和GM的技術(shù)反饋，是專為汽車模具設(shè)計師、工藝工程師和模具制作人員而開發(fā)的，可以快速實現(xiàn)基于用戶控制的壓料面和工藝補(bǔ)充面的參數(shù)化設(shè)計和修改。由于很快自動生成壓料面和工藝補(bǔ)充面的一次概念設(shè)計，并顯示出整個模面形狀，模具工程師可在短時間內(nèi)生成若干個拉延方案并進(jìn)行其模擬，以判定最優(yōu)設(shè)計，從而顯著減少模具開發(fā)時間；同時，考慮壓料面和工藝補(bǔ)充面，工藝工程師也能大大增加零件可制造性的評估精度。它包含了許多特別適合汽車工業(yè)的專用特征。 從零件的CAD表面數(shù)據(jù)(IGES或VDA)開始，首先用AutoForm-Automesher對零件進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，自動填充零件幾何體中的孔洞和間隙，并通過幾何圖形或交互式地改變表面輪廓，用戶可以對制件和工藝方案(run-off)進(jìn)行便捷的修改?；谟脩糁付ǖ陌霃交蜃儼霃剑慵募膺吘壸詣拥箞A，對零件的這種修改有利于改進(jìn)拉延效果，對提高沖壓可成形性通常也是極為重要的。
自動旋轉(zhuǎn)制件幾何體形成拉延方向(automatic tipping)：可根據(jù)拉延深度優(yōu)選最好的拉延沖壓方向，顯示沖壓質(zhì)量差(backdraft)和危險的區(qū)域，避免制件無法沖壓(undercut)和平衡變形，這對確定優(yōu)化的沖壓方向角(Tip angle)是重要的。轉(zhuǎn)換矩陣可以通過 IGES或VDAFS將沖壓方向轉(zhuǎn)換輸入CAD，優(yōu)選過程簡便、直觀。
快速自動生成壓料面(binder)和工藝補(bǔ)充面(addendum)：精確的曲面輪廓方法與模具工程實際相結(jié)合根據(jù)制件數(shù)據(jù)生成壓料面，并且允許用戶修改局部表面輪廓或按準(zhǔn)確的尺寸設(shè)計。對于產(chǎn)品設(shè)計師，這使得在產(chǎn)品開發(fā)的早期就可以進(jìn)行增量模擬，從而增加了產(chǎn)品成形性評估的準(zhǔn)確度；對于模具設(shè)計師，它是產(chǎn)生初始壓料面的一個有效模塊，生成的壓料面可以還通過 IGES或VDAFS轉(zhuǎn)換輸入CAD做進(jìn)一步修改用。在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)用戶控制的參數(shù)化的工藝補(bǔ)充部分自動生成。整個過程充分體現(xiàn)出用戶控制、全自動和全參數(shù)化的特征。用戶可以通過修改工藝補(bǔ)充面輪廓和相應(yīng)的模面細(xì)節(jié)，如生成的拉延包(drawbar)太高導(dǎo)致過度拉長和破裂等，可通過降低拉延坎高度、加大圓角半徑，來達(dá)到良好的拉延成形效果?；谳喞膲毫厦嬖O(shè)計，使用2D模擬預(yù)優(yōu)化工藝補(bǔ)充面輪廓，拉延深度顯示等，這對優(yōu)化初始凸模接觸(initial punch contact)是很重要的。
與AutoForm-Onestep，AutoForm-Incremental和AutoForm-Optimizer的完全集成，在模面設(shè)計中生成的壓料面、工藝補(bǔ)充面和制件幾何體三部分，能很容易地轉(zhuǎn)換進(jìn)入并完全自動地生成相應(yīng)的模具并設(shè)置出工藝步驟，從而立即由AutoForm-Onestep和AutoForm-Incremental模塊進(jìn)行試模。由于全參數(shù)化，用戶的修改可以迅速完成，且AutoForm-OneStep和AutoForm-Incremental進(jìn)行虛擬試模的模具可自動更新?；?D模擬，模具不同區(qū)域和不同截面上的臨界應(yīng)變(critical strains)和滑移/沖擊線的評估，這對模具設(shè)計過程早期評估工藝補(bǔ)充面特別有用。
為進(jìn)一步改進(jìn)模面設(shè)計，DieDesigner包含一個完全集成的模塊AutoForm-Optimizer(優(yōu)化模塊)，它無縫集成于AutoForm-User-Interface，可與AutoForm-OneStep和AutoForm-Incremental同步使用；它基于進(jìn)化(Evolution)策略，通過多次模擬能優(yōu)化模面和沖壓過程方案，從而判定和確認(rèn)優(yōu)化的模面形狀(制件和工藝補(bǔ)充面的圓角半徑，拉延包高度，凸模拔模角，儲料包(over-crown)等，拉延半徑、拉延筋)和沖壓過程參數(shù)(壓料力，拉延筋強(qiáng)度和等效拉延筋阻力，坯料的輪廓，模具型面幾何參數(shù)等，摩擦條件和潤滑，平衡塊(spacer)和工藝切口(relief cuts)等工藝條件的設(shè)置等)。如對某行李箱蓋(deck-lid)，目標(biāo)是在行李箱蓋內(nèi)部區(qū)域中獲得足夠的伸長變形，使用AutoForm-Optimizer進(jìn)行優(yōu)化的對象是拉延包高度和拉延筋阻力強(qiáng)度，通過多次反復(fù)試模，就可以使大面積的不充分伸長變形優(yōu)化為充分伸長變形。
DieDesigner的特點：1)能實現(xiàn)增強(qiáng)幾何成形性的評價，不同模具概念設(shè)計的快速生成和優(yōu)化。2)實有直覺的模面生成，易用；全參數(shù)化，快捷。3)與Onestep和Incremental求解的完全集成。4)完整：自動變半徑倒園，優(yōu)化的拔模角，自動充填表孔洞/邊界區(qū)域，自動和交互式的壓料面生成，通過2D模擬完成工藝補(bǔ)充輪廓的前優(yōu)化處理，自動和交互式的工藝補(bǔ)充部分生成。
4. AutoformTM板成形軟件：一個完整的解決方案
4.1 AutoForm-Onestep：評估零件的可制造性
Onestep采用僅基于產(chǎn)品的一步成形算法(Onestep Codes)，目標(biāo)是對產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化(Iterative Product Optimization)的多次模擬。首先輸入零件的CAD數(shù)據(jù)，并進(jìn)行孔洞和間隙填充以及棱邊的倒圓處理，進(jìn)行一些工藝參數(shù)設(shè)置，可很快得到最小毛坯形狀、裂紋和皺紋等成形缺陷，F(xiàn)LD，反映伸長量和厚度變化等質(zhì)量目標(biāo)的成形結(jié)果。它討論產(chǎn)品可制造性、可以實現(xiàn)毛坯反算，并對零件的可制造性快速評價。
4.2 AutoForm-Onestep/Binder：拉延件的成形性快速評估
它采用基于拉延件的一步成形算法(One-Step Codes with Binder/Addendum)，目標(biāo)是對模具和工藝方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化(Iterative Tool and Process Optimization)的多次模擬，討論模具的概念設(shè)計(Tooling Concepts)。即為增加成形性評價結(jié)果的精確性，可繼續(xù)輸入凸模入口線(Punch-openingline)和翻邊線，并考慮生成一個模面，通過考慮工藝補(bǔ)充部分的重要的限流效果(Restraining Effect)，來增加結(jié)果精度。而且通過生成整副模具和完成增量模擬所需的輸入，就可從Onestep過渡到Incremental來更全面檢查拉延成形障礙(breakdown)。它可解決在產(chǎn)品設(shè)計階段的早期成形性評價和不同模具概念設(shè)計方案的評估；易用，快捷，準(zhǔn)確。
4.3 Incremental與可視化調(diào)試
AutoForm-Incremental采用基于拉延件的增量算法(Incremental Codes)，目標(biāo)是對模具和工藝方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化(Iterative Tool and Process Optimization)的多次模擬或為了確認(rèn)模具和工藝方案而進(jìn)行的有選擇性的模擬(SelectiveSimulations for Tool and Process Validation)，全面討論模具和工藝設(shè)計。
它使用許多現(xiàn)代模擬技術(shù)，如應(yīng)用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂；彎曲效應(yīng)的考慮利于求解回彈；采用自適應(yīng)網(wǎng)格、時階控制、復(fù)雜工具描述的強(qiáng)有力接觸算法、數(shù)值控制參數(shù)的自動決定和使用精確的全量拉格朗日理論(total-Lagrange theory)等保證求解快而且準(zhǔn)確。采用新的切割算法(New Cutting Algorithm)來增加精度，可以確定任意一個非Z方向為修邊線的工作方向，這就允許了斜楔修邊和沖孔操作的模擬；它也可以在沖切線周圍對板料網(wǎng)格再劃分，所以非常小的孔也可以精確切出。此外也可以算出考慮板厚、材料硬化和修切線長度后所需要的沖裁力。 它同時融于了許多工程應(yīng)用技術(shù)，如務(wù)實的工藝階段轉(zhuǎn)化，壓料圈壓緊后工件狀態(tài)的決定，基于前述結(jié)果的后續(xù)運(yùn)算(繼續(xù)開始)，成形過程中的工藝切口，切邊操作，最終制件的回彈計算；可用任意數(shù)值的力和位移控制工具，工具的摩擦，采用位置相關(guān)(position-dependent)和壓邊力適時變化的壓料圈，考慮了拉延筋和平衡塊(spacers)的模具模型，考慮了加工硬化和應(yīng)變率效應(yīng)(strain-rate effect)的各向異性材料模型；等效拉延筋阻力模型可以考慮板料經(jīng)過拉延筋時的彎曲、反彎曲效應(yīng)，拉延筋的幾何模型考慮了其壓入深度；具有包括美國、日本及歐洲的上百種材料的廣泛的材料數(shù)據(jù)庫，該軟件的材料參數(shù)庫開放性強(qiáng)，可以自行建立適應(yīng)用戶需要的參數(shù)庫。
它可以模擬整個沖壓過程：板料的重力效應(yīng)(gravity effect，這對由于板料重量而下垂或變形的大型零件是非常重要的)，壓料圈成形(binderwrap)，拉延成形。壓料面和凸模的幾何形狀有時會在拉延的初始階段誘發(fā)大型皺紋的擴(kuò)展，AutoForm可模擬壓料圈下的皺紋以及拉延過程中這些皺紋的變化，雖然這些皺紋一般都隨著拉延的進(jìn)行而消失。而且，在定義毛坯材料及性質(zhì)的同時，可以定義工藝切口和工藝孔。在模擬多步?jīng)_壓成形時，也可以加入切邊或沖孔工序，以及確定整形前的切邊線。
Autoform-Incremental(增量求解)：1)可解決：模具設(shè)計的快速調(diào)試；確定工藝參數(shù)和工藝過程局部窗口；模具和工藝優(yōu)化。2)易用，快捷，對大多數(shù)零件得到結(jié)果不超過3小時。3)準(zhǔn)確：預(yù)測起皺、破裂、表面質(zhì)量、沖擊和滑移線，小的幾何細(xì)節(jié)，最小元素尺寸小于1mm。4)詳細(xì)的表面成形質(zhì)量，如破裂、變薄、伸長、起皺等，成形極限圖FLD、材料流入量、滑移和沖擊線、成形力等。5)完整：重力、壓邊、拉延、切邊、整形、回彈，全工序成形。6)拼合板和復(fù)合板的模擬：可以定義一個不同材料和/或厚度的裁剪拼合毛坯作為AutoForm-Incremental模擬的板坯，板坯上的焊縫也可以相互交叉，這在開發(fā)新型汽車中以優(yōu)化重量和性能是非常重要的。7)可按用戶指定的有限元網(wǎng)格自動映射Autoform模擬結(jié)果，供碰撞(crash)、結(jié)構(gòu)(structural)、疲勞(fatigue)和振動(vibration)等分析用。
5. 結(jié)論
我廠從2001年5月開始探討AutoForm在解決汽車覆蓋件模具制造中的應(yīng)用，經(jīng)過各個階段的重點攻關(guān)，通過研究、引進(jìn)、消化、吸收和應(yīng)用，實現(xiàn)了：
1. 對汽車沖壓零件產(chǎn)品的可沖壓成形性進(jìn)行分析，判定零件沖壓成形的難點和關(guān)鍵區(qū)域，進(jìn)而實現(xiàn)沖壓工藝和汽車零件設(shè)計的互動；
2. 對汽車沖壓零件產(chǎn)品實現(xiàn)毛坯展開計算；
3. 對模具和工藝方案的確認(rèn)進(jìn)行有選擇性和針對性的模擬分析，給模具調(diào)試提供量化的分析判斷數(shù)據(jù)，對可進(jìn)行的模具調(diào)試方案進(jìn)行判別，并對可行的調(diào)試方案提供具體技術(shù)參數(shù)；
4. 對模具和工藝方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化的多次模擬，用先于現(xiàn)場模具調(diào)試的模具CAE技術(shù)，對拉延模具設(shè)計的可行性和可靠性進(jìn)行量化的分析和判斷，對有欠缺的設(shè)計提出優(yōu)化改進(jìn)方案。
為實現(xiàn)上述階段性目標(biāo)，按計劃進(jìn)行了各個階段的重點攻關(guān)：
1. 前期調(diào)研、考察與論證，目標(biāo)是進(jìn)行汽車覆蓋件板成形數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)及其處理方法的研究；
2. 技術(shù)引進(jìn)方案的比較、分析和論證與判定，目標(biāo)是進(jìn)行汽車覆蓋件板成形數(shù)值模擬工程應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的研究，進(jìn)行工程試應(yīng)用，并確定應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)難點；
3. 解決模具調(diào)試問題，提供調(diào)試方案，難點是數(shù)值分析的可用手段和模擬精度，即軟件功能的研發(fā)與應(yīng)用，沖壓材料的性能參數(shù)分析與總結(jié)，現(xiàn)場實際沖壓工藝條件的分析與總結(jié)，最終實現(xiàn)與現(xiàn)場一樣多或更多的可用試模手段和達(dá)到較高的工程化應(yīng)用精度；
4. 解決拉延模具設(shè)計的可行性和可靠性問題，提供優(yōu)化改進(jìn)方案，難點是數(shù)值模擬分析的精度和速度，以及優(yōu)化改進(jìn)方案的提出，提高工程化應(yīng)用水平；
5. 模具設(shè)計前的工程應(yīng)用，對產(chǎn)品的可沖壓成形性的分析，成形模具的零件毛坯展開計算。
