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摘要 论述板料冲压成形过程计算机仿真系统设计与实现，包括结构化和面向对象方法等。
关键词 板料冲压 计算机仿真 有限元法 系统设计
板料冲压成形计算机仿真涉及数学、力学、材料科学、冲压工艺学、计算机科学、计算机图形学……，需要综合多学科知识进行研究；其理论性很强、应用性很广。要开发出一个计算效率高、适应性强、稳定可靠、功能齐全的板料成形过程计算机仿真软件，必须将冲压工艺CAE与模具CAD进行集成化，即一方面采用CAD系统为数值分析建立几何模型，另一方面采用数值分析对CAD设计结果进行评价，优化工艺参数和优化模具结构。在工程实际中应用板料冲压成形计算机仿真技术，是从根本上改进现行模具设计模式的一个有力手段，是促进模具工业技术进步的关键因素之一，对于实现工业生产现代化具有重要意义。
1 仿真原理
板料冲压是利用模具使金属板料发生塑性变形生产壳体零件的一种成形方法。在板料冲压中，由于工件变形规律的复杂性，在冲压成形中容易产生破裂和起皱等成形缺陷。另外，在冲压成形中工件产生了与模具载荷相平衡的内应力，冲压结束模具卸除后，由于内应力释放从而工件产生回弹，在切除工艺废料后还要再次发生回弹，使得工件的最终形状不易精确控制。采用成形过程仿真能获得成形过程中工件的位移、应力和应变的分布；通过观察位移后工件变形形状能预测可能发生的起皱；根据各离散点上的主应变值在板料成形极限曲线图上的位置或利用损伤力学模型进行分析，可以预测成形过程中可能发生的破裂；将工件所受的外力或被切除部分的约束力解除，可对回弹过程进行仿真，得到工件回弹后的形状和残余应力、残余应变的分布。这样就能为优化冲压工艺和模具设计提供科学的依据。
板料冲压计算机仿真的核心是应用数值方法来分析和研究金属板料塑性成形问题。作为数值分析方法中应用最广并且最具有生命力的一种方法，有限元法成为目前板料成形数值分析最有效的方法［1,2］。对于连续介质有限变形中的几何与材料非线性问题，隐式积分方法与显式积分方法是2种主要算法。隐式算法是由虚功原理建立一个高阶非线性方程组，采用牛顿—拉费森（Newton-Raphson）迭代计算求解方程组，计算精确可靠，但在每一增量步中，需要形成大型稀疏刚度矩阵，进行反复迭代计算，计算量大，占用存储空间多，并存在非常严重的收敛问题，特别在像板料成形这样高度非线性过程的分析中，收敛问题尤为突出，因此，开发板料冲压成形过程计算机仿真软件较少使用隐式算法而更多地采用显式算法。将准静态的板料成形问题虚拟地视为动力过程，采用动力显式算法来分析，基于时间中心差分格式，使有限元方程的计算显式化，避免了迭代计算和因非线性引起的收敛问题。采用集中质量矩阵解耦联立方程组使其成为独立的方程列式，可大大简化计算。显式算法占用存储空间小，便于用于大型复杂结构分析，80年代以来，在板料成形分析中得到应用并逐渐取得令人满意的成果。对于系统动力问题，显式算法的基本思路是，由虚功原理可得虚功方程 （图片） 式中，（图片） fi为体力密度；ρ为质量密度；ν为阻尼系数；Ti为力边界Γσ上作用的外力；Tci为接触边界上作用的外力。经有限元离散化可得有限元方程（图片） 式中，M为一致质量矩阵；C为一致阻尼矩阵；P为外力向量；F为内力向量。
采用集中质量的方法使质量矩阵对角化，在此基础上对阻尼矩阵也进行对角化处理，采用中心差分法对时间进行离散化，不需经过迭代即可求解相互独立的多个方程。显式算法也有自身的问题，如动力效应即虚拟惯性力的影响，另外由于中心差分法的计算稳定性对时间步长的限制，若将冲压件的回弹作为动力系统的过渡过程用动力显式算法来分析，则使系统达到稳定平衡状态所需计算步数很多，代价很大。而隐式算法是无条件稳定的，所以可以采用足够大的时间步长，所需计算步数很少。分别采用显式算法与隐式算法进行成形过程和回弹的分析能发挥各自的长处，这是目前较为流行的显隐式综合算法。
2 系统实现
板料冲压仿真系统的开发可采用结构化方法或面向对象方法 。
2.1 结构化方法
70年代中期，结构化系统设计思想得到发展。用结构化方法设计较复杂的板料冲压仿真系统在实际软件开发中应用得较多。通过系统分析，在系统的设计阶段确定冲压仿真软件系统的总体结构和模块间的关系，定义各模块间的接口，设计全局数据结构，确定系统与其它软件及用户之间的界面，并设计功能模块的具体算法和数据结构之类内部细节等。
结构化的系统设计强调自顶向下的功能分解，将系统逐级向下分解成模块和子模块。在对板料冲压仿真系统划分模块时，应尽可能地降低模块之间的耦合程度，增加每一模块的内聚性。充分运用好这2个相辅相成的设计原则，尽量提高模块的独立性，在修改和维护一个模块时，就可将修改范围控制在最小限度内，对其它模块的影响就会减到最小。
2.2 面向对象方法
传统的结构化的软件工程方法，虽然从一定程度上提高了板料冲压仿真软件的开发效率和系统的可维护性，但对于软件的可重用性、可扩充性以及嵌入其它系统的能力方面，仍然提高不大，其原因在于，结构化方法是采用面向任务的观点，即为某项任务而设计，这种方法论产生了分析与设计阶段的鸿沟，导致了分析阶段的问题域与设计阶段的求解域的不一致。面向对象方法正是为了摆脱这种不一致性而建立起来的新型软件工程方法，它的指导思想是按人们通常的思维方式建立问题域模型，设计尽可能自然地表现求解方法的软件，为此必须建立直接表现组成问题域的事物及事物间的相互联系的概念，建立适合人们思维方式的描述范式。在面向对象方法中，对象和消息传递分别表示事物及事物间的相互联系；类和继承是适应人们思维方式的描述范式；方法是作用于对象上的各种操作：上述概念构成了面向对象方法学的基本内容。对象和类的基本特性在于对象的封装和继承性，通过封装提高了对象的独立性和信息隐蔽性；通过继承实现了类与类之间的相互联系，由此产生了诸如动态聚束和实体的多态性。面向对象方法提高了分析、设计和实现的一致性，使系统具有可重用性和可扩充性。
有限元方法及其应用领域日新月异的发展使得要求以它为核心开发的软件具有高度的可重用性和可扩充性，同时有限元软件日益成为CAD/CAM软件不可分割的一部分要求其具有更高的可嵌入其它系统的能力，使用传统方法开发有限元软件难以满足这些要求，发展面向对象的有限元方法和技术势在必行，因而面向对象方法逐渐被考虑用来开发板料冲压仿真软件系统，这是一种新的尝试，需要时间来探索。面向对象设计利用已经形式化的分析模型，扩充其构造部分，改进类、对象实体描述，进而构成一个完整的软件模型。这个软件模型可以借助于某种程序设计语言提供的解空间对象实现，从而得到需要的软件。使用面向对象方法设计一个板料冲压成形仿真系统的过程可以概括为，①定义每个对象类的属性；②确定类与对象、类与类之间的关系；③定义对象间的通信机制，主要是确定对象的消息模式及对象之间的消息传递，从而构成系统的控制流和信息流；④确定每个对象的状态，确定实现各状态的方法。
2.3 系统实现
从本质上说，冲压仿真就是描述板料在冲头、凹模、压边圈等工具按既定方式运动作用下的约束运动（变形运动〕，因而建立对象模型时即可用图1所示的聚集树来描绘冲压系统的结构，它表明冲压系统由工具与工件组成，工具通常是冲头、凹模、压边圈、反向冲头等模具，工件表示板料变形件。在冲压过程中，各个工具属性不同作用不同，板料在工具的约束作用下成形。从这里可以看到，对象模型把面向对象的概念与传统方法中常用的信息建模概念结合起来，从而改进和拓宽了普通的信息模型，增强了模型的可理解性和表达能力。
（图片）
板料冲压仿真系统的模块构成以及模块间的调用关系见图2。前后置处理模块是信息交换及调度中心，它除完成离散几何模型形成分析模型及对计算结果进行可视化处理的工作外，还负责信息交汇与传输任务，指挥其它几个模块工作；几何造型模块被用来进行初始设计并根据专家系统对模拟情况的分析结果进行优化设计；成形和回弹模拟2个模块则对经过离散的工件作变形过程数值分析，专家系统模块根据计算结果对设计作出质量评估，并确定设计或提出修正意见。
（图片） （图片） 板料冲压成形仿真系统流程见图3，各部分功能如下：①几何造型。建立冲头、压边圈、凹模等工具和板料的几何模型。②前置处理。网格离散工具/板料，定义材料、接触等； 工具/板料位置设定，建立分析模型；定义或修正工具的位移/速度/压力等荷载历史曲线。③成形模拟。根据输入数据，对板料做成形模拟（网格自适应于板料变形)，从前后置处理器检查计算结果。④回弹模拟。观察工件形状，调整工件网格，修正回弹分析文件, 根据输入数据做工件回弹模拟，从前后置处理器检查计算结果。⑤后置处理。画出工件成形形状、属性等值线、行程历史曲线等并给以动画显示。⑥专家系统。根据仿真分析结果, 对初始设计进行质量评估, 通过优化分析确定设计或修正设计。
3 结束语
板料冲压成形计算机仿真是一项先进技术，它随着指导理论的发展而发展。为能保证开发出质量可靠的仿真软件，必须对系统进行尽可能完善的设计。在系统设计过程中必须遵循软件工程方法，保证文档齐全、格式规范，以便于做好系统开发工作。
7/6/2004
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