當代汽車(chē)和現代模具設計制造技術(shù)都表明，汽車(chē)覆蓋件模具的設計制造離不開(kāi)有效的板成形模擬軟件。世界上大的汽車(chē)集團，其車(chē)身開(kāi)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(lái)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集團的PAM系列軟件，德國AutoForm工程股份有限公司的AutoForm，國內有吉林金網(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(zhù)重探討AutoForm及其應用。
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(chǎng)中心和德國工業(yè)應用與技術(shù)支持中心，其研發(fā)和應用的階段主要有：1991年實(shí)現自適應精化(adaptiverefinement)網(wǎng)格；1992年采用隱式算法(implicit code)并與1993年開(kāi)發(fā)出板成形模擬分析的專(zhuān)用軟件；1994年實(shí)現對CAD數據的自動(dòng)網(wǎng)格劃分；1995年開(kāi)始工業(yè)應用；1996年實(shí)現對CAD數據的自動(dòng)倒圓(automatic filleting)；1997年采用One-step(一步成形)代碼實(shí)現工藝補充面(addendum)的自動(dòng)設計；1998年實(shí)現壓料面(binder)的自動(dòng)生成；2000年實(shí)現快速交互式模具設計。它是專(zhuān)門(mén)針對汽車(chē)工業(yè)和金屬成形工業(yè)中的板料成形而開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的，用于優(yōu)化工藝方案和進(jìn)行復雜型面的模具設計，約90%的全球汽車(chē)制造商和100多家全球汽車(chē)模具制造商和沖壓件供應商都使用它來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工藝規劃和模具研發(fā)，其目標是解決“零件可制造性(part feasibility)、模具設計(die design)、可視化調試(virtual tryout)”。它將來(lái)自世界范圍內的許多汽車(chē)制造商和供應商的廣泛的訣竅和經(jīng)驗融入其中，并采取用戶(hù)需求驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)策略，以保證提供最新的技術(shù)。 AutoForm的特點(diǎn)：1)它提供從產(chǎn)品的概念設計直至最后的模具設計的一個(gè)完整的解決方案，其主要模塊有User-Interface(用戶(hù)界面)、Automesher(自動(dòng)網(wǎng)格劃分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面設計)、Incremental(增量求解)、Trim(切邊)、Hydro(液壓成形)，支持Windows和Unix操作系統。2)特別適合于復雜的深拉延和拉伸成形模的設計，沖壓工藝和模面設計的驗證，成形參數的優(yōu)化，材料與潤滑劑消耗的最小化，新板料(如拼焊板、復合板)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(guò)程，與顯式算法相比能在更短的時(shí)間里得出結果；其增量算法比反向算法有更加精確的結果，且使在FLC-失效分析里非常重要的非線(xiàn)性應變路徑變得可行。即使是大型復雜制件，經(jīng)工業(yè)實(shí)踐證實(shí)是可行和可靠的。4)AutoForm帶來(lái)的競爭優(yōu)勢：因能更快完成求解、友好的用戶(hù)界面和易于上手、對復雜的工程應用也有可靠的結果等，AutoForm能直接由設計師來(lái)完成模擬，不需要大的硬件投資及資深模擬分析專(zhuān)家，其高質(zhì)量的結果亦能很快用來(lái)評估，在縮短產(chǎn)品和模具的開(kāi)發(fā)驗證時(shí)間、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和模具成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量上效果顯著(zhù)，對沖壓成形的評估提供了量的概念，給企業(yè)帶來(lái)明顯的競爭優(yōu)勢和市場(chǎng)機遇。 2. AutoForm的前處理與后處理
從數據輸入到后處理結果的輸出，AutoForm融合了一個(gè)有效開(kāi)發(fā)環(huán)境所需的所有模塊。其圖形用戶(hù)界面(GUI)經(jīng)過(guò)特殊裁剪更適合于板成形過(guò)程，從前處理到后處理的全過(guò)程與CAD數據的自動(dòng)集成，網(wǎng)格的自動(dòng)自適應劃分；所有的技術(shù)工藝參數都已設置且易變更，設置的過(guò)程易于理解且符合工程實(shí)際。 AutoForm軟件與其它CAD軟件的數據接口可以通過(guò)IGES、VDA等數據標準轉換，并實(shí)現了與CATIA數據的直接轉換。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(xiàn)；復雜形狀的落料件和組合毛坯件的自動(dòng)網(wǎng)格劃分；對稱(chēng)件可以1/2描述；能直接地將落料輪廓、拉延筋線(xiàn)和修邊輪廓從CAD帶入模擬中。這些都大大簡(jiǎn)化了CAD數據的輸入。
其網(wǎng)格生成器(automesher模塊)，網(wǎng)格自適應功能非常強，可以將IGES和VDA曲面轉化成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雜自由幾何曲面的自動(dòng)網(wǎng)格劃分。對CAD數據進(jìn)行尖角圓整(自動(dòng)倒圓)，即在劃分網(wǎng)格后檢查工具幾何模型的自由邊界、棱邊和內凹面，無(wú)須人工干預及修改即可對棱邊倒圓，在尖角處自動(dòng)產(chǎn)生指定半徑倒圓，效率高。由于軟件接觸算法的特點(diǎn)，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(dòng)檢查孔、尖角和根切截面，因而可大量節省有限元模型前處理的時(shí)間。AutoForm能根據計算的需要自動(dòng)重新定義網(wǎng)格，生成成形件的適應性有限元網(wǎng)格，采用的標準是幾何和應變梯度。AutoForm的自適應網(wǎng)格劃分產(chǎn)生非常精確的幾何分辨率和準確的結果。 AutoForm對模擬結果融合了許多有效和宜人的解釋?zhuān)?)可以實(shí)時(shí)地觀(guān)測計算結果，以便在計算初始階段即可發(fā)現模型設置方面的錯誤，避免浪費時(shí)間。2)可觀(guān)測應力、應變和厚度分布、材料流動(dòng)狀況，可計算工具應力、沖壓力，可實(shí)現材料標記、法向位移的標識，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識變形臨界區域、標識某一單元的應變路徑)。3)還可進(jìn)行一些特殊評估：幾何體和結果的截面顯示；FLC失效分析；狀態(tài)改動(dòng)后的后期顯示；回彈評估用的實(shí)際模型定位。
圖形顯示支持OpenGL圖形標準，能真實(shí)上色，能顯示幾何體的陰影圖及伴有選定結果變量后的彩色分布圖，動(dòng)畫(huà)能力和陰影圖的實(shí)時(shí)旋轉使后處理變得更容易并使用戶(hù)分析結果更方便快捷，彈擊鼠標可顯示零件的有關(guān)數據，數據結果的輸出等。 動(dòng)態(tài)剪輯(dynamic clipping)和動(dòng)態(tài)截面(dynamic section)：用戶(hù)界面的動(dòng)態(tài)剪輯和動(dòng)態(tài)截面支持板料和模具接觸面間的準確評估，而且模具閉合時(shí)板料的成形狀態(tài)能很方便地觀(guān)看和理解，這利于確認模具何形狀的任何改變后材料的流動(dòng)和板料成形情況。
滑動(dòng)線(xiàn)和沖擊線(xiàn)(skid and impact lines)的評價(jià)：通過(guò)在模具表面上定義滑動(dòng)線(xiàn)和沖擊線(xiàn)來(lái)評估它們在板料上的運動(dòng)情形及其對制件質(zhì)量的影響，并能自動(dòng)確定板料和這些線(xiàn)的接觸情形以及接觸區域內材料的流動(dòng)軌跡。
3. Autoform-DieDesignerTM ：快速模面設計及其優(yōu)化的模塊
傳統的CAD系統采用人工方法來(lái)生成壓料面和工藝補充面，費時(shí)費事。DieDesigner是AutoForm的一個(gè)有重要功能模塊，它是和BMW和Audi聯(lián)合開(kāi)發(fā)并得到來(lái)自DaimlerChrysler和GM的技術(shù)反饋，是專(zhuān)為汽車(chē)模具設計師、工藝工程師和模具制作人員而開(kāi)發(fā)的，可以快速實(shí)現基于用戶(hù)控制的壓料面和工藝補充面的參數化設計和修改。由于很快自動(dòng)生成壓料面和工藝補充面的一次概念設計，并顯示出整個(gè)模面形狀，模具工程師可在短時(shí)間內生成若干個(gè)拉延方案并進(jìn)行其模擬，以判定最優(yōu)設計，從而顯著(zhù)減少模具開(kāi)發(fā)時(shí)間；同時(shí)，考慮壓料面和工藝補充面，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(chē)工業(yè)的專(zhuān)用特征。 從零件的CAD表面數據(IGES或VDA)開(kāi)始，首先用AutoForm-Automesher對零件進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，自動(dòng)填充零件幾何體中的孔洞和間隙，并通過(guò)幾何圖形或交互式地改變表面輪廓，用戶(hù)可以對制件和工藝方案(run-off)進(jìn)行便捷的修改?；谟脩?hù)指定的半徑或變半徑，零件的尖邊緣自動(dòng)倒圓，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(dòng)旋轉制件幾何體形成拉延方向(automatic tipping)：可根據拉延深度優(yōu)選最好的拉延沖壓方向，顯示沖壓質(zhì)量差(backdraft)和危險的區域，避免制件無(wú)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。轉換矩陣可以通過(guò) IGES或VDAFS將沖壓方向轉換輸入CAD，優(yōu)選過(guò)程簡(jiǎn)便、直觀(guān)。
快速自動(dòng)生成壓料面(binder)和工藝補充面(addendum)：精確的曲面輪廓方法與模具工程實(shí)際相結合根據制件數據生成壓料面，并且允許用戶(hù)修改局部表面輪廓或按準確的尺寸設計。對于產(chǎn)品設計師，這使得在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期就可以進(jìn)行增量模擬，從而增加了產(chǎn)品成形性評估的準確度；對于模具設計師，它是產(chǎn)生初始壓料面的一個(gè)有效模塊，生成的壓料面可以還通過(guò) IGES或VDAFS轉換輸入CAD做進(jìn)一步修改用。在此基礎上可以實(shí)現用戶(hù)控制的參數化的工藝補充部分自動(dòng)生成。整個(gè)過(guò)程充分體現出用戶(hù)控制、全自動(dòng)和全參數化的特征。用戶(hù)可以通過(guò)修改工藝補充面輪廓和相應的模面細節，如生成的拉延包(drawbar)太高導致過(guò)度拉長(cháng)和破裂等，可通過(guò)降低拉延坎高度、加大圓角半徑，來(lái)達到良好的拉延成形效果?；谳喞膲毫厦嬖O計，使用2D模擬預優(yōu)化工藝補充面輪廓，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，在模面設計中生成的壓料面、工藝補充面和制件幾何體三部分，能很容易地轉換進(jìn)入并完全自動(dòng)地生成相應的模具并設置出工藝步驟，從而立即由AutoForm-Onestep和AutoForm-Incremental模塊進(jìn)行試模。由于全參數化，用戶(hù)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(dòng)更新?；?D模擬，模具不同區域和不同截面上的臨界應變(critical strains)和滑移/沖擊線(xiàn)的評估，這對模具設計過(guò)程早期評估工藝補充面特別有用。
為進(jìn)一步改進(jìn)模面設計，DieDesigner包含一個(gè)完全集成的模塊AutoForm-Optimizer(優(yōu)化模塊)，它無(wú)縫集成于A(yíng)utoForm-User-Interface，可與AutoForm-OneStep和AutoForm-Incremental同步使用；它基于進(jìn)化(Evolution)策略，通過(guò)多次模擬能優(yōu)化模面和沖壓過(guò)程方案，從而判定和確認優(yōu)化的模面形狀(制件和工藝補充面的圓角半徑，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(guò)程參數(壓料力，拉延筋強度和等效拉延筋阻力，坯料的輪廓，模具型面幾何參數等，摩擦條件和潤滑，平衡塊(spacer)和工藝切口(relief cuts)等工藝條件的設置等)。如對某行李箱蓋(deck-lid)，目標是在行李箱蓋內部區域中獲得足夠的伸長(cháng)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度，通過(guò)多次反復試模，就可以使大面積的不充分伸長(cháng)變形優(yōu)化為充分伸長(cháng)變形。
DieDesigner的特點(diǎn)：1)能實(shí)現增強幾何成形性的評價(jià)，不同模具概念設計的快速生成和優(yōu)化。2)實(shí)有直覺(jué)的模面生成，易用；全參數化，快捷。3)與Onestep和Incremental求解的完全集成。4)完整：自動(dòng)變半徑倒園，優(yōu)化的拔模角，自動(dòng)充填表孔洞/邊界區域，自動(dòng)和交互式的壓料面生成，通過(guò)2D模擬完成工藝補充輪廓的前優(yōu)化處理，自動(dòng)和交互式的工藝補充部分生成。
4. AutoformTM板成形軟件：一個(gè)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)，目標是對產(chǎn)品進(jìn)行反復優(yōu)化(Iterative Product Optimization)的多次模擬。首先輸入零件的CAD數據，并進(jìn)行孔洞和間隙填充以及棱邊的倒圓處理，進(jìn)行一些工藝參數設置，可很快得到最小毛坯形狀、裂紋和皺紋等成形缺陷，FLD，反映伸長(cháng)量和厚度變化等質(zhì)量目標的成形結果。它討論產(chǎn)品可制造性、可以實(shí)現毛坯反算，并對零件的可制造性快速評價(jià)。
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)，目標是對模具和工藝方案進(jìn)行反復優(yōu)化(Iterative Tool and Process Optimization)的多次模擬，討論模具的概念設計(Tooling Concepts)。即為增加成形性評價(jià)結果的精確性，可繼續輸入凸模入口線(xiàn)(Punch-openingline)和翻邊線(xiàn)，并考慮生成一個(gè)模面，通過(guò)考慮工藝補充部分的重要的限流效果(Restraining Effect)，來(lái)增加結果精度。而且通過(guò)生成整副模具和完成增量模擬所需的輸入，就可從Onestep過(guò)渡到Incremental來(lái)更全面檢查拉延成形障礙(breakdown)。它可解決在產(chǎn)品設計階段的早期成形性評價(jià)和不同模具概念設計方案的評估；易用，快捷，準確。
4.3 Incremental與可視化調試
AutoForm-Incremental采用基于拉延件的增量算法(Incremental Codes)，目標是對模具和工藝方案進(jìn)行反復優(yōu)化(Iterative Tool and Process Optimization)的多次模擬或為了確認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計。
它使用許多現代模擬技術(shù)，如應用新的隱式有限元算法保證求解的迭代收斂；彎曲效應的考慮利于求解回彈；采用自適應網(wǎng)格、時(shí)階控制、復雜工具描述的強有力接觸算法、數值控制參數的自動(dòng)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確。采用新的切割算法(New Cutting Algorithm)來(lái)增加精度，可以確定任意一個(gè)非Z方向為修邊線(xiàn)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(xiàn)周?chē)鷮Π辶?/span>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(xiàn)長(cháng)度后所需要的沖裁力。 它同時(shí)融于了許多工程應用技術(shù)，如務(wù)實(shí)的工藝階段轉化，壓料圈壓緊后工件狀態(tài)的決定，基于前述結果的后續運算(繼續開(kāi)始)，成形過(guò)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(shí)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變率效應(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(guò)拉延筋時(shí)的彎曲、反彎曲效應，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據庫，該軟件的材料參數庫開(kāi)放性強，可以自行建立適應用戶(hù)需要的參數庫。
它可以模擬整個(gè)沖壓過(guò)程：板料的重力效應(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(shí)會(huì )在拉延的初始階段誘發(fā)大型皺紋的擴展，AutoForm可模擬壓料圈下的皺紋以及拉延過(guò)程中這些皺紋的變化，雖然這些皺紋一般都隨著(zhù)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(shí)，可以定義工藝切口和工藝孔。在模擬多步?jīng)_壓成形時(shí)，也可以加入切邊或沖孔工序，以及確定整形前的切邊線(xiàn)。
Autoform-Incremental(增量求解)：1)可解決：模具設計的快速調試；確定工藝參數和工藝過(guò)程局部窗口；模具和工藝優(yōu)化。2)易用，快捷，對大多數零件得到結果不超過(guò)3小時(shí)。3)準確：預測起皺、破裂、表面質(zhì)量、沖擊和滑移線(xiàn)，小的幾何細節，最小元素尺寸小于1mm。4)詳細的表面成形質(zhì)量，如破裂、變薄、伸長(cháng)、起皺等，成形極限圖FLD、材料流入量、滑移和沖擊線(xiàn)、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)拼合板和復合板的模擬：可以定義一個(gè)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(kāi)發(fā)新型汽車(chē)中以?xún)?yōu)化重量和性能是非常重要的。7)可按用戶(hù)指定的有限元網(wǎng)格自動(dòng)映射Autoform模擬結果，供碰撞(crash)、結構(structural)、疲勞(fatigue)和振動(dòng)(vibration)等分析用。
5. 結論
我廠(chǎng)從2001年5月開(kāi)始探討AutoForm在解決汽車(chē)覆蓋件模具制造中的應用，經(jīng)過(guò)各個(gè)階段的重點(diǎn)攻關(guān)，通過(guò)研究、引進(jìn)、消化、吸收和應用，實(shí)現了：
1. 對汽車(chē)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(diǎn)和關(guān)鍵區域，進(jìn)而實(shí)現沖壓工藝和汽車(chē)零件設計的互動(dòng)；
2. 對汽車(chē)沖壓零件產(chǎn)品實(shí)現毛坯展開(kāi)計算；
3. 對模具和工藝方案的確認進(jìn)行有選擇性和針對性的模擬分析，給模具調試提供量化的分析判斷數據，對可進(jìn)行的模具調試方案進(jìn)行判別，并對可行的調試方案提供具體技術(shù)參數；
4. 對模具和工藝方案進(jìn)行反復優(yōu)化的多次模擬，用先于現場(chǎng)模具調試的模具CAE技術(shù)，對拉延模具設計的可行性和可靠性進(jìn)行量化的分析和判斷，對有欠缺的設計提出優(yōu)化改進(jìn)方案。
為實(shí)現上述階段性目標，按計劃進(jìn)行了各個(gè)階段的重點(diǎn)攻關(guān)：
1. 前期調研、考察與論證，目標是進(jìn)行汽車(chē)覆蓋件板成形數值模擬的關(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，目標是進(jìn)行汽車(chē)覆蓋件板成形數值模擬工程應用相關(guān)技術(shù)的研究，進(jìn)行工程試應用，并確定應用領(lǐng)域和技術(shù)難點(diǎn)；
3. 解決模具調試問(wèn)題，提供調試方案，難點(diǎn)是數值分析的可用手段和模擬精度，即軟件功能的研發(fā)與應用，沖壓材料的性能參數分析與總結，現場(chǎng)實(shí)際沖壓工藝條件的分析與總結，最終實(shí)現與現場(chǎng)一樣多或更多的可用試模手段和達到較高的工程化應用精度；
4. 解決拉延模具設計的可行性和可靠性問(wèn)題，提供優(yōu)化改進(jìn)方案，難點(diǎn)是數值模擬分析的精度和速度，以及優(yōu)化改進(jìn)方案的提出，提高工程化應用水平；
5. 模具設計前的工程應用，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(kāi)計算。
