丁天旭　柳玉起　章志兵　余　文　杜　亭

華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室， 武漢，430074

基于CATIA平臺的汽車覆蓋件翻邊成形過程同步模擬

丁天旭柳玉起章志兵余文杜亭

華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室， 武漢，430074

基于CATIA平臺，開發(fā)了汽車覆蓋件翻邊成形模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)將結構設計中模具結構行程圖思想引入翻邊成形模擬中，綜合考慮了翻邊方向、驅動角與翻邊行程對實際工藝的影響，該系統(tǒng)可真實反映翻邊運動關系，以及翻邊鑲塊交刀對翻邊成形過程的影響，并在求解計算前通過動畫演示的方式進行運動仿真，對工具運動進行干涉檢查。同時，系統(tǒng)將CAE模型作為CATIA的特征集成于CAD平臺上，實現了CAD設計模型與CAE分析模型的同步更新，避免了平臺轉化過程中模型數據丟失與精度損失，縮短了CAE反復建模的時間，提高了設計效率。最后通過汽車后圍外板的翻邊實例分析，驗證了系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。

汽車覆蓋件；CATIA自定義特征；同步模擬；結構行程圖

0　引言

翻邊是汽車覆蓋件沖壓工藝中非常重要的一種成形工藝，然而，在生產過程中，翻邊工藝很容易引起破裂、起皺、回彈[1]等缺陷，這直接影響到產品制件的成形精度和美觀性，以及裝配、焊接的質量等。

AUTOFORM、DYNAFORM和PAMSTAMP2G等CAE軟件在汽車覆蓋件翻邊成形模擬(flanging simulation,FS)中發(fā)揮了重要作用，但是這些主流CAE軟件在翻邊模擬時只考慮了翻邊塊的成形速度與距離，不能真實地反映實際翻邊運動關系。為了真實地模擬翻邊成形，有必要將結構設計中模具結構行程圖思想引入翻邊成形模擬過程中。翻邊成形過程受翻邊方向、斜邊行程、驅動角等因素的影響，運動關系非常復雜，翻邊運動仿真的應用有助于正確把握裝配關系，保證運動關系的合理性。隨著數值模擬技術發(fā)展的不斷深入，CAD與CAE的無縫集成已經成為一種發(fā)展趨勢[2]，它可以有效地避免傳統(tǒng)CAE分析過程中數據轉換帶來的精度損失。

本文以華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室開發(fā)的板料成形模擬仿真系統(tǒng)MSFA為基礎，在其上增加了翻邊成形模擬(FS)模塊，使其成為真正的全工序仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)突破了國內軟件僅能實現單工序拉延成形的局限，實現了真正意義上的面向模具校核的虛擬試模[3]。FS系統(tǒng)將結構設計中模具結構行程圖的思想引入翻邊成形模擬中，可真實地反映翻邊運動關系，并可以通過動畫演示的方式進行翻邊運動仿真，以正確把握裝配關系，保證運動關系的合理性。同時FS系統(tǒng)從底層開發(fā)創(chuàng)建完全符合CATIA自身風格的自定義特征，將翻邊CAE模型作為CAD特征集成于CATIA平臺上，實現了同步更新，避免了因CAD模型的頻繁變更而引起的CAE模型的反復建立問題，大大提高了設計人員的工作效率。

1　FS系統(tǒng)設計

CATIA-FS作為全工序模擬系統(tǒng)MSFA中一個重要的子系統(tǒng)，主要功能是完成翻邊工序的定義，并集成基于動力顯示算法、BT殼單元和BWC殼單元的FASTAMP求解器[4-6]，精確模擬翻邊成形過程，通過獨立的后處理程序快速預測翻邊件的厚度分布、應變分布和破裂起皺位置等。

圖1為系統(tǒng)流程圖。首先，創(chuàng)建翻邊工序并定義工具體。為了適應復雜的、多翻邊區(qū)域零件的模擬，系統(tǒng)可支持同時定義十個翻邊斜楔。然后，根據實際工藝條件，分別定義各斜楔的運動方向、驅動角、行程和摩擦因數等參數，并對其進行裝配。在動畫演示驗證工藝設置合理后即可提交求解器計算，最后通過后處理模塊顯示結果。如果零件設計和工藝方案合格，則模擬流程結束，否則可修改CAD模型或工藝參數，CAE模型會自動同步更新，直接提交計算即可。

圖1　系統(tǒng)流程圖

考慮到操作的人性化和簡單化，該系統(tǒng)界面具有以下特點：①與CATIA一致的自上而下的向導式操作風格；②智能化的參數處理。當用戶驅動角度定義有問題時，系統(tǒng)自動判斷，并將工作角賦值給驅動角，避免因角度定義出錯而模擬失??；③交互式指導性的操作界面,如當前工具體未涉及的參數都處于灰化狀態(tài)，避免誤操作。

2　關鍵技術

2.1翻邊斜楔垂直行程圖

翻邊一般是在拉深或修邊工序后對成形不到位的局部區(qū)域進行修正的工藝。根據翻邊模結構形式可將翻邊分為直翻、側翻、內翻等，如圖2所示。

(a)直翻 (b)側翻(c)內翻圖2　翻邊模結構運動簡圖

有些零件可能同時存在上述幾種翻邊，模具結構非常復雜，但在模擬過程中都可以轉化為壓力機驅動一定角度的斜楔機構完成翻邊動作的形式。圖3所示為翻邊斜楔的運動原理，壓力機向下驅動滑塊運動，滑塊與驅動角為α的斜楔配合，在沿工作角為β的斜面分力的驅動下，帶動翻邊模口使板料成形。

圖3　斜楔運動原理圖

一道翻邊工序可能存在多個斜楔，各斜楔的運動關系直接影響到實際運動的真實性及模擬的準確性。結合實際工藝及推導，翻邊斜楔的垂直行程H與驅動角α、工作角β及斜邊行程d存在以下關系：

H=dsinβ+dcosβtanγ

(1)

γ=α-β

(2)

(3)

式中，(x1,x2,x3)為沖壓方向單位法向量；(y1,y2,y3)為斜楔運動方向單位法向量。

由式(1)可知，驅動角、斜楔的運動方向等參數變化直接影響斜楔的垂直行程，繼而改變斜楔的運動順序。為了在制定翻邊工藝時直觀正確地把握各斜楔的啟動時刻，FS系統(tǒng)時刻更新各斜楔的垂直行程并利用CATIA提供的可視化顯示技術繪制斜楔垂直行程圖，同時利用CATIA的高亮機制，高亮顯示被選中的CAE模型所對應的行程值，方便用戶觀察。圖4為翼子板翻邊成形模擬中CAE模型及垂直行程圖。

圖4　翼子板翻邊CAE模型及垂直行程圖

2.2翻邊運動仿真

翻邊成形過程受翻邊方向、斜邊行程、驅動角等因素影響，運動關系非常復雜，而且翻邊求解計算時間也較長，一旦計算完成后發(fā)現工具運動關系不合理，需重新裝配，再提交計算，這將造成極大不便。針對以上問題，FS系統(tǒng)通過動畫演示的方式進行翻邊運動仿真，使用戶可以正確把握裝配關系，即時檢驗翻邊工藝設置的合理性。

FS系統(tǒng)使用創(chuàng)建臨時圖形代表(Rep)的方法進行工具模型的顯示，通過每隔一定時間顯示工具模型Rep的位置來呈現連續(xù)動畫。由于無需創(chuàng)建特征片體來顯示視圖，所以系統(tǒng)響應速度非?？?。

視圖顯示時每個Rep相當于動畫中的每一幀。FS系統(tǒng)將工具體實時行程L轉化為沖壓方向的位移矢量，然后在很小的時間步長下將已經構建的Rep按位移矢量進行重新定位并顯示，即實現動畫效果。其中工具體的實時行程L與時間步、步長、垂直行程、斜邊行程存在如下關系：

(4)

式中，n為已運動的步數；s為步長；t為工具體斜邊行程。

FS系統(tǒng)可通過設置上下壓料芯的力及每個工具體的行程來進行多方案的翻邊成形動畫演示。如果工序定義不合理或運動出現干涉，則在動畫演示中就會以工具模型穿透或者壓不到位的形式顯示，用戶可以直觀地發(fā)現工藝設置的問題所在。圖5為某汽車前翼子板op40翻邊工序中翻邊運動仿真動畫。此過程分兩個階段：第一階段，上壓料芯與下壓料芯壓合下行至死點，如圖5b所示；第二階段，各斜楔依次進入并壓至死點完成翻邊動作，如圖5c所示。

(a)第1幀

(b)第48幀

(c)第100幀圖5　翻邊成形動畫演示

2.3基于特征的同步更新

用戶自定義特征是CATIA中的知識模板工具，在零件設計過程中通過使用該工具可以實現通用零件或通用特征在不同零件文檔上下文中的靈活使用，提高設計信息傳遞的靈活性和安全性。CATIA中用戶自定義特征的創(chuàng)建方法大致分為兩類：①通過CATIA的插入知識模板命令創(chuàng)建；②通過CAA二次開發(fā)，構建新的拓撲結構的方法創(chuàng)建[7]。

翻邊作為全工序模擬中的一道工序，如果其CAE分析模型改變，整個全工序也應同步更新，所以FS系統(tǒng)采用重構拓撲創(chuàng)建自定義特征的方法，將翻邊工序作為全工序工程中的一個特征，利用CATIA-Build/Update機制進行工程的更新。

考慮到翻邊CAE分析時，壓料芯、斜楔工具體及上下壓料芯的壓力為常被修改的元素，所以將其作為翻邊自定義特征的內置屬性。當分析結果不滿意而重新優(yōu)化了CAD模型或修改了屬性參數時，相應的工具體型面或參數也將發(fā)生變化，系統(tǒng)將利用CATIA自定義特征的更新機制檢測到變化，自動更新相應的CAE模型，達到同步更新的目的。圖6為翻邊特征同步更新機制圖。

圖6　FS系統(tǒng)同步更新機制圖

3　CATIA-FS系統(tǒng)實例應用

圖7所示為某公司汽車后圍外板件工藝數模，該產品的材料是B180H1，板厚為0.8 mm。力學性能參數分別是：彈性模量E=207 GPa，屈服強度σs=241 MPa，泊松比υ=0.28，厚向異性系數R00=1.67，R45=1.2，R90=1.43，硬化指數為0.185。

圖7　汽車后圍板工藝數模

經沖壓工藝分析，成形該零件需經過落料、拉延、修邊、修邊沖孔及多次翻邊工序。利用MSFA全工序模擬系統(tǒng)對板料進行拉延、修邊后，使用FS模塊進行后續(xù)翻邊成形模擬。圖8所示為op40翻邊工序CAE模型，該工序有兩處翻邊區(qū)域，其中斜楔1為直翻邊，斜楔2為側翻邊。

圖8　翻邊CAE模型

經翻邊模擬后，將模擬結果與實驗結果進行對比，圖9所示為op40翻邊結果、局部區(qū)域的結果放大及實驗結果的比較。通過比較發(fā)現，標記區(qū)域1、2處出現嚴重的起皺，與實驗結果完全吻合，說明該系統(tǒng)計算精度較高，可作為模具工藝設計的校核工具。

4　結論

(1)基于CATIA自定義特征的翻邊成形同步模擬系統(tǒng)(FS系統(tǒng))將結構設計中的模具結構行程圖思想引入翻邊成形模擬中，綜合考慮了翻邊方向、驅動角與翻邊行程等對實際工藝的影響，真實反映了翻邊運動關系，為翻邊工藝的制定提供了可靠依據。利用CAA獨特的Rep顯示技術制作了翻邊運動仿真動畫，這樣可正確把握裝配關系，即時檢測是否存在干涉以驗證工藝的合理性。

(a)翻邊模擬結果

(b)局部翻邊結果放大

(c)實驗結果圖9　翻邊模擬與實驗結果比較

(2)FS系統(tǒng)將CAE模型作為CAD特征集成于CATIA平臺上，解決了系統(tǒng)中產品型面及上下壓料芯壓力等特征的同步更新問題，縮短了產品設計初期CAE反復建模的時間，能夠獨立地模擬翻邊成形過程并進行后處理顯示而無需平臺間數據的轉換，實現了真正意義上CAD/CAE的無縫集成，是汽車覆蓋件模具工藝設計強有力的校核工具。

[1]高朋. 板料翻邊成形極限數值模擬及實驗研究[D].濟南：山東大學，2012.

[2]文伏靈，柳玉起，杜亭. 基于CATIA自定義特征的汽車覆蓋件產品設計同步仿真系統(tǒng)[J].塑形工程學報,2013，20(4):14-19.Wen Fuling, Liu Yuqi, Du Ting. Formability Synchronous Simulation System for Automobile Panel Design Based on CATIA User-Defined Features[J].Journal of Plasticity Engjneering,2013,20(4):14-19.[3]杜亭. 面向沖壓的全工序與設計全流程的板料成形模擬系統(tǒng)[D].武漢：華中科技大學，2008.

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[7]張敏，蘇蘭海，王君英. 基于CAA的CATIA用戶自定義特征創(chuàng)建 [J].機械設計與制造,2008(9)：87-89.

Zhang Min,Su Lanhai,Wang Junying.The Creation of User Defined Geometric Feature Based on CAA/CATIA[J].Machinery Design & Manufacture,2008(9):87-89.

(編輯王艷麗)

Flanging Process Synchronized Simulation for Automobile Panels Based on CATIA Platform

Ding TianxuLiu YuqiZhang ZhibingYu WenDu Ting

State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074

FS(flanging simulation) system for automobile panels was developed based on the CATIA platform. This system introduced the idea of the mold structure travel diagram into FS, and took into account the flanging direction, drive angle and stroke’s impact on flanging forming, which could truly reflect flanging movement relationships and effects of inserted cross-cutting on flanging. It made motion simulation by the way of animation, which could check interference of tool moving. It also achieved the CAD/CAE integration, which avoided losing model data and accuracy during the platform transformation.In the CATIA user-defined feature updating mechanism, this system can update CAD models and CAE models synchronously, which can save the CAE modeling time repeatedly during early stage of product design, improve the efficiency of the designers.Through analyzing specific case, the stability and accuracy was proved.

automobile panel; CATIA user-defined feature; synchronized simulation; structure travel diagram

2013-07-30

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2012QN044);華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室自主課題資助項目(2013-08)

TG386.1; TP391.9DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.01.021

丁天旭，男，1987年生。華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室碩士研究生。研究方向為板料成形模擬及模具設計。柳玉起，男，1966年生。華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室教授、博士研究生導師。章志兵，男，1978年生。華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室講師、博士后研究人員。余文，男，1988年生。華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室碩士研究生。杜亭，男，1982年生。華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室副教授。