車身設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的全程數(shù)字工程

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:有限元分析培訓(xùn)中心

作者:美最時(shí)洋行技術(shù)出口有限公司奚松山

對金屬板材沖壓成形進(jìn)行數(shù)值分析始于20世紀(jì)80年代末。由于在汽車制造領(lǐng)域,尤其是轎車制造領(lǐng)域,需要生產(chǎn)大量金屬板材沖壓件,因此,仿真模擬分析技術(shù)很快在這一領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1994年,總部位于瑞士蘇黎世的AutoForm工程有限公司推出了基于靜態(tài)隱式算法的快速求解器,將仿真分析時(shí)間從原來的幾天縮短到幾個(gè)小時(shí),從而在這一領(lǐng)域開始真正實(shí)現(xiàn)了仿真模擬分析的工業(yè)化應(yīng)用。

仿真模擬的發(fā)展

經(jīng)過近20年的發(fā)展,如今,仿真模擬分析已經(jīng)在汽車車身沖壓件及沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域普遍應(yīng)用,并逐步成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程中不可或缺的環(huán)節(jié)之一。

回顧過去近20年的歷史,仿真模擬分析技術(shù)在轎車車身沖壓件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中的應(yīng)用可分為四個(gè)階段,即:

第一階段,1990~1995年。在這一階段,仿真模擬分析僅僅用于沖壓件的拉延成形工序。由于當(dāng)時(shí)的仿真分析軟件人工剖分網(wǎng)格非常復(fù)雜、耗時(shí),加之計(jì)算時(shí)間長達(dá)數(shù)天甚至數(shù)周,因此,當(dāng)時(shí)的應(yīng)用主要局限于高校、科研院所及國外大型汽車制造商的研發(fā)部門,并未真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

第二階段,1995~1999年。在這一階段,AutoForm工程有限公司于1994年推出了自適應(yīng)全自動(dòng)網(wǎng)格剖分器及基于靜態(tài)隱式算法的快速求解器,將仿真分析時(shí)間從原來的幾天縮短到幾個(gè)小時(shí),從而實(shí)現(xiàn)了仿真模擬分析在這一領(lǐng)域真正的工業(yè)化應(yīng)用。

第三階段,2000~2008年。AutoForm工程有限公司于2000年推出了使用便捷的快速模面設(shè)計(jì)模塊,將模面設(shè)計(jì)時(shí)間由幾周縮短到幾個(gè)小時(shí)。仿真模擬分析在這一領(lǐng)域的應(yīng)用很快跨上了一個(gè)新的臺(tái)階,應(yīng)用范圍也延伸到了沖壓件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、沖壓模具設(shè)計(jì)、虛擬試模等工藝環(huán)節(jié)。

第四階段,2009年至今后。車身設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)入全新的“全程數(shù)字工程(CDPP——Comprehensive Digital Process Planning)”階段。

“全程數(shù)字工程”及AutoFormPlus R1

金屬板材沖壓成形領(lǐng)域的“全程數(shù)字工程”最先由AutoForm工程有限公司總裁兼首席執(zhí)行官瓦德瑪·庫彼利博士(Dr. Waldemar Kubli)于2008年9月1日在瑞士英特拉根市(Interlaken)舉行的第七屆國際金屬板材成形數(shù)字模擬大會(huì)(Numisheet 2008)上首次提出。

庫彼利博士認(rèn)為,汽車(尤其是轎車)車身沖壓件,從整車車身概念到?jīng)_壓件批量生產(chǎn)是由一條完整的工藝鏈組成的,這個(gè)工藝鏈主要包括(整車)車身造型階段、產(chǎn)品(工件)設(shè)計(jì)階段、工藝規(guī)劃與招投標(biāo)階段(含模具招投標(biāo)與白車身焊裝招投標(biāo))、工藝設(shè)計(jì)階段、模具設(shè)計(jì)與制造階段、工藝優(yōu)化/驗(yàn)證及試模階段、批量生產(chǎn)階段。這個(gè)工藝鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)且相互影響,前道環(huán)節(jié)的方案質(zhì)量直接或間接地影響后續(xù)環(huán)節(jié)。

當(dāng)然,一個(gè)理想的最佳工藝方案是由產(chǎn)品功能(產(chǎn)品幾何形狀、產(chǎn)品材料)、產(chǎn)品質(zhì)量(成形工藝性、匹配精度、表面質(zhì)量)、(綜合)成本(生產(chǎn)成本、材料成本、模具成本)、時(shí)間進(jìn)度(模具制造時(shí)間、生產(chǎn)爬坡時(shí)間)四大方面(十個(gè)因素)共同決定的,即一個(gè)理想的最佳工藝方案并不僅僅是一個(gè)能夠制造出合格工件的方案,也不一定是成本最高或最低的方案,而是上述各個(gè)方面、各種因素的全面考慮和綜合均衡的方案(見圖1)。

圖1 最佳工藝方案

沖壓成形仿真模擬分析必須考慮上述工藝鏈各環(huán)節(jié)的相互影響,并綜合考慮,均衡上述影響工藝方案的各個(gè)方面,進(jìn)行全面的仿真分析,即“全程數(shù)字工程(Comprehensive Digital Process Planning)”,因此,沖壓成形仿真分析軟件必須能夠滿足“車身沖壓件全面數(shù)字工程”的要求。

基于以上觀點(diǎn),AutoForm工程有限公司在2009年推出了全新版本的軟件AutoFormPlus R1(組成模塊見圖2),針對性地滿足轎車車身沖壓件“全程數(shù)字工程”的應(yīng)用,著力打造貫穿于金屬板材成形從產(chǎn)品概念到批量生產(chǎn)的完整工藝流程的智能化仿真分析解決方案。

圖2 AutoForm plus R1的組成模塊

AutoFormPlus R1采用全新的求解器技術(shù),全面支持熱壓成形仿真分析,進(jìn)一步改善了級(jí)進(jìn)模成形仿真分析,靈活應(yīng)用了很多新的成形技術(shù)和工藝模型,使得工藝模型高度接近實(shí)際,高層次細(xì)節(jié)上增加了更多變量,大大提高了工藝設(shè)計(jì)速度,工藝校驗(yàn)也進(jìn)一步改善。

全程數(shù)字工程的成功應(yīng)用

對于全程數(shù)字工程,AutoForm工程有限公司與奧迪已全面合作,奧迪在其車身沖壓件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)全流程采用AutoForm仿真分析軟件,以實(shí)現(xiàn)金屬板材成形從產(chǎn)品概念到批量生產(chǎn)的完整工藝流程分析與優(yōu)化。

以下以三個(gè)典型車型的座椅支撐梁為例,來闡述基于“全程數(shù)字工程”的工藝方案確定。表1為三個(gè)車型及其座椅支撐梁的基本情況,以及最佳工藝方案的初步分析。

表1 基本參數(shù)及初步工藝分析

首先采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-CostCalculatorTM(工藝規(guī)劃與成本分析模塊),進(jìn)行基于工藝特征的成本分析,三個(gè)車型的座椅支撐梁的模具成本分別為31.萬歐元、61.7萬歐元和30.2萬歐元,按產(chǎn)量折算單件成本,分別是1.06歐元、0.21歐元和0.10歐元。同時(shí)采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-OneStep (一步法快速分析模塊)、AutoFormPlus-BlankDesignerTM (料片設(shè)計(jì)模塊)、AutoFormPlus-Nest (落料排樣優(yōu)化分析模塊)進(jìn)行材料成本分析(結(jié)果見圖3),單件成本分別是1.85歐元、1.49歐元和0.96歐元。

圖3 材料成本分析

產(chǎn)品工藝特征要全面均衡考慮產(chǎn)品功能、質(zhì)量、產(chǎn)量及成本控制。奧迪采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-DieDesignerTM (模面設(shè)計(jì)模塊)、AutoFormPlus-OneStep (一步法快速分析模塊)、AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)進(jìn)行產(chǎn)品工藝特征分析,結(jié)果見表2。

表2 工藝特性分析

接下來,奧迪采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-DieAdvisorTM(模具材料與表面處理綜合分析模塊),進(jìn)行基于車型規(guī)劃特征與產(chǎn)品工藝特征的模具材料與表面處理分析(結(jié)果見圖4),并用AutoFormPlus的AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)分析產(chǎn)品成形的工藝性(見圖5),如成形缺陷、起皺、表面沖擊線等,還用AutoFormPlus的AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)、AutoFormPlus-CompensatorTM (回彈分析與補(bǔ)償模塊)、AutoFormPlus-SigmaTM (穩(wěn)定性分析與優(yōu)化模塊)分析并補(bǔ)償回彈及分析工藝與生產(chǎn)穩(wěn)定性(見圖6)。