汽车覆盖件修边线展开及优化

汽车覆盖件修边线展开及优化
王艳波;柳玉起;杜亭;苏睿;章志兵;李玉强;徐伟检
【摘要】采用二次开发工具UG/OPEN开发了无缝集成于UG NX平台的三维翻边成形性分析及修边线展开系统TUW（Trimline Unfolding Wizard）。

针对UG NX曲面转换缺陷,研究了修边线噪音检测和光顺处理问题,重点分析了由于UG NX 曲面转换缺陷造成的网格剖分边界失真问题,提出了修边线分段、降噪、非必要控制点过滤等方法,优化了修边线控制节点。

采用局部能量法进行B样条曲线拟合,改善了修边线的光顺性。

实际应用表明,光顺处理后的修边线可以达到数控加工要求,通过与实验结果比较也验证了TUW展开的修边线精度能够满足实际工艺要求。

%A simulation system TUW（Trimline Unfolding Wizard）of trimming line unfolding and flanging was developed by the secondly developed tool-UG/OPEN based on UG NX platform , which was seamlessly integrated in UG NX. Aimed at the defects in UG NX＇s surface conversion, the noise detection and fairing problems of trimming line were researched, the analysis of mesh boundary distortion caused by the UG NX＇s surface conversion defects was focused on, trimming line subsection/ noise reduction/ reject unnecessary nodes methods were put forward, the control nodes were optimized, then the B-spline curve by the local energy method was fitted, the fairing performance of trimming line was improved. Actual application shown that the processed trimming line could reach the requirements of NC machining. Through the comparison with experimental result, it was validated that the precision of trimming line unfolded by TUW could meet the requirements of actual process.
【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2011(000)006
【总页数】6页(P42-46,51)
【关键词】UG/OPEN;修边线;曲线光顺;拟合
【作者】王艳波;柳玉起;杜亭;苏睿;章志兵;李玉强;徐伟检
【作者单位】华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉430074;华
中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学材料
成形与模具技术国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学材料成形与模具技术
国家重点实验室,武汉430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,
武汉430074;上海赛科利汽车模具技术应用有限公司,上海200000;上海赛科利汽
车模具技术应用有限公司,上海200000
【正文语种】中文
【中图分类】TG386;TP391.9
翻边零件修边线位置和尺寸的确定一直是冲压成形过程中的技术难题，实际生产中需要进行反复试模，浪费了大量人力和物力。

经过不断探索，人们提出了许多预测和估算的方法，目前主要有解析法、几何映射法、滑移线场法、理想变形路径法、比例因子法、基于有限元的试错法、逆算法等方法。

这些方法在工程应用中都存在着一定的局限性。

如解析法中有过多的理想假设，无法考虑到翻边成形的复杂性；采用增量有限元的试错法是将现场试模移到计算机上进行，但工艺模型设计和成形模拟效率很难满足实际工程要求。

有限元逆算法对边界约束进行了简化，对于拉深成形模拟问题计算精度相对比较低，
但是对于翻边成形模拟来说，比较符合逆算法的边界条件简化情况，计算精度比较高。

逆算法具有计算速度快，前期CAD建模与数据准备量少，在展开修边线的同时可以模拟翻边成形性等优点，已经被广泛应用于实际工程分析［1－3］。

在有限元逆算法理论研究方面，张向奎［4］、李大永［5］、郝小忠［6］等基于各自的理论分别对传统有限元逆算法进行了改进，使逆算法在修边线展开及翻边成形性预测领域的应用越来越成熟。

修边线展开与翻边成形性分析是在工艺设计初期需要完成的工作，有时还要反复修改和完善，因此修边线展开与翻边成形性分析有必要与CAD系统进行无缝集成。

这样方便设计人员在设计期间，随时进行模拟分析，进而不断优化工艺参数，实现在同一环境下完成“设计－分析－优化－分析”循环，提高设计分析效率。

文中以有限元逆算法为核心，开发了集成于UG NX平台的修边线展开与翻边成形模拟系统TUW。

逆算法基于网格展开修边线，修边线单个节点精度较高，但整体由小段直线组成，不满足数控加工要求。

在实际工程应用中发现局部刃口存在严重的“波浪”现象，如图1所示。

这非常不利于模具加工，严重阻碍了TUW在实际生产中的应用。

为了解决这种实际应用难题，提出修边线分段、降噪、非必要控制节点过滤等优化控制节点的方法，采用B样条曲线进行拟合，得到了较为光顺的修边线，增强了TUW实用性，进一步缩短了模具设计周期。

考察UG NX模型与网格，发现UG NX模型转换时存在缺陷。

例如对于曲面圆角部分，UG进行曲面转换时用该圆角的内接多边形将其代替，如图2所示。

无论采用何种剖分器进行网格剖分，剖分对象都是相应的内接多边形。

这意味着，当网格尺寸小到一定程度后，继续减小网格尺寸将无法继续提高边界剖分精度。

逆算法基于网格展开的修边线，UG曲面转换缺陷将造成网格剖分失真，进而导致曲线局部光顺性较差。

图3a是使用TUW展开的某条修边线，宏观上看光顺性较好，但对区域A进行放大，采用UG NX曲率梳进行分析，发现曲率波动剧烈，如
图3b所示。

这是造成“波浪”现象的直接原因。

考虑到计算效率和实际精度要求，一般根据曲面最小1／4圆角上的单元边数来确定推荐网格边长。

例如，最小圆角半径R＝6mm，设定1／4圆角上离散为3个
单元边长，假设各边长相等，绝对误差即最大弦高Δ为：
此时，相对误差δ为：
实际划分网格时，模型中最小圆角离散的单元边长数可能小于3，而且模型圆角很少恰好为1／4半圆，网格大小并不一定均匀，最大误差比理想情况下的6%更大。

采用样条曲线拟合时，由于转折与噪点的存在，会使修边线曲率局部波动很大。

针对上述问题，文中对修边线进行分段、降噪、非必要控制点的过滤等处理，然后采用最小能量法进行B样条曲线拟合，改善了TUW展开修边线的形状特征与光顺性。

TUW求解器输出点是固定约束节点与展开修边线控制节点的合集，对于非闭合修边线，这2个部分之间必然会存在转折，如图1所示。

另外，翻边模型中也经常
存在转折部分，为了显示转角，避免转折点附近曲率变化剧烈的现象，提出对修边线进行分段处理。

查找分段点的主要依据是：如果某节点与其前一节点构成向量和其与后一节点构成向量的夹角大于工艺上的给定值，则以此节点为界限，将曲线分段，某条修边线的分段情况如图5所示。

对于最后一个节点，系统将根据其与倒数第2点构成的向量和其与第1节点构成
的向量的夹角做处理，保证分段的准确性。

降噪的目的在于去除点列中导致曲率变化剧烈的点，然而，三维汽车修边线形状非常复杂，直线和弧线互相组合连接。

为了不出现误判，只对如图6所示2种严重
影响曲率方向的噪点进行过滤，其余的依靠B样条曲线拟合进行处理。

判断尖点的标准有2个：曲率突变，相邻3个点构成的圆弧半径突然减小；角度
突变，分别验证大小和方向的突变。

去除满足这2个条件的尖点，既实现了对曲
线控制点的初步优化，又为非必要控制点的去除创造了较好的条件。

对修边线控制点进行分析，造成曲率变化激烈的重要原因之一是控制点过于密集。

根据B样条曲线的局部性，当短距离内点数过多，每个点的位置偏差对曲率变化
的影响就会表现得非常集中。

另外，对于近似直线部分，不希望有太多控制点，在保证形状精度的条件下，要尽量减少其数目。

由此要对修边线进行非必要控制点的去除操作，另外该操作还减少了B样条拟合时的数据输入，降低了迭代次数，提
高了计算速度。

具体流程如图7所示。

B样条曲线的控制多边形大致反映了曲线的形状，因此可以通过调节控制顶点来调节曲线的形状。

经过前几步的处理，样条曲线控制点质量已经得到一定程度上的优化，直接选用Eck提供的局部能量法进行B样条曲线拟合，取得了较好的光顺效果。

对于三维修边线，需要固定端点，并限定中间点在一定公差范围之内。

设某条修边线共有m个控制点分别为光顺前、后曲线的控制点，则扰动量其中i＝0，1，2，…，m，那么端点控制点应满足假定曲线两端插值控制多边形端点，节点向量
可假设为t1＝t2＝t3＝t4＜t5＜…＜tm＜tm＋1＝tm＋2＝tm＋3＝tm＋4。

在实际曲线光顺时，通常需要曲线光顺前后偏差不能太大，且只考虑扰动某个控制点Eck采用限制控制顶点偏移的方法，即以扰动量模长‖ei‖的上界作为约束条件，选用如下目标函数：
先求解线性方程组然后选取虽然这样做不一定能够得到目标函数（1）的最优解，但从实际效果来看，已经满足了工艺要求。

使用TUW展开如图8a所示的某翻边圆角，采用UG NX曲率梳子分析修边线曲率。

图8b是TUW未对求解器输出点进行处理，直接采用通过控制点构造的B样条曲线的曲率变化。

显然此处曲率大小和方向变化剧烈。

图8c是经过分段、降噪
和非必要节点去除后，设定允差为0.1mm，采用Eck最小能量法进行B样条拟合得到的结果。

显然，曲率变化情况大大改善。

目前，TUW广泛应用于一汽大众、上海大众、东风汽车、奇瑞汽车等国内大型汽车厂，取得良好的效果。

通用汽车翼子板及其工艺补充面数模如图9所示，该产
品的四周均需要进行翻边。

该产品材料为中国牌号冷轧钢板St14，板厚0.8mm。

主要性能参数为：杨氏模量E＝206GPa，泊松比υ＝0.3，厚向各向异性参数R0
＝2.35，R45＝1.68，R90＝1.96，强化系数K＝560.4MPa，硬化指数n＝0.23，屈服应力σs＝190MPa，采用Hill屈服准则进行模拟。

将TUW展开的修边线与实验结果对比如图10所示。

如图10d所示的C区域放大，二者总体吻合良好。

针对模型中形状较为复杂的3个区域的展开结果进行误差测量，其中A区域最大误差为0.69 mm，B区域最大误差为0.84mm，C区域最大误差为0.81mm，均能满足实际工艺要求。

实际应用表明：对于形状简单的翻边区域，TUW可以一次性精确展开其修边线，无需进一步调整；对于形状较为复杂的翻边区域，最多只需调整一次即可达到要求精度。

这说明TUW能够辅助工艺设计人员进行修边模和翻边模设计。

基于UG NX平台开发了翻边成形性分析及修边线展开系统TUW。

针对UG曲面
转换缺陷造成的网格剖分失真问题，着重研究了修边线光顺与拟合问题。

1）提出了修边线分段、降噪等方法，优化了修边线控制节点，采用Eck最小能量法进行B样条拟合，使TUW展开修边线光顺性满足了数控加工的要求，验证了文中所提算法的准确性。

2）TUW展开的修边线在实际模具设计和制造过程中得到应用。

实验表明，TUW
展开修边线的精度满足实际工艺要求，可用于指导实际生产，有效提高模具设计的效率。

【相关文献】
［1］柳玉起，杜亭，章志兵.板料冲压成形快速分析软件FASTAMP［J］.材料科学与工艺，2004（4）：253－356.
［2］王伟，柳玉起，钟文，等.基于Pro／E平台的修边线展开与翻边成形模拟系统［J］.锻压技术，2010，37（6）：45－48.
［3］章志兵，王同俊，柳玉起，等.汽车覆盖件修边与翻边工序的快速仿真系统［J］.锻压技术，2008，35（4）：140－144.
［4］张向奎，鲍益东，胡平，等.板材三维曲面翻边的逆成形预示与修边线确定［J］.力学学报，2007（4）：486－494.
［5］李大永，范海燕，王玉国.翻边成型中预示修边线的一种简便方法［J］.汽车工艺与材料，2002（5）：11－14.
［6］郝小忠，周新权，鲍益东.基于一步逆成形的三维修边线预示与优化设计［J］.机械制造与自
动化，2009（2）：26－28.。