【机械类文献翻译】板料成形中有限元仿真及相关技术的研究进展

附件1：外文资料翻译译文

板料成形中有限元仿真及相关技术的研究进展

1理研和光材料制造实验室，日本

2法国国家科学研究中心，法国

3 IIS，东京大学，六本木，东京都港区，日本

摘要本文概述了汽车制造商和钢板供应商采用的板料成形仿真及相关技术的现状。为此，作者调查了欧洲、日本和美国的行业，与工程师和研究人员讨论上述问题。各行业中使用的软件如表所示，行业用户对有限元素的评价也归纳在表中。根据这些信息提出在这领域的研究方法。

关键词板料冲压成形，仿真，有限元法，计算机辅助设计

1 导言

汽车行业面临着全球范围严重的挑战：激烈的市场竞争和严格的政府环境保护法规。汽车制造商为迎接这些挑战而采取的战略是有时称为3R的策略：缩短上市时间，降低开发成本以赢得竞争，减少车辆重量以提高燃料效率。来实现三个目标的解决方案必不可少的要在产品开发和进程设计中采用基于CAD / CAE / CAM系统集成技术。

这一努力最显著的部分在于减少冲压车身面板相关的加工费用和提前期，甚至在增加技术难度，如使用铝合金和高强度钢，和要求冲压件高几何精度情况下。为处理这趋势所带来的超越过去的经验的问题，板料成形仿真的数值方法显得越来越重要。它由计算机试错取代了物理冲压试错。

成功的数值仿真主要取决于成形仿真软件的进展，但其他相关的技术的进展也很重要。相关技术的例子有能迅速构建和修改加工表面的CAD系统，或多或少在CAD 表面自动创建有限元网格的现代网格生成器，使用户能够掌握大量的数据的可视化的硬件和软件以及最后在合理的时间内处理大型仿真的计算机硬件。本文的目的在于总结业界金属板料成形仿真和相关技术实现现状，并对未来的研究方向提出建议。在80 和90年代关于金属板料成形仿真已举办了许多国际会议并发表了许相关

文章。然而，通过这些信息还不足以解决上述问题。由于这个原因，，作者决定访问调查欧洲、日本和美国的汽车行业和钢板供应商，与工作在模具冲压车间和企业冲压部门的工程师和研究人员来讨论这些具体课题。

2 历史背景

本世纪中叶对板料成形过程的分析研究已经开始，在60年代，数值程序（有限差分方法）被应用于轴对称拉伸过程分析中。虽然这种工作对于金属成形分析理论贡献巨大，但是它还不能应用于实际生产。

非线性有限元仿真打开了真实工业冲压过程仿真之路，1985年在安阿伯密歇根州的板材成形过程计算机建模专题讨论会提出了使用壳单元的弹塑性有限元方法对三维汽车车身面板成形过程建模。研究中，对升降机窗口外形的拉伸过程和甲板盖的压边圈夹紧过程进行了仿真，但它们尚处于测试和评价的阶段。因此，在这个会议中，几何建模方法[ 10月12日]和简化的力学建模方法更受到业界赞赏，发表了许多关于成形仿真的文章，其中两个重要方向将使板料成形仿真提升到一个新的水平，一个是动力显式软件的应用，另一个是一步法的提出。在文献【16】中昂纳克和Mattiasson证明采用DYNA3D可对一个油底壳和散热器部分深拉深，可获得用静态显式软件ABAQUS无法获得的的深拉深形状，包括凸缘起皱。会后，一些用于板料成形仿真的动力显式软件如PAM-STAMP和OPTRIS被开发出来，并且许多汽车企业开始尝试使用这些软件。

另一方面，开发了基于Batiste al李和常[18]理念提出的一步法，其中使用一个大时间步长值，逆变形板料从最终的零件配置到最初的板料配置。这个方法的主要好处是计算时间非常短，并且，根据这个方法开发了许多软件，主要在欧洲如ISOPUNCH、SIMEX、FAST FORM3D和AUTO FORM ONE STEP。

与此同时进行了根据静态隐式增量方法，这也许是仿真金属板变形的最适当的方法，进行软件开发。那些成果在汽车制造业NUMISHEET’3 和NUMISHEET 6的三维金属板料有限元仿真的国际专题讨论会上被提出了。在我们访问的企业所用的静态隐式增量软件是MTLFRM和AUTO FORM。为了避免在静态隐式方法遇到的收敛问题，开发了静态显式软件lTAS3D。在最近十年期间，由于这些非常密集的研究，板料成形仿真发生了显著的变化，如表1所示。有几个独立的研究小组在10年前开发他们自己的有限元软件并且使用自己的软件解决他们的问题。然而，在今天，情况已显著改变了。有三组人：研究员、软件开发商和软件用户。CIRP成员也许是属于

研究员小组，而多数工作在汽车制造商和板料供应商那里的工程师属于软件用户小组。当软件开发商和用户建立了一个非常强的联系时，这两个小组之间的联系却相当弱了。

1998

图1 最近十年期间金属板材成形仿真的趋势。

3 企业中使用的软件

我们走访了列于表1至3的12家公司。地区和公司的选择是基于我们的兴趣，而非基于系统化战略。

表1 在欧洲用于汽车制造商和板料供应商的软件公司名称戴姆勒奔驰雷诺汽车沃尔沃汽车Sollac

访问的地方Sindelfingen

Plant

德国

Guyancourt

Technocenter

法国

Olofstrom

Engineering

瑞典

Montataire

Centred' tudes

et de

Development

法国

仿真软件

AUTO FORM

LS-DYNA3D

LS-N I KE3D

OPTRIS

INDEED

ISOPUNCH

AF ONE STEP

SIMEX

OPTRIS

PAM-STAMP

AF ONE STEP

AUTO FORM

LS- DY NA3D

ISOPUNCH

AUTO FORM

PAM-STAMP

OPTRIS

CAD系统

CATIA

SYRKO(内部)

I-DEAS

EUCLID

CATIANAMOS

网格生成器

MEDINA

DELTA MESH

TRANSK

HYPER MESH

DELTA MESH

AMORA

DELTA MESH TRANSK

研究员软件用户

软件用户

软件开发商

研究员

1988