汽车车辆虚拟设计与制造技术应用实例

汽车车辆虚拟设计与制造技术应用实例
一、引言
随着计算机网络技术和基于Internet环境下协同设计与制造技术得以迅速发展，传统的制造业，特别是汽车制造业直接受到以信息化和数字化为代表的先进技术的严峻挑战。

竞争的核心是产品创新能力和先进的设计与制造技术。

在这种形势下，汽车制造业为了生存和发展，就必须不断地采用先进的制造技术，强化产品创新能力，提高产品质量，缩短新车型上市周期，降低制造成本。

对于一个企业来说，最重要的是产品创新能力。

没有创新能力就没有竞争力，企业就无法生存。

汽车设计和制造是数字化处理过程。

首先创新的是车辆概念的数字化模型，然后利用虚拟产品开发技术进行整车设计方案评估，包括整车空气动力学、主动安全与被动安全性分析以及疲劳分析等。

借助CAE分析软件MSC/Nastran、ANSYS、ABAQUS、MARK等进行虚拟样机验证，从而达到缩短开发周期和缩减开发费用的目的。

此外，在车辆详细设计阶段实现面向加工（DFM）的设计方法，即引入零件设计的成形性分析手段，将会有效地避免因设计方案变更导致的产品成本剧增。

因此，基于结构分析的CAE软件进行虚拟样机的设计和评估，以及借助冲压成形CAE仿真软件对车辆零件可加工性进行评估，是实现汽车产品创新开发、缩短开发周期的重要手段。

为了解决面向汽车覆盖件冲压成形性设计评估的定量问题，我们独立开发了具有完全自主知识产权的冲压成形性仿真软件KMAS（King-Mesh Analysis System）。

下面对KMAS软件的主要功能和实际应用进行说明。

二、KMAS/One-Step软件的应用
在汽车研发的典型流程中，首先利用虚拟产品开发技术和结构分析CAE软件确定产品的设计方案，然后进行零部件详细设计、设计文档发放并实施加工过程。

在实际工作中，经常出现由于某些车辆冲压件成形困难不得不返回设计部门更改设计的现象，有时不得不牺牲总体性能来解决局部设计问题。

解决该问题最好的办法是在对车辆件设计后立刻进行成形性校核，以便发现问题及早解决。

由此产生了一步逆成形（O ne-Step Forming）软件，如瑞士AutoForm. Eng.公司的AutoForm/One-Step、加拿大FTI公司的Fast3D、法国SIMTECH公司的SIMEX 以及我们自主开发的KMAS/One-Step软件等。

一步成形也称逆成形法（Inverse Approach-I.A.）。

与传统增量法由坯料到冲压件的成形顺序相反，它是由制件逆成形方向反推到坯料。

其基本原理基于全量拉格朗日理论。

它可以模拟一步或多步成形、翻边等成形过程。

其结果可直接供后续结构CAE软件进行各种常规分析。

传统结构分析采用制件初始等厚度假设，而实际冲压件并非如此，这为改善结构分析提供了更可靠的信息。

由于一步成形的计算速度非常快（中等件小于20分钟），能够比较准确地预示制件的成形性，为结构和碰撞分析提供真实信息（厚度、应力等），因此将它作为预警系统用于车型开发的早期阶段。

一步拟成形分析有两种应用形式，一种是直接用产品件预示其成形性，可用于成形性分析、结构和碰撞分析等；另一种是将产品件加上工艺补充和压料面形成拉延件，通过拉延件来预示其成形性。

后一种形式更符合实际冲压工艺条件，预示结果更加真实、可靠，可用于在模具设计阶段对模具结构、冲压工艺条件（压边力、拉延筋、坯料尺寸等）进行分析与优化。

现对一步成形的实际应用举例说明。

如图1所示，在车辆设计阶段，一步成形计算发现某车型侧边框标记为A的地方冲压成形可能有问题，但当时并未进行设计修正。

后期的软模试验证实了上述结论，对其结构及其相匹配的车门结构进行改进，增大了修改工作量。

一步成形还可用于碰撞分析。

为使碰撞分析更符合实际，国外目前已用实际冲压件进行分析。

其差别在于理想产品件是等厚度，无初始残余应力，而冲压件并非如此。

图2为利用HyperForm对纵梁进行碰撞分析的一个结果。

图1 某车型侧边框图2 利用HyperForm对纵梁
进行碰撞分析
三、KMAS/Increment分析软件的应用
汽车制造中的瓶颈问题之一是车辆模具的设计与制造，特别是拉延模的设计。

为解决这一问题，近十年来在国内外汽车模具行业广泛采用了虚拟设计技术，即采用增量分析软件进行冲压过程仿真。

这类软件如法国ESI的PAM-STAMP、美国的LS-DYNA、瑞士AutoForm. Eng. 公司的AutoForm /Increment和我们自行开发的KMAS/Increment软件等。

增量分析软件最大的优点是计算精度高，缺点是计算时间较长。

对于类似翼子板这类中等复杂程度的制件，其冲压模拟时间约在4～6小时之间。

它能模拟出冲压过程中制件的皱曲和破裂，以及切边后的回弹现象等，并通过成形极限图（FLD）对整个制件的成形性进行评估。

另外，它还可以给出最佳成形工艺条件，如坯料尺寸、合理的压边力和拉延筋布置等。

现对KMAS/Increment软件在实际应用中的典型案例作一介绍。

(1) 改进工艺方案
小红旗轿车发动机油底壳最初采用两次冲压成形工艺，中间采用火焰局部退火，最终成形质量并不好。

利用KMAS软件模拟，对模具局部结构进行改进，找出最佳坯料形状和最佳压边力后，一次深拉延成形获得成功，两种工艺效果对比如图3所示。

a) 原两次冲压工艺
b) 一次冲压工艺
图3 油底壳冲压工艺方案改进
(2) 改进模具结构
图4为某车型前地板的前端部分。

最初模具结构的工艺补充和压料面设计不合理，冲压后发生严重皱曲和破裂，如图4-4a所示。

图4-4b为改进工艺补充面和局部模具结构并进行冲压仿真后的构形形状。

其中皱曲已经消除，破裂问题也得到圆满解决。

a) 初始模具冲压后制件b) 改进后模具冲压后制件几何构形
图4 前地板前端部分模具结构改变
(3) 改善表面质量
下面以某轿车前翼子板为例说明通过CAE仿真改善表面质量情况。

图5-5a为翼子板轮缘前端局部结构，由于局部（A处）过尖引起破裂。

图5-5b为对改进后的前端局部结构，增加了凸台B，结果不再破裂。

a) 原始结构冲压后制件b) 改进后模具冲压后制件
图5 前翼子板轮缘前端成形情况
图6为翼子板右上角冲压前后表面鼓动改善情况。

最初侧向只加一道拉延筋，冲压后标记为A的区域应变，此处拉延量不足。

冲压后局部磨光照明后出现阴影，即鼓动现象。

后来又在该处增加一道短筋B，冲压后该处应变达到2%，鼓动现象消失。

a) 原始冲压制件b) 改进后冲压制件
图6 前翼子板表面质量改善
(4) 回弹补偿
回弹的模拟是当今研究热点，但人们对回弹补偿问题的研究较少。

一些商品化CAE软件（如PAM-STAM P）虽然能够模拟回弹现象，但没有回弹补偿算法。

在实际应用中，回弹补偿是非常重要的。

这其中最典型的案例是1.2米卫星天线的冲压成形问题。

天线制件冲压后发生很大的回弹变形。

为得到规定的产品型面尺寸，需设计冲模型面，这是一个典型的回弹补偿问题。

KMAS软件采用一种特殊的回弹模拟与自动补偿方法。

根据该补偿法得到新凸模型面进行实际冲压后所得的制件型面尺寸与规定产品型面尺寸偏差如图
7所示。

由该图可以看到，A点偏差最大，在1.25mm处，其他尺寸偏差完全在规定范围内。

图7 卫星天线冲压件尺寸偏差(mm)
四、结论
本文简要阐明了汽车车身虚拟设计与制造技术，即冲压过程CAE仿真技术在产品创新设计、缩短汽车开发周期、降低开发成本和提高产品竞争力等方面的重要作用。

(1) 在车身设计阶段使用One-Step仿真软件进行快速的冲压成形性校核，可大大减少设计返回带来的巨大损失。

(2) 在模具设计阶段采用Increment仿真软件进行冲压仿真分析，可大大减少模具调试时间。