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1、板材成形中的虚拟制造技术内容提要：在现代板材成形工业中引入虚拟制造技术可以使模具工程师缩短设计周期，提高成形件的质量。本文给出了一汽集团公司应用LS-DYNA3D软件在板材成形数值模拟研究的进展，总结出实现板材成形数值模拟的一般过程，讨论了CAE应用存在的问题及相应的对策。（作者：柳泽施法中黄迪民徐成林） 0、引言 随着计算机及信息技术的飞跃发展，虚拟现实技术已成为一个非常重要的领域。虚拟现实技术是一种新的人机交互系统，利用计算机等设备及相应的软件对真实的物理世界进行实时仿真和实时交互作用，在虚拟的环境中，用户与系统直接而自然地交
2、互，进行一定的操作，从而达到实际的效果。虚拟技术已渗透到各个领域，如虚拟存储器、虚拟I/O设备、高速网络技术中的虚拟网络服务器、机械制造领域里的虚拟设计、制造、装配、产品开发环境，医疗领域中应用虚拟技术进行外科手术的培训等等，在测试仪表和测控行业中，用虚拟仪器代替实际的仪器和控制电路具有较好的发展前景。 板材冲压成形技术作为一个标准化的生产过程,在许多领域,特别是在汽车工业中占有举足轻重的地位,而汽车工业在世界许多发达国家中已成为整个国民经济的支柱产业。从这个意义上可以说板材冲压成形技术是一个国家工业化水平的重要标志之一。 工业发
3、达国家中板材产量一般占钢材总量的50%左右,板材年人均消费达200公斤,板材年人均消费量已经成为社会繁荣和消费水平的标志之一。根据美国的统计,板材经过成形后创造了相当于原材料价格十二倍的附加值,从而获得巨大的经济效益和社会效益。板材成形是投入直接消费前的主要深加工方法,成形性占有突出的重要地位。 在传统的板材成形过程中，当模具设计及制造完成后，需要经过反复的调试，才能得到满意的成形零件。在调试过程中，一些成形缺陷，如破裂、起皱和回弹等问题，主要凭借模具工程师的经验，通过实验反复试错才能解决。这种方法不但降低了生产效率，而且只有少数模具
4、工程师经过多年的经验积累才能掌握这一技艺。 今天激烈的市场竞争,决定板材成形工业要减小从概念设计到实际生产的周期。因此，为降低成本，缩短研制周期,提高产品质量,迫切需要解决在板材成形工业中所遇到的各种各样的问题。但是传统的试错方法已无法满足现代工业的高速发展的需要，因此促使虚拟制造技术的迅速发展。将虚拟制造技术引入现代板材成形工业可以使模具设计师在计算机上进行模具的设计和调试，随着计算机硬件技术的迅速发展，这一技术成为缩短研制周期，提高成形零件质量必不可少的工具。 1、LS-DYNA3D简介 LS-DYNA3D是美国L
5、awrenceLivemore国家材料实验室J.O.Hallquist教授主持开发的几何大变形、非线性材料和接触摩擦滑动边界三重非线性动力分析程序，自1976年推出后,历经数十版本的不断扩充,至今已具有很强的功能。LS-DYNA3D采用显式中心差分算法，当今许多著名商业软件，如DYTRAN、PAM-STAMP、OPTRIS都是在LS-DYNA3D早期版本DYNA3D基础之上发展起来的。LS-DYNA3D936版本具有十二大类的元素，九十种材料模型(其中包含5种用户可开发材料接口,十种状态方程)，二十六种接触--碰撞算法，在美国的兵器、宇航
6、、汽车、核工业部门得到广泛的应用。 早期版本的DYNA3D曾采用16节点和20节点的高阶三维单元、8节点膜单元，后来在工程实践中发现，这些高阶单元虽然能够较准确地计算低频的结构动力响应,但用于高速碰撞,考虑应力波传播,运算速度很低。过于昂贵的机时费用,使之不能实用。所以后来DYNA3D采用8节点实体元,4节点(膜)壳单元。虽然LS-DYNA3D起源于动力冲击问题。 但从九十年代后，成功地用在板材成形的分析中。它具弹塑性本构材料和各向异性材料模型,可用来分析板材的各向异性性质。用刚体材料模型来模拟冲头(冲模)的运动,库仑摩擦和丰富的
7、接触算法可用来处理任意复杂的三维接触面问题。为了处理板材成形问题,LS-DYNA3D具有多种函数和特性以满足数值分析的需要,如网格自适应算法、CAD模型接口（IGS或VDA文件）、大规模并行机(MPP)算法、等效拉深筋模型等。LS-DYNA3D最大特点是它的版本更新速度快,它能将计算机技术和有限元方法的最新进展迅速加到程序中,它是一个开放式软件系统,具有五个用户可开发接口,为用户进行二次开发提供了极为便利的条件。 ２、计算实例及结果分析 （1）汽车底盘弹簧支架冲压成形的数值模拟研究 汽车底盘弹簧支架的冲压成形过程可分成二步来完
8、成，第一步是在凹模和曲面压边圈的作用下，毛坯从一个平直板完成压弯过程，然后在凹模，压边圈和凸模的共同作用下，使弯曲后的毛坯再进行一次拉深过程。所以弹簧支架是由弯曲工艺和拉深工艺组合在一起的一个
