車身設計與生產的全程數字工程

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

作者:美最時洋行技術出口有限公司奚松山

對金屬板材沖壓成形進行數值分析始于20世紀80年代末。由于在汽車制造領域,尤其是轎車制造領域,需要生產大量金屬板材沖壓件,因此,仿真模擬分析技術很快在這一領域獲得廣泛應用。

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隱式算法的快速求解器,將仿真分析時間從原來的幾天縮短到幾個小時,從而在這一領域開始真正實現了仿真模擬分析的工業化應用。

仿真模擬的發展

經過近20年的發展,如今,仿真模擬分析已經在汽車車身沖壓件及沖壓模具的設計與制造領域普遍應用,并逐步成為行業標準流程中不可或缺的環節之一。

回顧過去近20年的歷史,仿真模擬分析技術在轎車車身沖壓件設計與生產中的應用可分為四個階段,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。由于當時的仿真分析軟件人工剖分網格非常復雜、耗時,加之計算時間長達數天甚至數周,因此,當時的應用主要局限于高校、科研院所及國外大型汽車制造商的研發部門,并未真正實現工業化應用。

第二階段,1995~1999年。在這一階段,AutoForm工程有限公司于1994年推出了自適應全自動網格剖分器及基于靜態隱式算法的快速求解器,將仿真分析時間從原來的幾天縮短到幾個小時,從而實現了仿真模擬分析在這一領域真正的工業化應用。

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計模塊,將模面設計時間由幾周縮短到幾個小時。仿真模擬分析在這一領域的應用很快跨上了一個新的臺階,應用范圍也延伸到了沖壓件產品設計、工藝設計、沖壓模具設計、虛擬試模等工藝環節。

第四階段,2009年至今后。車身設計和生產進入全新的“全程數字工程(CDPP——Comprehensive Digital Process Planning)”階段。

“全程數字工程”及AutoFormPlus R1

金屬板材沖壓成形領域的“全程數字工程”最先由AutoForm工程有限公司總裁兼首席執行官瓦德瑪·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字模擬大會(Numisheet 2008)上首次提出。

庫彼利博士認為,汽車(尤其是轎車)車身沖壓件,從整車車身概念到沖壓件批量生產是由一條完整的工藝鏈組成的,這個工藝鏈主要包括(整車)車身造型階段、產品(工件)設計階段、工藝規劃與招投標階段(含模具招投標與白車身焊裝招投標)、工藝設計階段、模具設計與制造階段、工藝優化/驗證及試模階段、批量生產階段。這個工藝鏈的各個環節緊密相關且相互影響,前道環節的方案質量直接或間接地影響后續環節。

當然,一個理想的最佳工藝方案是由產品功能(產品幾何形狀、產品材料)、產品質量(成形工藝性、匹配精度、表面質量)、(綜合)成本(生產成本、材料成本、模具成本)、時間進度(模具制造時間、生產爬坡時間)四大方面(十個因素)共同決定的,即一個理想的最佳工藝方案并不僅僅是一個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節的相互影響,并綜合考慮,均衡上述影響工藝方案的各個方面,進行全面的仿真分析,即“全程數字工程(Comprehensive Digital Process Planning)”,因此,沖壓成形仿真分析軟件必須能夠滿足“車身沖壓件全面數字工程”的要求。

基于以上觀點,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“全程數字工程”的應用,著力打造貫穿于金屬板材成形從產品概念到批量生產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,全面支持熱壓成形仿真分析,進一步改善了級進模成形仿真分析,靈活應用了很多新的成形技術和工藝模型,使得工藝模型高度接近實際,高層次細節上增加了更多變量,大大提高了工藝設計速度,工藝校驗也進一步改善。

全程數字工程的成功應用

對于全程數字工程,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計與生產全流程采用AutoForm仿真分析軟件,以實現金屬板材成形從產品概念到批量生產的完整工藝流程分析與優化。

以下以三個典型車型的座椅支撐梁為例,來闡述基于“全程數字工程”的工藝方案確定。表1為三個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 基本參數及初步工藝分析

首先采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-CostCalculatorTM(工藝規劃與成本分析模塊),進行基于工藝特征的成本分析,三個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。同時采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-OneStep (一步法快速分析模塊)、AutoFormPlus-BlankDesignerTM (料片設計模塊)、AutoFormPlus-Nest (落料排樣優化分析模塊)進行材料成本分析(結果見圖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

產品工藝特征要全面均衡考慮產品功能、質量、產量及成本控制。奧迪采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-DieDesignerTM (模面設計模塊)、AutoFormPlus-OneStep (一步法快速分析模塊)、AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)進行產品工藝特征分析,結果見表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),進行基于車型規劃特征與產品工藝特征的模具材料與表面處理分析(結果見圖4),并用AutoFormPlus的AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)分析產品成形的工藝性(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 (回彈分析與補償模塊)、AutoFormPlus-SigmaTM (穩定性分析與優化模塊)分析并補償回彈及分析工藝與生產穩定性(見圖6)。