板料沖壓成形工藝與模具技術(shù)的發(fā)展

板料沖壓成形工藝與模具技術(shù)的發(fā)展

0板料沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢板材制造技術(shù)不僅是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要應(yīng)用。無論是傳統(tǒng)材料還是新材料,只有通過成形制造成為具有給定形狀和功能的零部件才能服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè),例如,全世界鋼材的75%要通過模具進(jìn)行塑性加工,模具已成為現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備,在汽車、軌道交通、航空航天、機(jī)電、輕工、通信、家電等產(chǎn)品中,60%~80%的零部件依靠模具成形制造,其所具備的高效率、高精度、高一致性是其他加工制造方法所不能比擬的。因此,成形制造技術(shù)及裝備水平已成為衡量一個(gè)國家制造水平的重要標(biāo)志,在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和開發(fā)能力,決定著一個(gè)國家制造業(yè)的國際競爭力。目前,板料沖壓成形技術(shù)的研究主要集中在材料本構(gòu)模型、數(shù)值模擬技術(shù)、沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化、回彈控制技術(shù)等方面。這些傳統(tǒng)研究方法所取得的成果在很大程度上有力地促進(jìn)了成形技術(shù)的發(fā)展。隨著以高強(qiáng)度鋼板、激光拼焊板、鋁鎂合金板為代表的新材料的廣泛應(yīng)用以及以熱成形為代表的新工藝的出現(xiàn),新的科學(xué)問題不斷出現(xiàn),主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法的效率和精度還不夠高、新材料的力學(xué)性能評價(jià)指標(biāo)及本構(gòu)關(guān)系尚未完全明確、沖壓工藝優(yōu)化算法不完備、模具壽命無法準(zhǔn)確控制。從未來的發(fā)展趨勢來看,輕質(zhì)高強(qiáng)度材料的廣泛應(yīng)用是必然趨勢,研究這些材料的本構(gòu)模型、強(qiáng)化機(jī)理、破裂準(zhǔn)則是成形技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。熱成形作為高強(qiáng)度鋼板成形的重要手段,其應(yīng)用也越來越廣泛,這樣熱成形過程中的系列科學(xué)技術(shù)問題也將成為熱點(diǎn)研究方向。高效率高精度的仿真計(jì)算是成形技術(shù)發(fā)展最為強(qiáng)大的保障,基于GPU的并行仿真技術(shù)是提高仿真效率、降低仿真計(jì)算成本的一個(gè)有效途徑。另外,如何根據(jù)模具使用要求合理選擇模具材料,合理進(jìn)行熱處理,對模具表面磨損進(jìn)行定量分析,實(shí)現(xiàn)模具壽命的控制也將成為成形技術(shù)發(fā)展的重要方向。1高效、高效率的成形仿真技術(shù)隨著各種高強(qiáng)度鋼板(DP鋼、TRIP鋼)、輕合金板材(鋁合金、鎂合金)以及新型成形工藝方法(溫?zé)岢尚?的提出和應(yīng)用,對板料成形仿真技術(shù)提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),研究新材料、新技術(shù)條件下高精度和高效率的成形仿真技術(shù)已成為國際研究熱點(diǎn)。1.1材料本構(gòu)特性的實(shí)現(xiàn)材料本構(gòu)模型及模型參數(shù)的準(zhǔn)確性是仿真模擬的前提。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金等高性能材料目前已得到廣泛應(yīng)用,其特殊強(qiáng)化機(jī)制導(dǎo)致其工藝特性、成形規(guī)律與傳統(tǒng)鋼板存在很大區(qū)別,因此在實(shí)際應(yīng)用中遇到成形性能和回彈控制等多方面的問題。高強(qiáng)度鋼板內(nèi)部組織與傳統(tǒng)鋼板相比發(fā)生明顯變化,高強(qiáng)度鋼在循環(huán)加載條件下具有更強(qiáng)的包辛格效應(yīng),并伴隨相變的發(fā)生。因此,傳統(tǒng)鋼材的本構(gòu)關(guān)系已不能適用于先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板。針對高強(qiáng)度鋼板、鋁鎂合金板等先進(jìn)材料,必須對成形極限曲線、變彈性模量、反向加載性能、材料變硬化指數(shù)和變各向異性參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究,提出考慮相變效應(yīng)的材料本構(gòu)模型以及本構(gòu)關(guān)系參數(shù)的獲取方法,并考慮宏觀、細(xì)觀和微觀組織體系,建立針對先進(jìn)材料的多尺度耦合仿真算法,獲得高可靠性計(jì)算結(jié)果。建立拉裂、起皺、回彈及焊縫失效的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),提高成形缺陷的預(yù)測精度。隨著先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金的廣泛應(yīng)用,熱成形工藝的應(yīng)用范圍也在日益擴(kuò)大。熱成形過程中,金屬板材在高溫和變形的共同作用下,板材微觀組織產(chǎn)生明顯變化,從而引起板料宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生變化,最終影響板料塑性變形過程。傳統(tǒng)金屬板材本構(gòu)關(guān)系局限于金屬宏觀塑性流動行為,不能準(zhǔn)確反映出熱成形中復(fù)雜組織演變過程及材料真實(shí)力學(xué)行為。因此,需要建立變形、傳熱和組織演化的耦合本構(gòu)關(guān)系模型以真實(shí)反映板料在熱成形過程力學(xué)行為。美國俄亥俄州立大學(xué)PALANISWAMY等采用有限元技術(shù)模擬鎂合金在高溫條件下的成形過程,同時(shí)指出模擬精度的提高需要更加適合于鎂合金的材料屈服準(zhǔn)則、處理高應(yīng)變率和高溫度場以及由于粘性效應(yīng)引起應(yīng)變軟化情形的新型材料本構(gòu)模型。仿真用基礎(chǔ)參數(shù)的獲取包括板料的彈塑性本構(gòu)特性參數(shù)、板料與模具間的接觸摩擦特性參數(shù)、拉延筋特性參數(shù)等。目前,這些參數(shù)大量地來源于設(shè)計(jì)手冊或材料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)。但由于大量數(shù)據(jù)是若干年前用相對落后的手段和裝備獲得的,而且現(xiàn)在新材料大量涌現(xiàn),各種材料的成分和特性波動也較大,單靠設(shè)計(jì)手冊中的數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)不能滿足需求。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是采用標(biāo)準(zhǔn)試件承受某一特定載荷以滿足特定的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,如均勻的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,然后用解析法分析參數(shù)和測試量之間的關(guān)系來標(biāo)定待測量。顯然要滿足均勻應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等某些特定約束條件在實(shí)際操作中有很大困難。特別是當(dāng)材料涉及大應(yīng)變、非均勻變形或各向異性時(shí),傳統(tǒng)材料試驗(yàn)結(jié)果的誤差較大,不能完全真實(shí)地反映材料的行為特性。然而在金屬板材沖壓過程中,材料往往處于上述大應(yīng)變及各向異性的情況下,因此采用以傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法獲得的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行金屬板材沖壓過程計(jì)算機(jī)仿真時(shí),所帶來的誤差可能使仿真在某種程度上失去意義。基于樣本試驗(yàn)與仿真的反求技術(shù)是一種新的板料特性參數(shù)獲取技術(shù),該技術(shù)與相應(yīng)的沖壓工藝綜合試驗(yàn)裝置配合使用,通過設(shè)計(jì)一組樣本試驗(yàn),在沖壓工藝綜合試驗(yàn)裝置上,先獲取給定板料在給定外載作用下的變形特性,再采用仿真方法獲取對應(yīng)的變形特性,并通過使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不斷逼近來反求與仿真算法匹配的真實(shí)板料特性參數(shù),包括彈塑性變形參數(shù)和摩擦特性參數(shù)等。這一技術(shù)能及時(shí)反映材料特性參數(shù)由于成份波動等原因引起的變化,可從本質(zhì)上提高仿真計(jì)算的可靠性。1.2基于位移協(xié)調(diào)的有限元法目前國際上流行的殼單元技術(shù)以采用一點(diǎn)積分的Belytschko單元和采用全階積分的Hughes-Liu單元為代表。Belytschko單元具有公式簡單、計(jì)算速度快等特點(diǎn),但由于采用一點(diǎn)積分而產(chǎn)生零能量模式,即沙漏現(xiàn)象,如果控制不當(dāng),則使計(jì)算無法進(jìn)行。Hughes-Liu單元是由實(shí)體單元“退化”而來,精度較高,但由于采用了全階積分,且計(jì)算公式復(fù)雜,因此,計(jì)算效率極其低下?；谖灰茀f(xié)調(diào)的有限元法中存在的重大數(shù)值缺陷就是計(jì)算模型偏于剛硬以及對單元形狀要求過高。其根本原因是基于最小勢能原理,在系統(tǒng)能量上總是獲得下界解,對單元形狀要求過高則是由于傳統(tǒng)的有限元基于等參變換進(jìn)行求解。LIU等提出了W2空間理論和基于光滑弱形式的離散方法。在數(shù)值計(jì)算中,將插值域和積分域進(jìn)行分離,通過應(yīng)變光滑技術(shù)避開最小勢能原理的限制,在一定程度上解決有限元模型過于剛硬的問題,從而能夠使數(shù)值模型更接近于實(shí)際模型,使其數(shù)值解更趨向于精確解。采用散度定理將傳統(tǒng)有限元中面積分轉(zhuǎn)化為線積分或采用中矩形公式進(jìn)行積分計(jì)算來避開高斯多維積分所必須的等參變換,降低對單元形狀要求,減少計(jì)算量,提高計(jì)算效率。對三角形單元的應(yīng)變場進(jìn)行重構(gòu),通過沿邊或沿節(jié)點(diǎn)形成光滑域,在每個(gè)光滑域內(nèi)通過應(yīng)變光滑技術(shù)得到光滑應(yīng)變值,并利用此應(yīng)變值進(jìn)行剛度矩陣構(gòu)造和能量計(jì)算,能夠有效地降低三角形單元的剛度,從而解決三角形單元作為常應(yīng)變單元導(dǎo)致精度過低這一數(shù)值缺陷,具有較大的應(yīng)用前景。1.3接觸約束條件的優(yōu)化在板料成形過程中,除了壓邊力,接觸力是使沖壓件產(chǎn)生變形的唯一外力,其計(jì)算精度直接影響成形過程模擬計(jì)算的可靠性。目前罰函數(shù)法是國際通用的接觸力算法,法向接觸力既為罰參數(shù)與板料和模具間的穿透量之積。該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單方便,但由于該方法增加了系統(tǒng)剛度,而又保持系統(tǒng)質(zhì)量不變,從而降低了臨界時(shí)間步長,增加了計(jì)算時(shí)間。同時(shí),計(jì)算精度依賴于罰參數(shù)的正確選取,過大的罰參數(shù)會引起數(shù)值穩(wěn)定性問題,而過小的罰參數(shù)會引入較大的計(jì)算誤差。穿透量的引入使得接觸約束條件得不到精確滿足。質(zhì)量密度因子法是避免罰函數(shù)法的這些缺陷的有效方法,在增加剛度的同時(shí),以不降低臨界步長為原則同時(shí)增加質(zhì)量,并可得到密度增加因子的具體表達(dá)式,在保證計(jì)算效率的前提下提高了計(jì)算精度,避免了計(jì)算穩(wěn)定性問題。但是,該方法無法避免板料與模具之間的穿透,人為增加系統(tǒng)質(zhì)量會引入不真實(shí)的動態(tài)效應(yīng)。為此,LI等提出了接觸力計(jì)算的一種精確算法,根據(jù)板料節(jié)點(diǎn)的動態(tài)平衡方程,結(jié)合接觸約束條件得到了板料與模具間接觸力的顯式表達(dá)式,從而避免了人為控制參數(shù)所引入的計(jì)算誤差,避免質(zhì)量增加所引入的不真實(shí)動態(tài)效應(yīng),避免了計(jì)算穩(wěn)定性問題,并且使接觸約束條件得到精確滿足。摩擦力的計(jì)算主要基于經(jīng)典的庫侖摩擦定律和非經(jīng)典的非線性摩擦定律。經(jīng)典的庫侖摩擦定律至今仍被廣泛用于摩擦特性的描述及摩擦力計(jì)算。在沖壓仿真計(jì)算中,庫侖摩擦定律的主要不足之處是沒有考慮摩擦力與相對滑移量之間的關(guān)系。為彌補(bǔ)庫侖摩擦定律的不足。ZHONG提出了與相對滑移量相關(guān)的非線性摩擦定律來描述板料與模具間的摩擦現(xiàn)象。這種基于彈塑性理論的非線性摩擦模型一方面克服了經(jīng)典的庫侖摩擦定律不能真實(shí)反映沖壓模具與板料間的微滑移物理現(xiàn)象以及由于塑性變形導(dǎo)致的正壓力與摩擦力間的非線性關(guān)系的缺陷,另一方面克服了庫侖定律中純粘附條件給沖壓過程仿真帶來的數(shù)值計(jì)算問題。1.4影響回彈預(yù)測的因素高強(qiáng)度鋼板、鋁鎂合金板等先進(jìn)材料的廣泛應(yīng)用使得回彈控制更加困難,而回彈量的預(yù)測精度是回彈控制的基礎(chǔ)。自20世紀(jì)以來,國內(nèi)外許多學(xué)者針對回彈預(yù)測問題做了大量研究工作。每屆NUMISHEET國際會議都發(fā)布回彈方面考題,并且相關(guān)發(fā)表論文數(shù)量逐年增加。但目前幾乎所有大型軟件在大型復(fù)雜件的回彈數(shù)值模擬的誤差和離散性都較大,預(yù)測精度仍很低。因此,回彈預(yù)測準(zhǔn)確性問題仍然是國際上的一大難題。由于回彈模擬計(jì)算整個(gè)過程分為板料成形分析階段和回彈模擬階段,從而使得回彈預(yù)測精度既受成形參數(shù)的影響,也與回彈模擬階段各主要影響因素密切相關(guān),例如回彈計(jì)算方法和卸載路徑等。影響回彈計(jì)算的因素相當(dāng)復(fù)雜,要想得到較為準(zhǔn)確的回彈量,必須弄清楚影響計(jì)算的主要因素。DUFFETT等針對回彈預(yù)測模擬中的非線性運(yùn)動硬化準(zhǔn)則和各向異性屈服準(zhǔn)則進(jìn)行了研究,但他們對拉伸彎曲問題的回彈預(yù)測結(jié)果并不一致,DUFFETT等采用隨動硬化準(zhǔn)則時(shí)獲得了較大的回彈預(yù)測量,而SABOURIN等采用等向硬化準(zhǔn)獲得了更大的回彈預(yù)測量?；貜椷^程是卸除模具約束后的應(yīng)力自平衡過程,因此,成形最終的應(yīng)力狀態(tài)決定著回彈量計(jì)算的精度。實(shí)用、準(zhǔn)確的板殼元數(shù)值算法是確保回彈預(yù)測準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵之一。薄膜單元構(gòu)造簡單,但忽略彎曲效應(yīng),僅考慮膜內(nèi)應(yīng)力,只適用于分析脹形等彎曲效應(yīng)不明顯的成形過程。但有學(xué)者采用混合膜/殼單元模擬板料成形,板料成形過程采用膜單元模擬,而回彈卸載過程則采用殼單元模擬。大部分學(xué)者采用殼單元進(jìn)行計(jì)算。然而,目前主流的殼單元都是基于最小位能原理,求得的近似位移場在總體上偏小,既有限元計(jì)算模型具有比實(shí)際結(jié)構(gòu)偏大的整體剛度,導(dǎo)致計(jì)算精度,特別是應(yīng)力精度較低。為從本質(zhì)上解決單元應(yīng)力精度的問題,湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用基于弱—弱形式的光滑有限元技術(shù)構(gòu)造出一類新型的迦遼金框架下的三角形殼單元,該單元具有較高計(jì)算精度和計(jì)算效率,非常適用于薄板成形有限元模擬仿真。在沖壓過程中,在一些局部變形區(qū)域,殼體的基本假設(shè)并不成立,如果仍然用殼單元進(jìn)行模擬,也會在回彈模擬中帶來較大誤差。在解決了計(jì)算效率問題或在計(jì)算時(shí)間許可的前提下,采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬會得到較高的計(jì)算精度。采用邊界元方法進(jìn)行沖壓仿真由于可得到與位移同階的應(yīng)力精度,也是提高回彈模擬精度的一種途徑,但要解決近奇異積分和方程組的快速求解等難題。1.5基于gpu的并行計(jì)算在很多重要產(chǎn)品如汽車中,很多沖壓零件尺寸較大且形狀復(fù)雜,這類零件的沖壓仿真模型通常較大,可達(dá)10多萬個(gè)節(jié)點(diǎn)、上百萬自由度。對于顯式仿真算法來說,時(shí)間步長一般在微秒級,實(shí)際沖壓時(shí)間為0.5~2.0s,要求解上百萬個(gè)時(shí)間步長,因此這樣的仿真模型包含巨大的計(jì)算工作量。為減少計(jì)算工作量,串行機(jī)上的仿真通常采用一些簡化模型如等效拉延筋模型,從而給仿真計(jì)算帶來新的誤差源。因而基于并行計(jì)算的沖壓仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。沖壓成形并行化仿真,能夠快速進(jìn)行更大規(guī)模的板料成形仿真計(jì)算,且計(jì)算精度高,對于縮短仿真周期,提高仿真分析的應(yīng)用價(jià)值具有重大意義?；诔売?jì)算機(jī)的并行計(jì)算技術(shù)通過多CPU協(xié)同工作,可以獲得較高的加速比。目前,國際上主要采用基于大規(guī)模并行(Massiveparallelprocessing,MPP)或基于共享內(nèi)存(Sharedmemoryparallel,SMP)構(gòu)架的巨型機(jī)對有限元程序進(jìn)行并行化,通過并行計(jì)算提高數(shù)值程序的計(jì)算效率。但隨著處理單元數(shù)目的增加,所需要進(jìn)行的通信量同樣會大幅度增加(尤其是分區(qū)邊界,數(shù)據(jù)交換會異常頻繁)。此外,大規(guī)模并行計(jì)算的代價(jià)很高,并不是所有實(shí)體都能夠承擔(dān)的,很難在中小型企業(yè)推廣應(yīng)用。近年來國際上出現(xiàn)了基于GPU的計(jì)算技術(shù),利用圖形卡的并行性能和高密集的運(yùn)算性能,來實(shí)現(xiàn)一般意義上的計(jì)算。圖形卡的并行性能主要是通過多個(gè)渲染管道和RGBA四個(gè)顏色通道的同時(shí)計(jì)算來體現(xiàn)的,另外在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以同時(shí)獲取2個(gè)甚至更多副紋理。頂點(diǎn)程序的多個(gè)渲染管道意味著一個(gè)時(shí)鐘周期可以并行處理多個(gè)頂點(diǎn)。結(jié)合Nvidia公司推出的面向非圖形編程人員的通用GPU并行計(jì)算平臺CUDA,可以直接調(diào)用GPU的計(jì)算資源,使計(jì)算高度并行化。這里所謂的高度并行的數(shù)量級為上千個(gè),相對于CPU來講,雙核的CPU也許幾個(gè)線程就能充滿它整個(gè)的計(jì)算單元,然而CUDA-enabledGPU卻能夠容納上千個(gè)線程,因而在十分廉價(jià)的基礎(chǔ)上為大規(guī)模計(jì)算提供了一個(gè)很好的并行方案。此外,由于圖形卡內(nèi)部的內(nèi)存接口位寬大于CPU上的位寬,如GeForceFX的內(nèi)存位寬達(dá)256位,顯然高于CPU上32位的位寬,這樣整個(gè)計(jì)算的帶寬大大提高。GPU相對于CPU來說,更適應(yīng)傳輸大塊的數(shù)據(jù),雖然CPU上有Cache以加速整個(gè)計(jì)算過程,但CPU上的Cache相對于圖形卡顯存來說太小,一般只有64K,而現(xiàn)在的顯存大多都在64M以上,由此可見一斑。這些優(yōu)勢使得GPU比CPU更適用于流處理計(jì)算,因此也被認(rèn)為是一個(gè)SIMD的并行機(jī)或者流處理器,可以用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集,使得應(yīng)用得到加速.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對大規(guī)模接觸碰撞過程的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了GPU并行化,設(shè)計(jì)出GPU數(shù)據(jù)的表示形式、輸入輸出接口、GPU上程序的邏輯流程,針對GPU上的并行計(jì)算代碼進(jìn)行優(yōu)化,減少條件轉(zhuǎn)移、分支、循環(huán)和子程序調(diào)用等操作,提高GPU并行計(jì)算性能。初步應(yīng)用表明,基于GPU的仿真軟件的計(jì)算效率能夠提高15~30倍,并且隨著圖形卡性能的不斷發(fā)展,編程環(huán)境的不斷升級和多GPU計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算效率還會得到驚人的提高,由此大幅度提高板料成形計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的可靠性和工程實(shí)用性。2快速優(yōu)化的必要性板料成形過程是一個(gè)非常復(fù)雜的塑性成形過程,許多因素都直接或間接地影響到成形件的質(zhì)量。如果工藝參數(shù)、幾何參數(shù)以及材料等選擇不當(dāng),易產(chǎn)生起皺、破裂和回彈等缺陷。傳統(tǒng)的工藝分析和模具設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),反復(fù)修改各種參數(shù),并進(jìn)行修模,耗時(shí)長,成本高,難以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為板料成形分析的一種重要手段。有限元模擬分析已廣泛應(yīng)用于板料成形優(yōu)化設(shè)計(jì)中,然而,對有限元分析結(jié)果的判斷和相關(guān)參數(shù)的選擇依然依賴于經(jīng)驗(yàn)。而最優(yōu)化技術(shù)的引入,使人們從試錯(cuò)(Trial-error)的工作中解脫出來。在沖壓成形優(yōu)化領(lǐng)域,優(yōu)化方法可以分為三類:傳統(tǒng)優(yōu)化,啟發(fā)式優(yōu)化和近似模型優(yōu)化。由于板料沖壓成形過程是典型的強(qiáng)非線性問題,而傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是基于梯度的,對于Hessian矩陣為奇異的優(yōu)化問題,顯然難以處理沖壓成形優(yōu)化問題;啟發(fā)式算法包括遺傳算法、粒子群、擬退火等算法,這類算法可以找到優(yōu)化問題的全局優(yōu)化點(diǎn),可以保證優(yōu)化的精度和效果。但是,優(yōu)化求解中需要反復(fù)修正CAE模型并調(diào)用相應(yīng)的有限元程序,這需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源。隨著設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量和復(fù)雜度的增加,不僅計(jì)算成本會成倍增加,而且計(jì)算時(shí)間會大幅度增加。基于近似模型的優(yōu)化方法是求解大型問題最有希望的方法之一,鑒于其高效性,廣泛應(yīng)用于工程優(yōu)化領(lǐng)域,如果能夠高效建立可靠的近似模型,很多大規(guī)模的工程問題可以迎刃而解。近年來,隨著研究的深入,該技術(shù)也大量應(yīng)用于沖壓成形問題的優(yōu)化,成為目前沖壓優(yōu)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2.1基于工程經(jīng)驗(yàn)和空間分類的近似模型構(gòu)造技術(shù)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),樣本點(diǎn)的布置對具體的工程問題以及相應(yīng)近似模型的構(gòu)建具有較強(qiáng)的敏感性,在有限的樣本點(diǎn)范圍內(nèi),采用不同方法生成的樣本點(diǎn)會導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果的差異。針對這些問題,國內(nèi)外很多學(xué)者提出了縮減空間的概念。空間縮減技術(shù)分為兩類,一類是建立在敏感性分析基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)變量篩選方法。BROWNE等通過分析凸凹模幾何形狀、壓邊力、凸模壓力、摩擦和拉伸速度等對板厚為0.19mm的筒形件成形的影響,采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了大量的試驗(yàn),結(jié)果表明:除了壓邊力和拉深速度對最終成形性能影響不大之外,其他參數(shù)對成形性能均有較大影響。NAKAMURA等采用敏感性分析的方法將影響目標(biāo)函數(shù)的7個(gè)參數(shù)減少到2個(gè),有利于優(yōu)化的進(jìn)行。另一類是基于設(shè)計(jì)空間的縮減方法。前者主要是通過敏感性分析,篩選出與目標(biāo)函數(shù)相關(guān)性大的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。后者則是建立在工程經(jīng)驗(yàn)和空間分類技術(shù)之上,通過對設(shè)計(jì)變量的分析,將設(shè)計(jì)變量控制在合理的范圍內(nèi),并建立更為精確的近似模型。目前已經(jīng)發(fā)展的技術(shù)包括:基于分層技術(shù)的小設(shè)計(jì)空間方法,移動控制布點(diǎn)技術(shù)、基于信任域的布點(diǎn)方法、自適應(yīng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、多層次搜尋方法等。同傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相比,這類方法將設(shè)計(jì)空間控制在比較小的范圍內(nèi),在減少樣本點(diǎn)數(shù)目的同時(shí),避免了全局?jǐn)M合,使近似模型的精度大為提高。這些方法通常建立在某些假設(shè)之上,如凸集合連續(xù)性要求等等。對于實(shí)際工程問題的優(yōu)化,“在線”布點(diǎn)技術(shù)依然存在以下瓶頸。首先,初始設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)間的確定是以工程經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的。對于缺乏先驗(yàn)性的工程問題,當(dāng)設(shè)計(jì)空間過小時(shí),可能丟失最優(yōu)解;反之,近似模型難以構(gòu)造,精度也得不到保證。其次,對于復(fù)雜的非線性問題,隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的增加,迭代次數(shù)和樣本的數(shù)目都會大幅度增加。而每次試驗(yàn)的開銷達(dá)到一定量級時(shí),算法的可行性難以保證。近似模型的精度是影響優(yōu)化結(jié)果的最直接因素,在優(yōu)化領(lǐng)域,國內(nèi)外采用的近似模型構(gòu)造技術(shù)種類繁多,常用的包括基于多項(xiàng)式的擬合技術(shù),Kriging插值,徑向基函數(shù)(Radialbasisfunction,RBF)插值,自適應(yīng)響應(yīng)面技術(shù)等。近年來,近似模型構(gòu)造技術(shù)發(fā)展很快,各種逼近和擬合算法層出不窮。但實(shí)質(zhì)上,這些方法并沒有取得突破性進(jìn)展。總體來說,大多數(shù)近似模型構(gòu)造方法的性能均是建立在回歸分析、方差分析以及無偏估計(jì)等以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為依據(jù)的基礎(chǔ)之上,判斷這類近似模型優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)可以歸結(jié)為所謂經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則,但經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小并不一定意味著期望風(fēng)險(xiǎn)最小。簡而言之,這類技術(shù)試圖用十分復(fù)雜的模型去擬合有限的樣本。因此,導(dǎo)致喪失了推廣能力,難以反映研究目標(biāo)的實(shí)質(zhì)和特性。因此,泛化性能出色的基于概率的支持矢量機(jī)回歸近似模型構(gòu)造技術(shù)提供了一種能夠應(yīng)用于沖壓成形優(yōu)化的選擇。同其他主流方法相比,支持向量機(jī)回歸技術(shù)的缺陷在于其計(jì)算效率,因此需要建立更為高效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。2.2基于克氏原螯蝦的熱設(shè)計(jì)方法同串行算法相比,并行算法具有以下優(yōu)勢。由于采用并行構(gòu)架,計(jì)算效率大幅度提高,可以擴(kuò)大樣本數(shù)量,從而導(dǎo)致近似模型精度提高;每個(gè)迭代步中的樣本信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于串行算法,因此更容易收斂。JAKUMEIT等建立了并行Kriging迭代算法,在優(yōu)化板金成形參數(shù)時(shí)的結(jié)果表明,它確實(shí)能更快、更穩(wěn)地收斂優(yōu)化過程;WANG等建立了基于并行智能布點(diǎn)算法的Kriging近似模型體系和支持矢量機(jī)回歸優(yōu)化體系,并成功應(yīng)用于拉延筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,基于圖形處理器的通用計(jì)算技術(shù)(Generalpurposegraphicprocessunit,GPGPU)發(fā)展很快,它不僅能夠進(jìn)行圖形處理,而且能完成CPU的運(yùn)算工作,更適合高性能計(jì)算,并能使用更高級別的編程語言,在性能和通用性上更加強(qiáng)大。從狹義的GPGPU應(yīng)用來說,GPGPU就是功能強(qiáng)化的GPU,彌補(bǔ)了CPU浮點(diǎn)運(yùn)算能力的嚴(yán)重不足。目前湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已將該技術(shù)成功應(yīng)用于并行有限元仿真中,已取得初步成效,并已著手建立基于GPGPU技術(shù)的板料成形工藝與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)體系。3cae分析的應(yīng)用板料沖壓成形工藝發(fā)展歷史悠久,隨著信息技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,基于CAE的沖壓分析越來越多地應(yīng)用于板料成形工藝的設(shè)計(jì)中,不僅為工藝設(shè)計(jì)提供了更加精確的設(shè)計(jì)方法,同時(shí)也為工藝的創(chuàng)新提供了新的途徑,如通過CAE技術(shù)的計(jì)算和模擬,在沖壓分析中可以實(shí)現(xiàn)基于原理變革的工藝創(chuàng)新和基于計(jì)算方法變革的工藝創(chuàng)新。3.1拉延筋工藝的創(chuàng)新在現(xiàn)有沖壓工藝技術(shù)中,拉延模具通常由凹模、凸模、壓邊圈三部分組成。壓邊圈的壓料面上通常設(shè)置拉延筋以控制板料在沖壓中所受的流動阻力,防止工件出現(xiàn)起皺或拉裂等成形缺陷。原有拉延模具的拉延筋的設(shè)置一般為垂直材料自然流動方向的直線或環(huán)線。由于拉延筋處的板料變形通常比其他部位的變形更為復(fù)雜,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法難以定量計(jì)算給定形狀和尺寸的拉延筋能提供的流動阻力,這就使得傳統(tǒng)的拉延筋布置和參數(shù)設(shè)計(jì)主要憑經(jīng)驗(yàn)和直覺進(jìn)行,再通過反復(fù)的打磨和調(diào)試來獲得符合要求的拉延筋形狀和尺寸。這個(gè)過程通常是導(dǎo)致傳統(tǒng)模具調(diào)試時(shí)間較長的重要原因。同時(shí)對于深拉延件,傳統(tǒng)拉延筋布置和設(shè)計(jì)用來克服角部起皺或拉裂效果不佳,成形缺陷經(jīng)常出現(xiàn)。為解決上述工藝方案中常出現(xiàn)的成形缺陷,湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用CAE技術(shù),對拉延筋機(jī)理進(jìn)行了深入的研究,發(fā)明了斜拉延筋工藝。新的斜拉延筋技術(shù)除在壓邊圈的壓料面上設(shè)置有傳統(tǒng)的拉延筋外,還在壓邊圈的壓料面的角部創(chuàng)新性地設(shè)置有斜拉延筋。傳統(tǒng)拉延筋主要提供板材在沖壓中的具有被動性質(zhì)的流動阻力,而斜拉延筋則除提供流動阻力外,還可提供具有主動性質(zhì)的引導(dǎo)材料流動的作用力。這就使得斜拉延筋對材料流動具有很好的控制作用,在拉延件沖壓特別是深拉延件沖壓中能有效克服拉延件的起皺或拉裂缺陷。斜拉延筋工藝對設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因?yàn)樾崩咏钅芴峁┚哂兄鲃有再|(zhì)的引導(dǎo)材料流動的作用力,其形狀、位置和尺寸參數(shù)必須足夠精確,否則可能導(dǎo)致相反的效果。由于斜拉延筋的作用機(jī)理不同于傳統(tǒng)拉延筋,現(xiàn)有可借鑒的設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)很少,因此必須發(fā)展能準(zhǔn)確模擬真實(shí)拉延筋的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。3.2高強(qiáng)度鋼板熱沖洗技術(shù)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板由于具有強(qiáng)度高、較好的應(yīng)變硬化能力、較強(qiáng)的均勻變形能力、更高的疲勞特性而得到廣泛應(yīng)用,特別是在汽車工業(yè),由于這些優(yōu)越的力學(xué)性能而具有更多的降低板厚的可能,通過減少鋼板的厚度,在保證其他性能相當(dāng)?shù)臈l件下可達(dá)到減輕汽車重量的目的。因此,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼目前已成為較理想的汽車輕量化材料之一。國際上已研制出超輕鋼車身,在滿足2004年美國碰撞法規(guī)前提下,應(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)度可在不增加成本的條件下使車身質(zhì)量減少20%。因此,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在汽車減重、節(jié)能、提高安全性、降低排放等方面展現(xiàn)了廣闊前景。在高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用中,由于強(qiáng)度的大幅度提高,給成形工藝和模具設(shè)計(jì)制造帶來了許多新的困難,如強(qiáng)度增大和厚度減薄導(dǎo)致沖壓成形中的回彈增加,強(qiáng)度和硬度提高導(dǎo)致成形力增大和模具容易磨損等。和普通鋼板相比,高強(qiáng)度鋼板在沖壓過程中不僅會造成較大的彎曲回彈和扭曲回彈,而且還會產(chǎn)生嚴(yán)重的側(cè)壁卷曲,這將嚴(yán)重影響沖壓件的形狀尺寸精度和整車裝配。超高強(qiáng)度鋼的回彈問題對當(dāng)今沖壓工藝提出了新的挑戰(zhàn),成為汽車制造行業(yè)和學(xué)術(shù)界研究的一大熱點(diǎn)。熱沖壓成形技術(shù)是解決高強(qiáng)度鋼板難成形問題和減少回彈的有效途徑。熱沖壓是將沖壓板材在奧氏體溫度區(qū)加熱,在高溫下沖壓成形并使其在模具內(nèi)進(jìn)行馬氏體相變后,在保證高強(qiáng)度的前提下獲得需要的形狀。目前,高強(qiáng)度鋼板采用熱沖壓技術(shù)具有以下特點(diǎn):成形性能得到優(yōu)化,回彈極小,產(chǎn)品尺寸精度高,成形負(fù)荷小,不必對沖壓機(jī)進(jìn)行升級;熱成形過程工件可以獲得高延展率,并可以大幅度增加零件的強(qiáng)度。目前的研究關(guān)鍵是要建立快速加熱和冷卻過程中的高強(qiáng)度鋼板本構(gòu)關(guān)系變化規(guī)律及對材料強(qiáng)度影響規(guī)律,發(fā)展能準(zhǔn)確模擬熱成形過程的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),通過數(shù)值仿真與模擬,探明高強(qiáng)度鋼板在受熱和受力雙重作用下材料性能的變化規(guī)律和塑性成形機(jī)理以及冷卻速度對成形性能的影響機(jī)理,從而確定熱成形工藝參數(shù)的變化對成形件質(zhì)量的影響特性。3.3汽車鋁合金底板平臺為進(jìn)一步減少零件數(shù)量,提高汽車輕量化水平,國外一些高檔跑車和敞篷車的結(jié)構(gòu)件采用整體鑄造技術(shù),2004年北京車展上展出荷蘭世爵系列跑車的超強(qiáng)車架全部采用鋁合金一次鑄造而成。隨著鋁鎂合金應(yīng)用不斷擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)輕量化要求的不斷提高,大型薄壁構(gòu)件整體精密鑄造成形將是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。近幾十年來,采用低壓鑄造和差壓鑄造等特種鑄造技術(shù)可以生產(chǎn)一些高質(zhì)量的精密復(fù)雜薄壁鑄件,又無需后續(xù)的機(jī)加工成形,因此低壓鑄造和差壓鑄造技術(shù)成為重要的先進(jìn)近凈成形技術(shù)。這些鑄件具有優(yōu)良的力學(xué)性能和物理性能,非常適合于生產(chǎn)汽車零部件。Lotus轎車公司新型車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念主要關(guān)注汽車鋁合金底盤平臺,使其能夠適用于各種類型車體,從而降低了開發(fā)成本,并縮短了新車型的開發(fā)周期。這種新型車體結(jié)構(gòu)稱為通用平臺(Versatilevehiclearchitecture),具有車輛底盤和車體關(guān)鍵部件的通用性和互換性。該通用平臺幾乎全部采用鋁合金制成,其中底盤為鋁合金整體鑄造,通過整體鑄造可以減少部件的聯(lián)接點(diǎn)數(shù)量和重量,提高生產(chǎn)效率,同時(shí)提高底盤的整體剛度。目前鋁合金大型結(jié)構(gòu)件整體鑄造幾乎只限于軍用和航空產(chǎn)品,批量較小,所以一般采用砂型鑄造,生產(chǎn)效率低、工人勞動強(qiáng)度大。要將鋁合金大型結(jié)構(gòu)件整體鑄造技術(shù)應(yīng)用于汽車行業(yè),實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)必須用金屬型取代砂型,并研究和解決由此產(chǎn)生的各種問題。3.4高速高效模具加工的技術(shù)保障數(shù)字化的模具型面加工技術(shù)已經(jīng)成為模具制造領(lǐng)域普遍采用的一種手段,與之相應(yīng)的各種CAM技術(shù)和刀具等新技術(shù)層出不窮。高性能數(shù)控銑削加工技術(shù)以其高的加工精度和高的切削進(jìn)給速度二者的優(yōu)良匹配,成為高品質(zhì)汽車模具制造的核心技術(shù)之一。高性能模具自由曲面加工可以大大地提高模具加工精度、縮短加工時(shí)間,從而提高模具的制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率,對于提高我國轎車外覆蓋件模具的制造品質(zhì)和國產(chǎn)化率具有非常重要的意義。高性能自由曲面數(shù)控銑削加工可以以高速度高效率地加工出高精度、表面粗糙度值小和高光順性的模具型面,從而大大