专利名称：基于cae仿真技术的金属塑性成型产品开发系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属塑性成型产品开发模式领域，尤其是一种金属塑性成型产品开发 系统。
背景技术：
传统的金属塑性成型产品开发方案的设计主要根据设计者的经验，通过反复实验 来确定模具结构和工艺参数，而这些经验和实践技能通常需要多年的时间才能掌握。相对 于科学仿真、计算和分析而言，这种基于实践经验的产品开发模式更倾向于直观的推断，需 要在车间里进行大量的试制和验证，操作费时且容易出错。对于加工一些较为复杂的零件， 只有经过多次设计的更改才能确定最终的解决方案。另外，一旦产品质量出现问题，这种开 发模式很难查明问题的根源所在。同样，如果产品设计、工艺流程制定、模具设计、产品质量 保证和整个金属塑性成型系统不符合设计要求和规划，也很难找出问题的症结。一个金属 塑性成型系统的输入变量包括毛坯、材料、模具、成型边界条件、塑性成型机理、成型设备、 工艺流程、最终成形件产品特征等，因此整个成型系统便受到这些变量相互作用的影响，如 图1所示。以塑性成型过程中的关键工艺参数之一的变形力为例，在传统的塑性成形产品 研发过程中，对于变形力的评估主要依靠经验公式，很难得到精确的值，30%的误差是很普 遍的情况。对于一个螺纹成型系统来说，30%的不确定性就可能导致高达90%的额外设备成 本和5%-9%的成形件额外直接成本(视具体材料而定)，变形力还会影响到模具结构和形状、 工艺流程的确定以及金属塑性流动形态。由于产品开发的独特性，金属塑性成形的传统开 发模式很难将各个关键参数之间的相互作用完整的呈现出来。
发明内容
为了克服已有的金属塑性成型产品开发模式的费时、容易出错、成本高、产品质量 无法保证的不足，本发明提供一种生产效率高、降低成本、有效保证产品质量的基于CAE仿 真技术的金属塑性成型产品开发系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，所述金属塑性成型产品开发系 统包括金属塑性成型产品设计模块，用于以客户意见、产品功能要求和设计规格为输入，基于 待开发金属塑性成型产品和工艺的技术知识，采用逆向工程技术，得到金属塑性成型产品 设计初步方案；由CAE仿真进行反复的迭代，验证和优化待开发金属塑性成型产品的外形 设计、强度设计、静力学和动力学分析；可制造性评价模块，用于在进行设计模具之前，评价所述金属塑性成型产品设计初步 方案的工艺流程制定、整个成型系统设计和概念化的金属塑性成型产品的设计；集成性系统设计模块，用于对金属塑性成型产品设计初步方案进行评价，评价参数和 准则包括①变形力，变形力越小，成型设备要求越低，模具应力越小；②变形程度，变形程度越小越好；③变形均勻度，越均勻越好；④损伤因子，损伤因子越大表示成型过程中发生 韧性破坏的可能性越大；⑤模具应力，模具的等效应力越小越好。作为优选的一种方案所述金属塑性成型产品开发系统还包括模具使用寿命设 计模块，用于确定模具应力分布、模具疲劳模式、疲劳的产生、扩展、成长和最终失效，模具 疲劳寿命的评价方法包括S-N法和应力寿命法。进一步，所述金属塑性成型产品开发系统还包括质量评估和质量控制模块，用于 采用CAE仿真对金属塑性成型产品的宏观和微观缺陷、弹性变形回复、残余应力、金属流线 和微观组织进行预测和分析。再进一步，所述金属塑性成型产品开发系统还包括产品设计优化模块，用于基于 产品使用条件和工艺继承参数对产品使用寿命做评价，对被设计产品的金属塑性成型系统 性能做定制和产品使用/疲劳寿命预测，最终优化得到产品设计方案。更进一步，在所述集成性系统设计模块中，对金属塑性变形中所发生的金属学、机 械学和热学等种不同物理行为进行建模并进行同步仿真，同时毛坯塑性流动和模具变形行 为也将被集成仿真；通过模具和变形体之间的几何和物理边界条件插值实现两部分仿真之 间的数据交换，设计方案的修改提供参考信息。本发明的技术构思为在过去的20年中，以有限元方法为主的金属塑性成形过程 的数值模拟技术得到了极大的进步和发展，并成为模具与工艺CAD/CAM/CAE技术的重要核 心技术之一，在工业生产中已经得到了广泛的应用。塑性成形模拟技术能够真实地描述金 属塑性成形过程材料的流动全貌，显示出成形过程中材料、模具的各种物理场量的分布与 变化规律、力能参数变化规律、诊断和预测成形过程缺陷，从而在计算机上形象地显示出塑 性成形过程的虚拟制造过程，为验证和掌握塑性成形工艺与模具设计方案提供了强有力的 工具。到目前为止，人们对体积成形过程金属流动规律的认识途径主要有三种生产实 践、物理模拟技术和数值模拟技术。与此相适应，预成形设计和工艺设计中所依据的知识和 采用的手段主要有三种基于以往丰富经验的经验性指导原则、物理模拟技术和基于数值 模拟的计算机辅助设计。基于以往丰富经验的经验性指导原则，其定性准则由于经验性强， 技术含量高，应用起来十分困难；其定量准则主要基于体积计算和圆角半径的修正，并不能 预测材料流动、应力应变分布和可能出现的缺陷，因而精度不高，在计算机辅助预成形及模 具设计中，仅能起辅助的、先期的指导作用。物理模拟技术，作为验证预成形设计和工艺设 计、验证数值模拟结果的手段，以及研究金属成形规律的实验手段，具有重要的实用价值。 但这种方法仍然需要实物的模具和材料，具体实施仍然耗时、耗力、耗材。另外由于软材料 与真实材料物理性质的差异，试验结果不可避免存在偏差。故此方法在预成形及模具设计 中也只能起辅助作用。而基于数值模拟的计算机辅助设计，由于利用数值模拟方法，可方便 地确定塑性成形过程各个阶段所需的变形功和载荷，获得工件的内部应力、应变、温度分布 和金属流动规律，获得模具的应力、应变、温度分布和合理形状，预测工件的成形状况、残余 应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布，为预成形设计和工艺设计提供了强有力的工具，同时 由于计算机软硬件技术的发展，基于数值模拟的预成形设计得到了迅速的发展。本发明的有益效果主要表现在生产效率高、降低成本、有效保证产品质量。
图1为各种因素对产品设计、工艺以及金属塑性成型系统的影响示意图。图2为本发明的金属塑性成型产品设计和开发流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1和图2，一种基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，包括金 属塑性成型产品设计模块，用于以客户意见、产品功能要求和设计规格为输入，基于待开发 金属塑性成型产品和工艺的技术知识，采用逆向工程技术，得到金属塑性成型产品设计初 步方案；由CAE仿真进行反复的迭代，验证和优化待开发金属塑性成型产品的外形设计、强 度设计、静力学和动力学分析；可制造性评价模块，用于在进行设计模具之前，评价所述金 属塑性成型产品设计初步方案的工艺流程制定、整个成型系统设计和概念化的金属塑性成 型产品的设计；集成性系统设计模块，用于对金属塑性成型产品设计初步方案进行评价，评 价参数和准则包括①变形力，变形力越小，成型设备要求越低，模具应力越小；②变形程 度，变形程度越小越好；③变形均勻度，；越均勻越好；④损伤因子，损伤因子越大表示成型 过程中发生韧性破坏的可能性越大；⑤模具应力，模具的等效应力越小越好；对金属塑性 变形中所发生的金属学、机械学和热学等种不同物理行为进行建模并进行同步仿真，同时 毛坯塑性流动和模具变形行为也将被集成仿真；通过模具和变形体之间的几何和物理边界 条件插值实现两部分仿真之间的数据交换，设计方案的修改提供参考信息；模具使用寿命 设计模块，用于确定模具应力分布、模具疲劳模式、疲劳的产生、扩展、成长和最终失效，模 具疲劳寿命的评价方法包括S-N法和应力寿命法；质量评估和质量控制模块，用于采用CAE 仿真对金属塑性成型产品的宏观和微观缺陷、弹性变形回复、残余应力、金属流线和微观组 织进行预测和分析；产品设计优化模块，用于基于产品使用条件和工艺继承参数对产品使 用寿命做评价，对被设计产品的金属塑性成型系统性能做定制和产品使用/疲劳寿命预 测，最终优化得到产品设计方案。本实施例提出的金属塑性成型产品设计和开发流程如图2所示，包括如下内容 (1)金属塑性成型产品设计。金属塑性成型产品的设计影响到其工艺流程制定、模具设计、产品质量保证和整个塑性成型系统的配置。基于产品和工艺的相关知识，以客户意见、 产品功能要求以及设计规格为输入，采用逆向工程技术，由CAE仿真进行反复的迭代，以确 定解决方案。在这个过程中，CAE仿真可以帮助验证和优化外形设计、强度设计、静力学和 动力学分析等。(2)可制造性评价。在进行模具设计之前，需要从可制造性的角度对工艺流程制 定、整个成型系统设计和概念化的金属塑性成型产品的设计做出评价。(3)集成型系统设计和CAE仿真。在确定了产品设计方案后，需要设计概念化产品 的数字化实现平台。在这一过程中，进行金属塑性流动和模具变形的集成仿真以揭示系统 性能的全貌。设计完成后，对金属塑性成型系统的设计方案进行评价，其评价参数和准则包 括①变形力，直接关系到产品成形过程中的能量消耗。变形力越小，成型设备要求越低，模 具应力越小，这些因素反过来也影响到模具结构、尺寸、制造流程和使用寿命。②变形程度， 表示塑性变形过程中发生的累计变形量。基于同样的设计准则，变形程度越小越好。③变形均勻度，即变形量的分布，越均勻越好。④损伤因子，用来表征成型过程中是否发生了韧 性破坏。损伤因子越大表示成型过程中发生韧性破坏的可能性越大。⑤模具应力，为得到 尽可能长的模具寿命，模具的等效应力越小越好。在模具的疲劳寿命分析中发现模具应力 的略微下降可以带来10倍的模具使用寿命提升。在集成的CAE仿真中，将对金属塑性变形中所发生的金属学、机械学和热学等各 种不同物理行为进行建模并进行同步仿真。另外，毛坯塑性流动和模具变形行为也将被集 成仿真。两部分仿真之间的数据交换将通过模具和变形体之间的几何和物理边界条件插值 来实现。集成仿真将用来验证设计方案，为设计方案的修改提供足够的信息。(4)模具使用寿命设计。在这一阶段，模具疲劳寿命将是被关心的主要问题，主要 确定模具应力分布、模具疲劳模式、疲劳的产生、扩展、成长和最终失效。模具疲劳寿命的评 价方法，包括S-N法和应力寿命法。
( 5 )质量评估和质量控制。在金属塑性成型产品设计流程中，产品质量是另一个关 键之处。基于CAE方法对产品的宏观和微观缺陷、弹性变形回复、残余应力、金属流线和微 观组织进行预测和分析。 (6)产品设计的优化。结合被设计产品的整个金属塑性成型系统和产品使用/疲 劳寿命对设计进行优化和方案的最终确定。考虑产品使用条件和工艺继承参数对产品使用 寿命做评价。在对被设计产品的金属塑性成型系统性能做精心定制和产品使用/疲劳寿命 预测的基础上，产品设计将被最终优化。
权利要求
1.一种基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，其特征在于所述金属塑性 成型产品开发系统包括金属塑性成型产品设计模块，用于以客户意见、产品功能要求和设计规格为输入，基于 待开发金属塑性成型产品和工艺的技术知识，采用逆向工程技术，得到金属塑性成型产品 设计初步方案；由CAE仿真进行反复的迭代，验证和优化待开发金属塑性成型产品的外形 设计、强度设计、静力学和动力学分析；可制造性评价模块，用于在进行设计模具之前，评价所述金属塑性成型产品设计初步 方案的工艺流程制定、整个成型系统设计和概念化的金属塑性成型产品的设计；集成性系统设计模块，用于对金属塑性成型产品设计初步方案进行评价，评价参数和 准则包括①变形力，变形力越小，成型设备要求越低，模具应力越小；②变形程度，变形程 度越小越好；③变形均勻度，越均勻越好；④损伤因子，损伤因子越大表示成型过程中发生 韧性破坏的可能性越大；⑤模具应力，模具的等效应力越小越好。
2.如权利要求1所述的基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，其特征在于 所述金属塑性成型产品开发系统还包括模具使用寿命设计模块，用于确定模具应力分布、模具疲劳模式、疲劳的产生、扩展、成 长和最终失效，模具疲劳寿命的评价方法包括S-N法和应力寿命法。
3.如权利要求1或2所述的基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，其特征 在于所述金属塑性成型产品开发系统还包括质量评估和质量控制模块，用于采用CAE仿真对金属塑性成型产品的宏观和微观缺 陷、弹性变形回复、残余应力、金属流线和微观组织进行预测和分析。
4.如权利要求1或2或所述的基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，其特 征在于所述金属塑性成型产品开发系统还包括产品设计优化模块，用于基于产品使用 条件和工艺继承参数对产品使用寿命做评价，对被设计产品的金属塑性成型系统性能做定 制和产品使用/疲劳寿命预测，最终优化得到产品设计方案。
5.如权利要求1或2或所述的基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，其特 征在于在所述集成性系统设计模块中，对金属塑性变形中所发生的金属学、机械学和热学 等种不同物理行为进行建模并进行同步仿真，同时毛坯塑性流动和模具变形行为也将被集 成仿真；通过模具和变形体之间的几何和物理边界条件插值实现两部分仿真之间的数据交 换，设计方案的修改提供参考信息。
全文摘要
一种基于CAE仿真技术的金属塑性成型产品开发系统，包括金属塑性成型产品设计模块，用于以客户意见、产品功能要求和设计规格为输入，采用逆向工程技术，得到金属塑性成型产品设计初步方案；由CAE仿真进行反复的迭代，验证和优化待开发金属塑性成型产品的外形设计、强度设计、静力学和动力学分析；可制造性评价模块，用于评价金属塑性成型产品设计初步方案的工艺流程制定、整个成型系统设计和概念化的金属塑性成型产品的设计；集成性系统设计模块，用于对金属塑性成型产品设计初步方案进行评价，评价参数和准则包括①变形力；②变形程度；③变形均匀度；④损伤因子；⑤模具应力。本发明能生产效率高、降低成本、有效保证产品质量。
文档编号G06F17/50GK102054097SQ201010586070
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者孟彬, 杨庆华, 荀一, 鲍官军 申请人:浙江工业大学