新一代汽车覆盖件设计全流程集成系统FASTAMP-NX

　引言

    　近年来，随着市场竞争日益加剧，汽车产品的市场生命周期变得越来越短，全新车型的更换频率已缩短到了2-4年。汽车覆盖件是汽车车身的重要组成部分，其模具设计与制造周期几乎占据整车研发周期的三分之二，是制约整车更新换代的主要因素。在全球化的竞争面前，如何在保证产品质量、控制研发成本的前提下，有效缩短汽车覆盖件模具设计与制造周期成为当前汽车工业的重要任务。

    　传统的汽车覆盖件产品和模具设计与制造都是基于串行模式，各环节之间相互孤立，无法及时发现产品和模具设计中的潜在缺陷，普遍存在产品或工艺设计不合理而导致模具结构设计和制造无法完成并造成后期返工延误周期的现象。此外，在产品设计、工艺规划、工艺设计、CAE分析与NC编程等设计制造流程的各个阶段所采用的数据格式往往都不一致，这就给设计方案改进与变更带来了很多问题。例如在设计阶段，由于需要不断地反复更改数据，同时数据也在不同的应用间进行重复地转换，从而浪费了大量的时间。

    图1 统汽车覆盖件模具设计制造流程

    　随着CAD/CAE/CAM技术的迅速发展，同步工程逐渐成为汽车覆盖件产品和模具研发模式的发展方向。对于汽车覆盖件产品和模具设计与制造过程而言，同步工程主要体现在同步设计方面，即汽车车身设计阶段就必须要考虑到冲压工艺性，借助于CAE技术进行产品早期可成形性分析，提早发现潜在缺陷，以获得合理的产品设计方案；工艺设计部门随后完成汽车覆盖件工艺规划和模面设计，进行冲压成形全工序仿真，保证产品可制造性；最后交由模具设计部门完成模具结构设计，完成模具制造和调试。为了避免串行模式中的数据格式转换问题，同步工程还必须有集成化CAD/CAE/CAM系统作为设计支撑平台。

    　作为NX平台上唯一的面向汽车覆盖件同步工程的全流程仿真解决方案，由华中科技大学模具技术国家重点实验室研发的FASTAMP-NX软件为汽车与模具行业用户提供了开展同步工程的最佳选择。系统与NX实现了全面深入的集成，完全避免了设计与分析系统间的数据转换和精度损失问题。通过在NX底层数据基础上建立统一的参数化设计与分析模型，完全避免了设计方案变更所产生的重复建模问题，真正实现了“设计-分析-修改-优化”的闭式循环，极大地提高了汽车覆盖件产品和模具设计与分析的效率。

　1 完全融入NX冲压模具解决方案

    　FASTAMP-NX系统是以完全自主开发的有限元逆算法和改进的动力显式算法为核心，目前该核心求解器也被引入到国际知名CAE软件DYNAFORM中，实现了国产CAE软件的一个重大突破。FASTAMP-NX系统与NX的冲压模具解决方案实现了紧密的融合，提供了面向产品和工艺设计的IAW和面向虚拟试模的FAW子系统。同时也可与UGS NX的车身设计（BodyDesign）、钣金设计（Sheet Metal）、模具设计（DieEngineering）和级进模设计（Progressive Die Wizard）相结合，组成面向产品设计、工艺设计、模具设计和虚拟试模全流程的完整解决方案，应用流程如图2所示。

    图2 ASTAMP-NX集成解决方案

    　在产品设计阶段，FASTAMP-NX提供了毛坯展开、产品可成形性分析、复杂连续模零件分步展开、产品回弹快速评估在内的功能模块，可快速获得复杂零件的坯料轮廓线，供下一阶段工艺设计时使用；同时可快速评估局部或整体可成形性，指出潜在设计缺陷；并可快速预测产品回弹，为产品设计阶段控制回弹提供定性参考。

  　   在工艺设计阶段，FASTAMP-NX提供了包括修边线快速展开、翻边成形性分析、工艺分析及优化和拉深筋快速优化在内的功能模块，改变了以往工艺设计严重依赖于设计经验的局面，为工艺设计提供了定性和定量的参考。

 　   在汽车覆盖件领域，试模是设计制造流程中非常重要的一环。在传统的设计流程中，绝大多数的设计缺陷都积累到这一阶段才暴露出来，导致试模成为反复的“修模-试模”的迭代过程，往往占据整个设计制造周期的一半以上。 FASTAMP-NX系统提供了包括重力、压边、成形、拉延、切边、翻边、多阶段及多任务位成形、折边、回弹在内的全工序仿真模块，可实现真正的虚拟试模，从而大大缩短了实际试模周期。

    图3 ASTAMP-NX系统组成

　2 同步仿真技术

   　 冲压模具设计是一个反复的过程，需要进行大量试错和可行性研究。在实际设计过程中，往往都是对产品或者工艺设计方案中的局部形状或参数进行修改，如调整凹模口或拉深筋的圆角尺寸、局部凸包的高度、压边力或托料力大小等，修改后CAE分析模型的设置参数变化不大。因此当针对产品或工艺的设计变更频繁发生时，用户都期望后续的CAE分析数据能够自动地更新，而不再需要重复进行数据转换及CAE建模工作。

  　  在FASTAMP-NX系统中，借助与NX底层数据的无缝融合，可以即时响应产品和工艺数模的设计变更。如初始设计方案不合格，可直接在NX建模环境中进行调整。即便对于由其它CAD软件中导入的非参数化模型，也可借助NX强大的同步建模功能进行快速修改与更新。随后FASTAMP-NX系统中的CAE分析模型会响应设计模型的变更，自动更新相关模型和工艺参数，直接提交计算。如图4中，产品局部储料包处在拉延成形时减薄过多产生破裂缺陷。在NX中借助同步建模技术直接将储料包删除，NX会自动完成储料包周围关联曲面的更新与修补，随后将该处平台整体抬高，自动更新分析模型后再次提交计算得到了满意的结果，如图5所示。整个变更过程，设计模型调整与CAE分析模型更新所用时间不到十分钟，相比传统模式提升效率90%以上。

    图4 始工和进后艺方案、分析模型及计算结果

    图5 体侧围计算速度对比

 　   FASTAMP-NX系统还引入了最新的普通PC多核并行求解技术，充分利用了windows最新的多CPU，多核和多线程计算平台强大的计算能力，为实现同步仿真提供了可行的计算平台支撑。在保证同样精度水平情况下，它比前代动力有限元程序快5倍，是当今最快的商业求解软件。在中等配置的PC平台上，它可以在0.3-2小时内为大多数汽车覆盖件提供精确的虚拟试模结果。

　3 应用实例

    　如图6所示为某轮毂弹簧支架罩板产品数模。该产品属于深拉延件，所用材料牌号为ST14ZF，板厚0.9mm。

   　 首先将产品补孔，进行产品可成形性校核，计算结果如图7所示。在产品A、B区域最大厚度减薄率达到了31.07%，可以断定添加外围的工艺补充后，该区域将会出现破裂缺陷，必须在后续工艺方案中通过其它手段避免。

    图6 车轮毂产品数模

    图7 补孔件可成形性分析

   　 利用NX中的Die Engineering模块建立起了该产品的参数化拉延工艺数模，如图8所示。图9所示为该产品拉延工序件的可成形性分析结果。由于产品属于左右对称件，因此仅取1/2工序件进行分析。由图可见，添加外围的工艺补充之后，产品关键区域平均厚度减薄率超过了36%，最大减薄率达到了40.33%，产生了较为严重的破裂缺陷，进一步验证了产品可成形性分析的结果。

    图8 X Die Engineering工艺数模

    图9 拉延工序件可成形性分析

    　结合产品的可成形性分析可知，拉延工序件中的破裂缺陷主要是由于产品自身的形状和拉延高度差所致，因此只能在拉延工艺中通过增加工艺切口、调整压边力等方法加以改善。如图10即为添加工艺切口后的可成形性快速分析结果，通过添加工艺切口，有效避免了工序件产品区域的破裂缺陷，由此可以断定所制定的工艺方案是可行的。

    图10 艺切口可成形性分析

    　在上述分析基础上，最终制定了拉延（工艺切口）、修边的工艺方案，并在UGS NX环境中直接建立了全工序分析模型，如图11所示。

    图11 FASTAMP-NX全工序分析模型

   　 图12所示为拉延工艺方案的拉延成形过程模拟结果与实验结果对比图，可以看出完全避免了破裂缺陷，仅在工艺补充和压边区域存在轻微起皱缺陷，但不影响最终产品质量，符合工艺要求。

    图12 拉延成形过程模拟

　4 结论

    　作为NX平台上唯一的面向汽车覆盖件同步工程的全流程仿真解决方案，FASTAMP-NX系统通过与NX平台全面深入的集成，结合同步工程和参数化建模思想，运用几何关联和参数关联技术，避免了CAD与CAE 过程中的数据转换，有效解决了汽车覆盖件工艺方案反复修改后需重复建模的问题，实现了真正意义上的汽车冲压成形全流程同步仿真。通过使用FASTAMP-NX系统，汽车与模具企业的CAE部门和产品设计部门、工艺部门的同步设计开发和管理能实现了更好的衔接。真正实现了“设计-分析-修改-优化”的闭式循环，极大地提高了汽车覆盖件产品和模具设计与分析的效率，从多方面缩短了汽车覆盖件模具和覆盖件产品的开发生产周期。

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