冲压成型过程仿真汇场理论支持系统

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1989.01.007 北京科技大学学报 江1卷第1期 .Vol.1I No.1 1983年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan 1989 冲压成型过程仿真汇场理论支持系统 山 王先进 (力咖系) 摘要：基下新提出的冲压成型过程仍直汇场理论，建立了汇场理论支持系统，它 含有控制程序、简化的核型库、方法库和数裙岸等1大部分，是一个校型要动系统。运行该 系统，对L形件压延过程进行仿真，得到了毛料外形，应变分布及压延过程图象。 关夔词：冲压，仿真，汇场理论 Support System of Sink Field Theory for Process Modelling of Stamping Deformation Lu Xueshan Wang Xianjin ABSTRACT:Support Syftem of sink Field Theory (3SFT)for process modelling of stamping deformation is developed.It includes simplified date- base,modelbase,functionbase and control language. By using 3SFT,the modelling computation on decp drawing process of reentrant contour shell has been operated,Blank contours,strain rate dis- tribution and computer modelling of deep drawing process is obtaind in blue- print. KEY WORDS:Stamping,modelling,sink Field Theory 传统的冲模设计是根据长期的经验和试验而完成的，这使冲压生产的准备时间太长，适 应不了产品快速更新换代的需要。为此，人们在发展板材成型计算机模拟上作出努力。板材 成型发展的技术革命观和科学观〔]指出，成型模拟是板材成型达到生产优化和柔化发展 的核心领域，是实现板成型件及其成型模具CAD/M(Com puter--Aided Design/Manufactu- rig)的主要理论障碍。为排除这一障碍，作者基于新提出的板材成型过程仿真场论【37】 1987一03一17收篇 34

节 日 卷第 期 北 京 科 上芝 大 学 学 报 巴 年 月 一 尸尸 冲压成型过程仿真汇场理论支持 系统 只币 山 王 先进 尹 力 一 不 摘 要 基 于新 提 出的 冲压 成型 过程 仿 真汇 场 理 论 ， 建立 了 汇 场 理 沦 支持 系 统 ， 它 含有控 制程序 、 简化 的模型库 、 方法 库 和 数据 库等 大 部分 ， 是一 个模型驱 动 系统 。 运 行该 系统 ， 对 形 件 压 延 过程 进 行仿 真 ， 得 到 了毛 料外形 ， 应 变分 布及压 延 过 程 图 象 。 关越 词 冲压 ， 仿 真 ， 汇 场 理 沦 户户 “ “ ” 才 ‘ ” ‘ 产 尸声 ， 少 · 卜 ， ， 。 · 飞了 。 ， 。 。 ， ， 、 、 、 。 只 ， 只， 、 ‘飞 少 ， 传统 的冲 模 设 计是 根据长期 的经 验 和 试验 而完成 的 ， 这 使冲压 生产 的准 备时 间太 长 ， 适 应 不 了产品快 速更新换 代 的需要 。 为 此 ， 人们 在发 展板 材成 型计算机 模拟 作出努力 。 板 材 成 塑 发 展 的技 术革命观 川 和科 学观 川 指 出 ， 成 型模拟是板 材成 型达 到生 产优化 和 柔化 发展 的核 心 领域 ， 是 实现板 成 型件及 其成 型模 具 一 。 。 的 主 要 理 论障碍 。 为排 除 这一 障 碍 ， 作 者基于新提 出 的 板 材 成 型过程仿真 场论 〔 一 ” 一 一 收 稿 声 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．01．007

建立了场论支持系统3SFT。此系统已可完成冲压件展开毛坯优化设！；冲压件应变分布· 变形流线及压延力超前预报；还可在计算机图象终端上实现冲压过程仿真。 1场论支持系统SFT 在板材成型CAD实践巾，已研制了许多计第机程序，如Axiform ta1,Platin2】, Cads:f1]等，这些程序大都是以某一理论模型为基础而编制的，不能直接接收新模型，研制 者仍然需要化大量时间去编许多已成熟的通用功能程序来为新模型的实现服务。本文改变原 来关于汇场模型计算机化编制的类似程序CAAM,参考经济管理系统结构设想11)，建立了 简化的三库结构，用场汇理论支持系统。该系统包括控制程序、简化的数据库、简化的模型 库和简化的方法库等4个部分，共有子程序57个，其中作者编制的子程序39个，编制的语句 约1910条。 1.1控制程序(CP) 控制程序是3SFT的枢纽，用于实现3SFT与用户进行对话并根据对话获得的用户信急 控制访问简化的数据库、模型库或方法库。控制程序分人机对话控制、几何边界离散控制、 离散微段处理控制、汇场离散控制、汇场模拟控制和输出控制等6大部分，适合于中级技术 人员使用。 1.2简化的模型库 模型库是众多的板材成型理论模型的集合体。模型库中的模型按主-子模块存放，汇场 理论支持系统的模型库中仅存放关于汇场模拟的模型：压延汇场模型、法兰汇场模型、毛 坯外形模型、流线模型、应变率模型、流动应力模型和载荷模型等，其层次关系如图1所 示。这7个模型程序化后，共有子程序14个，合计程序语句约360条。 Ist level MTodel of sink field module (crawing,fiange） 2nd level Process Ceometrical Mechenical mocule modelling modelling modelling 3rd level Metal Angle Blank Flange Strain Drawine module flow contours r月te losd Potential Flow line stress 图1模型库模型存放层次示意图 Fig.1 Models arrangement in model basc Computerizing of die throad condition and residual flange contour condition by subroutine DRAWC and DRF Mainsub FMA Solution of sink distribution FUB Potential caleulation CPE Optimizing 图2汇场模型流程图 Fig.2 Flow diagram of sink field models 35

建立 了场论 支持系统 。 此 系统 已可完成冲 压 件 展开 毛 坯优化设 计 冲压件应变分 布 、 变 形流线 及压延力超前预 报 还 可 在 计算机 图象终 端上 实现冲 压 过程 仿 真 。 场论支持系统 存 一 板 材成 型 入 实践 中 ， 已研制 了许 多计 一 算 机 程 序 ， 如 ” ， “ 〔 ” 〕 ， 二 不 上。 ’ 等 ， 这 些程 序大 都 是 以某一 理论 模 型 为基础 而编制 的 ， 不 能直接接 收新 模 型 ， 研制 者仍然需 要化 大 一 量时 问去 编许 多已成 熟 的通 用功能程 序 来 为新模 型 的实现服 务 。 本文改变原 来关于 汇 场 模型 计算机 化 编制 的类 似程 序 ， 参 考 经济管理 系统结 构 设 想 〔 “ ’ ， 建立 了 简化 的三库 结 构 ， 用 场 汇理论 支持系统 。 该 系统 包括控制程 序 、 简化的数据库 、 简化的模 型 库 和简化的 方法库等 个部分 ， 共有子 程 序 个 ， 其 中作者编制 的子程 序 个 ， 编制 的语 句 约 条 。 。 控制程序 控制程 序是 的枢纽 ， 用于 实现 与用 户 进 行对 话并根据对话获得 的 用户 信 息 控制 访向简化 的数据 库 、 模 型 库或 方 法 库 。 控制 程 序 分 人机 对话 控制 、 几 何边界离散 控制 、 离散微段处理 控制 、 汇 场离散控制 、 汇 场 漠拟 控制 和输 出控制等 大部分 ， 适合于 中级技术 人 员使用 。 简化 的模型 库 模 型库是 众多的板材成 型理论模型 的集 合体 。 模 型库 中的模 型按主一 子 模 块存放 ， 汇 场 理论 支 持系 统 的模 型库 中仅存放关于汇 场模拟 的 模 型 压延 汇 场模 型 、 法 兰 汇 场 模 型 、 毛 坯外 形 模型 、 流线模 型 、 应 变率模 型 、 流 动应力 模型和 载荷模 型等 ， 其 层 次 关 系如 图 所 示 。 这 个模型程 序化 后 ， 共有子程 序 个 ， 合 计程 序语 句约 条 。 一 印 团 工了。 口 工 工 ， 米 瑰岔 。 恕画 图 模型 库模 型 存放 层 次示意 图 一 图 汇 场模型流程 图

场快型是引场理论支持系统快型库的模型，其结构如图之所示。 场模型程序化的程序设：中，一个典型的困难是主程序。第2层和第4层了程序中用 到一个二谁可变数组，该数组的维数以数组元素值皆由第3县了程序计算出。Forlran语言 规定数组维数必须在程序开头设定，【儿若设定数组空间'与了程序中使用的空间不等，则数据 传递就出现混乱致错。作者通过设置Mainsub子程序：Fmasub了程序完成一维数组和二维数 组的变换，顺利地克服了这一闲难。 1.3简化的数据库 场理论女持系统的简化数据库，分几何数据岸和材料性能数据库。由于汇场理论目前 忽略材料性能的影响，所以数据库中仪建立了一个简化的几数据库，用以为运行中的模型 自动加工在线数据。 汇场理论在工业生产中小推广应用的方便程度取决丁其支持系统3SFT处理零件几何形状 的范围及零件工艺尺寸的能力，为此、作者编制了13个子程序，共约720条程序语句分别用 于处理任意三角形件、方矩形件、等半圆头矩形件、不等半圆头矩形件、椭圆形件和多边形 什等不词形状零件的几何参数，加工在线数据。在这一处理中，每1种形状零件的输入几何 参数均按工业生产冲压工艺标注参数要求设计。比如，任意三角形件，工艺尺寸标注为工1， L2,L(或L,)和R。,以及零件高度h和凸模半径rp【1,则3SFT中有本文作者编制的子程 序TRG处理零件外形参数，加工在线数据，有子程序TRPO处理毛料外形信息参数h及r,确 定出毛料外形上一点作为寻求等势线的起点。 1.4简化的方法库 方法库是模型实现用的各种算法、方法功能软件的集合体。其优点有：①提供成熟的 算法、方法和功能软件，不川为新快型重新编制已成熟的功能程序，②加快模型实现，提高 模型运行效率；3实现软件资源共年：！个身具有可广充性，新的数学方法和算法可随时存 人其中。 汇场理论支持系统的简化方法库是按照程卞化、模刊化准化3项准则设计的，共有 了程序27个，其中9个为本文作者所编制。 2系统运行 场理论支持系统计算机程序采用标准Forlran语，'编制，\AX11/750小型计算机上 运行，其运行流程（如图3所示）是： ①获得零件几何数据。如数据是冲压工艺标准的几何大小即几何参数，则访问GEB (DB)调相应子程序对零件L,进行离散分段、加工在线数据：如数据是测得的型值离散点坐 标，则可直接作为在线数据。 ②访问FUB对离散微段数据进行处理。 3访问MB,求压延流动效成系数，法兰边界约束效应系数并建立设置汇场状态的边 界条件。 ①访问FLB,调用GS3子程序求解边界条件方程，得到汇场强度分布值。 36

‘ 场 模塑 是 场 理论 戈持 弃统 膜型 库的 眺型 ， 针占构如 图 二 所示 。 ‘ 士石模 型程 序化 的程 序 设 计 ， ，， 一 个典 塑 的 困 难 是 主程 序 。 第 层 和第 层 了程 序 中用 到一 个二 淮 可 变数 组 ， 该数 组 的维 数 肠数 组 元 素 傲铸 由第 层 子程 序 计算 出 。 ’ 语言 规定 数组维数 必 须在程 序开 头 设定 ， 若 设定 数 组 空 间 ， 子程 序 ‘ ，使 用 的空 间不 等 ， 则数 据 传递 就 出现混 乱致错 。 作者通 过 设 置 入 油 子程 序 柯 子程 序完成一 维数组 和二维数 组 的 变换 ， 顺 利地克 服 了这一 困 难 。 。 简化 的数 据 库 汇 场理论 支 持系统 的简化 数据 库 ， 分 几 何数 据库 和材料 性 能 数据库 。 由于 汇 场 理 论 目前 忽 略材料 性能 的影响 ， 所以 数 据库 中仅 建立 了一 个简化 的 何数据库 ， 用 以 为运 行 中的模 型 自动加 工在 线 数据 。 汇 场理 论 在工业 生产 ‘ ，推 广 应 用的 方便程 度取 决 于其 支持 系统 处 理零件几 何形状 的范 围 及零件工 艺尺 寸的能 力 为此 ， 作者编制 了 个 子程 序 ， 共约 条程序 语 句 分别 用 于处 理 任 意三 角形件 、 方矩 形 件 、 等半圆头 矩 形 件 、 不 等半圆头 矩 形件 、 椭 圆形件和 多边 形 件等 不 同 形状 零件的 几 何参数 ， 加 工 在 线 数据 。 在这一处 理 ‘ ， ， 每 种 形 状零件 的输 入 几 何 参数 均按工 业 生 产冲 压 工 艺 标 注 参数 要求设 计 。 比如 ， 任 意三 角形件 ， 工艺尺寸 标 注 为 ，， ， 。 或 和刀 。 ， 以 及零件 高度 和 凸 模半径 ， 〔 〕 ， 则 中有本文 作者 编制 的 子程 序 处 理 零件外 形 参数 ， 加 工 在 线数 据 ， 有子程 序 处 理 毛 料 外 形信 息参数 及 ， 确 定 出毛料 外形上一点 作 为寻求等势线的起点 。 简化 的方 法 库 方 法库是 模型 实现 用的 各种 算 法 、 方 法 和功 能软 件的 集合 体 。 其优点 有 ①提供 成熟 的 算法 、 方法和 功 能软 件 ， 不 川 为新 模 型重 新编制 已成 熟 的 功能程 序 ②加 快 模型 实现 ， 提 高 模 型 运行效 率 汀 实现 软 件资源 共 一 李 · 水身具 ’ 可扩充 性 ， 新的数 学 方法 和算法 可随时存 入 其 ‘ ，。 汇 场理 论 支 持系统 的简化 方法库是 按 照程 卜化 、 模烈 化和 标 准 化 项 准 则设 计的 ， 共有 广程 序 个 ， 其 卜 个 为本文 作 者所 编 制 。 系 统 运 行 汇 场理论 支持系统 计算机 程序 采 川 标 准 语 六编制 ， 庄丫 ’ 、 裂计算机 上 运 行 ， 其运 行流程 如 图 所 示 是 ① 获得 零件几何数据 。 如 数 据是 冲压 工艺 标 准 的几 何八 寸即 几 何 参 数 ， 则访 问 调相 应 子程 序对 零件 ‘ 进 行 离散 分 段 ， 加 工 在线数 据 如 数 据是 测得 的 型值 离散点坐 标 ， 则 可直接 作为在线数 据 。 勿 访 问 对 离散微 段数据进 行 处 理 。 一勿 访 问 ， 求压延 流 动 效 应 系数 ， 法兰边 界 约束效应 系数 二建 立设 置汀 场状 态 的边 界条件 。 矛 访 问 ， 调 用 子程 序求 解边 界条 件 方 程 ， 得 到汇 场 强 度分 布 流

⑤访问MB,调用势函数模型子程序，模拟设计毛料外形。 ⑥将模拟设计的毛料外形与贮存于GEB 四 中的零件表面积比较，核算毛料尺寸。 Gecmetrie.l duta ---Ceometrical On-line data orms ⑦如毛坯外形及尺寸满足要求，则绘图 linta processing Posing 输出；若不满足要求，则访问MB,调Seaz子 Boundsry condition sink feig Sojutions of sink field 程序进行优化，直到满足并输出结果。 Blank development -Modelling ⑧在优化的毛料外形条件上，进一步计 算等效应变草、流动应力、压延载荷、流线、 (('hccking blunk area )---Error checking 滑移线等，并输出结果。 ho 在VAX11/750机上运行3SFT得到的L Is Accurraney cnough Optimizing) 形不同高度零件的毛坯外形及高度为55mm零 ves 件压延过程仿真的部分结果。 Blank contours） 三维汇场模型装入汇场理论支持系统 Equivalent strain rate Flow strese 3SFT后，3SFT将能在计算机中对汽车复盖 Drawing force Metal flow 件等复杂零件进行模拟，确定毛坯展开外形及 Output 尺寸，计算应变分布，在计算机中模拟汽车覆 End 盖件冲压，并预报冲压过程中，材料流动轨迹 图3系统运行流程图 即流线，促进汽车覆盖件冲模设计、制造及调 Fig.3 Flow diagram of 3SFT operation 整的科学化和高效化。 3结 论 (1)建立了汇场理论支持系统，它包含控制程序和简化的模型库、方法库及数据库。 (2)利用建立的汇场支持系统实现了不规则压延件的毛坯展开计算、应变分布预报、流 线预报及冲压过程仿真。 (3)为汽车覆盖件毛坯展开、应变分布预报，流线预报及冲压过程仿真奠定了软件基础。 致谢一本工作得到了二汽计算机处的有关领导和朋友们的大力帮助和支持，谨致以表心惡谢。 参考文献 1吕雪山，王先进。北京钢铁学院学报（专集），1987；(1)： 2吕雪山，王先进。钢铁，1987；(6) 3吕雪山。北京钢铁学院博士论文，1987 19 4 Lu Xueshan(吕雪山)，Liang Bin3wen(梁炳文).Int.J Mech.Sci,1986;28:491 5吕雪山.北京航空学院硕土论文，1984 6 Lu Xueshan(吕雪山)，Wang Xianjin(王先进).Proc.IDDRG Conf.,1987 7 吕雪山，赵辉，王先进.北京钢铁学院学报，1986；(1)： 8 Gerdeen J C,Proc.12th NAMTRC,1984;209 9 Glockl H,Lamge K.Proc.l/th NAMRC,1983;243 10 Gerdeen J C,et al,Mich.Tech.-McMater,1984;5 11胡鞍钢，马正午，全国系统科学与控制论青年工作者会议论文，1986 37

访问 ， 调 用势 函数模 型子程 序 ， 模 拟设 汁毛料 外 形 。 将 模 拟设 计的毛 料 外 形与贮 存于 中的零件 表面积 比较 ， 核 算 毛 料尺 寸 。 ⑦ 如 毛 坯外 形及尺 寸 满 足要 求 ， 则绘 图 输 出 若不满 足要 求 ， 则 访 问 ， 调 子 程 序进行优化 ， 直 到满 足并输 出结果 。 ⑧ 在优 化 的毛料外 形条件上 ， 进一步计 算等效应变率 、 流 动 应力 、 压延 载荷 、 流线 、 滑移线等 ， 并输 出结果 。 在 机上运行 得 到的 工 形不 同高度零件的 毛坯外 形 及高度 为 零 件 压延 过程 仿真的 部分结果 。 三维 汇 场模 型 装人 汇 场 理 论 支 持 系 统 后 ， 将 能在计 算机 中对 汽车 复盖 件等复杂零 件进行 模拟 ， 确 定毛坯 展开 外 形及 尺寸 ， 计 算 应变 分布 ， 在计 算机 中模拟 汽车 覆 盖 件冲压 ， 并预报 冲压过程 中 ， 材料流 动轨迹 即流线 ， 促 进 汽车 覆盖件 冲模设计 、 制 造 及调 整 的科 学化和高效化 。 ⑤⑥ 图 系统运 行流 程 图 结 论 建立 了汇 场理论 支持系统 ， 它 包含 控制 程 序和简化的 模 型库 、 方法库及数据库 。 利 用 建立 的汇场支持系统实现 了不 规 则压延 件的毛 坯 展 开计算 、 应变分布预报 、 流 线 预报及冲 压 过程仿 真 。 为汽车 覆盖件毛坯展开 、 应变分 布预报 、 流线 预 报及冲压过程仿真奠定了软 件基础 。 致 谢 － 本 工 作得 到 了二汽计 算机 处的 有关领导 和朋友 们 的大力帮助 和支持 ， 谨致以衷心 感谢 。 参 考 文 献 吕雪 山 ， 王 先进 北京 钢铁学院学报 专集 ， 吕雪 山 ， 王 先进 。 钢铁 ， 吕雪 山 北京 钢铁学院博士论文 ， 吕雪 山 ， 、、 ℃ 梁炳 文 。 吕雪 山 北京航空学院硕 士论 文 ， 五 。 吕雪 山 ， 王 先进 ， 吕雪 山 ， 赵辉 ， 王先进 北京 钢铁 学院 学 报 ， 。 ， ， 。 。 ， ， 。 ‘ 。 。 一 ， 胡 鞍钢 ， 马 正午 ， 全 国 系统科学 与控制 论 青年工作者会议论 文