車(chē)身設計與生產(chǎn)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(lái)源:有限元分析培訓中心

作者:美最時(shí)洋行技術(shù)出口有限公司 奚松山

對金屬板材沖壓成形進(jìn)行數值分析始于20世紀80年代末。由于在汽車(chē)制造領(lǐng)域,尤其是轎車(chē)制造領(lǐng)域,需要生產(chǎn)大量金屬板材沖壓件,因此,仿真模擬分析技術(shù)很快在這一領(lǐng)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(tài)隱式算法的快速求解器,將仿真分析時(shí)間從原來(lái)的幾天縮短到幾個(gè)小時(shí),從而在這一領(lǐng)域開(kāi)始真正實(shí)現了仿真模擬分析的工業(yè)化應用。

仿真模擬的發(fā)展

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展,如今,仿真模擬分析已經(jīng)在汽車(chē)車(chē)身沖壓件及沖壓模具的設計與制造領(lǐng)域普遍應用,并逐步成為行業(yè)標準流程中不可或缺的環(huán)節之一。

回顧過(guò)去近20年的歷史,仿真模擬分析技術(shù)在轎車(chē)車(chē)身沖壓件設計與生產(chǎn)中的應用可分為四個(gè)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(shí)的仿真分析軟件人工剖分網(wǎng)格非常復雜、耗時(shí),加之計算時(shí)間長(cháng)達數天甚至數周,因此,當時(shí)的應用主要局限于高校、科研院所及國外大型汽車(chē)制造商的研發(fā)部門(mén),并未真正實(shí)現工業(yè)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(dòng)網(wǎng)格剖分器及基于靜態(tài)隱式算法的快速求解器,將仿真分析時(shí)間從原來(lái)的幾天縮短到幾個(gè)小時(shí),從而實(shí)現了仿真模擬分析在這一領(lǐng)域真正的工業(yè)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(shí)間由幾周縮短到幾個(gè)小時(shí)。仿真模擬分析在這一領(lǐng)域的應用很快跨上了一個(gè)新的臺階,應用范圍也延伸到了沖壓件產(chǎn)品設計、工藝設計、沖壓 模具 設計、虛擬試模等工藝環(huán)節。

第四階段,2009年至今后。車(chē)身設計和生產(chǎn)進(jìn)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(lǐng)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(huì )(Numisheet 2008)上首次提出。

庫彼利博士認為,汽車(chē)(尤其是轎車(chē))車(chē)身沖壓件,從整車(chē)車(chē)身概念到?jīng)_壓件批量生產(chǎn)是由一條完整的工藝鏈組成的,這個(gè)工藝鏈主要包括(整車(chē))車(chē)身造型階段、產(chǎn)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(chē)身焊裝招投標)、工藝設計階段、模具設計與制造階段、工藝優(yōu)化/驗證及試模階段、批量生產(chǎn)階段。這個(gè)工藝鏈的各個(gè)環(huán)節緊密相關(guān)且相互影響,前道環(huán)節的方案質(zhì)量直接或間接地影響后續環(huán)節。

當然,一個(gè)理想的最佳工藝方案是由產(chǎn)品功能(產(chǎn)品幾何形狀、產(chǎn)品材料)、產(chǎn)品質(zhì)量(成形工藝性、匹配精度、表面質(zhì)量)、(綜合)成本(生產(chǎn)成本、材料成本、模具成本)、時(shí)間進(jìn)度(模具制造時(shí)間、生產(chǎn)爬坡時(shí)間)四大方面(十個(gè)因素)共同決定的,即一個(gè)理想的最佳工藝方案并不僅僅是一個(gè)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(gè)方面、各種因素的全面考慮和綜合均衡的方案(見(jiàn)圖1)。

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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(huán)節的相互影響,并綜合考慮,均衡上述影響工藝方案的各個(gè)方面,進(jìn)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(mǎn)足“車(chē)身沖壓件全面數字工程”的要求。

基于以上觀(guān)點(diǎn),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(jiàn)圖2),針對性地滿(mǎn)足轎車(chē)車(chē)身沖壓件“全程數字工程”的應用,著(zhù)力打造貫穿于金屬板材成形從產(chǎn)品概念到批量生產(chǎn)的完整工藝流程的智能化仿真分析解決方案。

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圖2 AutoForm plus R1的組成模塊

AutoFormPlus R1采用全新的求解器技術(shù),全面支持熱壓成形仿真分析,進(jìn)一步改善了 級進(jìn)模 成形仿真分析,靈活應用了很多新的成形技術(shù)和工藝模型,使得工藝模型高度接近實(shí)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(jìn)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(chē)身沖壓件的設計與生產(chǎn)全流程采用AutoForm仿真分析軟件,以實(shí)現金屬板材成形從產(chǎn)品概念到批量生產(chǎn)的完整工藝流程分析與優(yōu)化。

以下以三個(gè)典型車(chē)型的座椅支撐梁為例,來(lái)闡述基于“全程數字工程”的工藝方案確定。表1為三個(gè)車(chē)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

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首先采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-CostCalculatorTM(工藝規劃與成本分析模塊),進(jìn)行基于工藝特征的成本分析,三個(gè)車(chē)型的座椅支撐梁的模具成本分別為31.萬(wàn)歐元、61.7萬(wàn)歐元和30.2萬(wàn)歐元,按產(chǎn)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(shí)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(yōu)化分析模塊)進(jìn)行材料成本分析(結果見(jiàn)圖3),單件成本分別是1.85歐元、1.49歐元和0.96歐元。

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圖3 材料成本分析

產(chǎn)品工藝特征要全面均衡考慮產(chǎn)品功能、質(zhì)量、產(chǎn)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(jìn)行產(chǎn)品工藝特征分析,結果見(jiàn)表2。

表2 工藝特性分析

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接下來(lái),奧迪采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-DieAdvisorTM(模具材料與表面處理綜合分析模塊),進(jìn)行基于車(chē)型規劃特征與產(chǎn)品工藝特征的模具材料與表面處理分析(結果見(jiàn)圖4),并用AutoFormPlus的AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)分析產(chǎn)品成形的工藝性(見(jiàn)圖5),如成形缺陷、起皺、表面沖擊線(xiàn)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(yōu)化模塊)分析并補償回彈及分析工藝與生產(chǎn)穩定性(見(jiàn)圖6)。

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圖4 模具分析
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圖5 工件成形工藝性分析
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圖6 工藝優(yōu)化

在生產(chǎn)階段,對于生產(chǎn)設備(沖壓線(xiàn))的使用,單件成本的分析結果分別為1.01歐元、0.69歐元和0.60歐元(見(jiàn)圖7)。

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圖7 單件成本分析

基于以上數據,三種車(chē)型的座椅支撐梁的工藝分析綜合匯總結果見(jiàn)圖8?!叭虜底止こ獭钡膹姶蠊δ芗皟r(jià)值可見(jiàn)一斑。

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圖8 綜合分析結果

(end)


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