冲压成形模具分析软件--KMAS

　　一个已掌握CAD、CAM技术的厂家，业加关心的则是冲压件能否成形，产品质量能否合格。由于冲压件几何形状的复杂性，对冲压成形过程中板材成形性难以估计，致使模具设计正确性往往不能预知。当问题在模具加工以后暴露出来，将给模具调试造成极大困难，甚至整个设计报废。

　　为了解决这个问地，吉林大学车身与摸具工程研究所自1985年以来，在冲压什成形件分析计算机仿真以及模具设计和制造方面进行了长期的、深入细致的基础理论研究工作。组织了来自汽车车身工程、工程力学、金属压力加工、材料科学、机械制造、计算数学和计算机等7个学科专业的30多名专家教授进行联合攻关。在数值弹塑性力学、超塑性损伤力学以及高分子材料力学等基础理论与数值模拟等进行了研究。提出了基于虚功率增率变分原理的适合于金属材料弹塑性人变形、大应变接触问题并且可引入速度敏感特性的半显式时间积分有限元方法和高应力精度的弹塑性杂交/混合有限单元法以及快速收敛的“拟割线模量法”；提出了塑性变形起始、后继各向异性演化、直至材料失稳与应变局部化分析全过程的“弹塑性有限变形拟流动理沦”和“拟流动角点理论”。该理论通过在弹塑性本构理论中引入模量衰减演化函数并修正流动法则中的尺度因子，实现了正交性法则本构理论向非正交塑性本构理论的合理的光滑过渡。从而首次将经典的 Prandtl-Reuss理论与近代非经典形变理沦有机地联系在一起，并可以成功地模拟韧性金属材料塑性变形从初始直更失稳、应变局部化与断裂伞过程。

　　与国外著名学者合作，提出了具有微观物理基础的适合于强织构薄板成形的而内各向异性屈服函数(B-T，屈服函数)，并独立提出了全空间各向同性屈服函数，进而利用这些屈服函数和可描述塑性诱导应变硬化和各向异性演化的拟流动角点本构理论，结合半显式有限元算法，模拟了强织构各向异性薄板拉伸变形局部化全过程；结合材料性能参数的标准化拉伸实验，从理论上推导出了双向钢材多阶段应变硬化流变应力与显微组织参数的解析表达式；给出了超塑性及韧性材料以及损伤材料的极限应变解析表达式；在完善Swift和Hill塑性失稳理论基础上，提出了更精细的金属薄板塑性失稳理论和成形极限图；提出了二维弹塑性大变形有限元全自动自适应网格剖分准则。在上述理论与方法研究基础上，经过近9年的艰苦努力，完全依靠自己的力量，独立开发出了覆盖件弹塑性大变形有限元仿真CAE商品化软件系统KMAS。KMAS系统包括模具曲面几何造型设计与CAD/CAE/CAM专用接口软件、网格自动生成器、基于标准化材料参数实验的材料数据库、前处理器、显式和芈显式时间积分弹塑性大变形、大应变板材成形有限元求解器和后处理器等模块。

　　KMAS技术就是在制造棋具之前，在计算机上模拟出冲压件在模具中成形的真实过程，向用户告知模具结构设计、工艺条件状况是否合理，并最终为用户提供出最佳的模具设计工艺方案，可靠性达到80％以上。从而将模具设计制造周期缩短2/5(相对于复杂模具而言)，并提高模具质量和产品合格率，进而可大幅度降低制造成本，增强产品的市场竞争山。

　　在板材冲压成形性分析方面，KMAS系统与市场上通用的CAD/CAM软件相互集成，实现了从模具设计、曲面造型、成形性分析直至模具NC加工轨迹形成的一体化。

　　以下是KMAS软件的几个应用实例：

　　1 CA488发动机油底壳深拉伸破裂与皱曲模拟分析

　　中国第一汽车集团公司的“小红旗”轿车发动机“CA488”抽底壳冲压件的变形特点是深拉伸开容易产生局部的起皱和破裂。一汽先后花费了约一年半的时间，研制出了需两次才能拉伸出来但在局部仍有皱纹的产品件，成品合格率约90%。研究所采用KMAS软件，综合其它高科技手段实现了一次拉伸油底壳的拉伸模模面(凸、凹模面)的设计、分析和加工制造任务(CAD/CAE/CAM一体化)。为降低厂家成本，经过大量的反复模拟计算和分析预测，在旧模具上加以改进，最后只用了10张毛坏便一次拉仲成功。

　　2 卫星通讯天线反射面冲压模

　　卫星发射天线反射镜面冲压是典型的浅拉伸，有拉伸回弹和切边等问题。由于反射镜面尺寸大、回弹规律复杂，具有相当大的技术难度。英格瑞德(北京)科技有限公司根据提供的产品图建立数学模型，由研究所通过计算机对此反射镜面进行两次回弹模拟仿真。最终实现从模具设计造型、成形性和回弹量分析直到生成模具曲面乃至整套模具设备加工刀具轨迹的CAD/CAE/CAM一体化。并且利用互联网直接进行数控加工 数据的网络传输，用户按照我公司提供的模具加工刀具轨迹曲线生产，将原计划约2年多才能完成的制模及试模周期缩短了一半以上，大大降低了生产周期和模具加工成本，为企业节省了大量资金。

　　3吉普车(挑战者)侧边框冲压过程模拟

　　北京吉普汽车有限公司欲推出自主开发的新一代越野车型BJ2(挑战者)，完成车身总体和零部件设计和试制验证后，准备开始进行车身饭金件拉伸模具设计等生产准备工作。为缩短模具调试周期，减少制模成本，需对BJ2成形难度大的冲压件预先进行冲压成形性CAE工艺分析和产品设计验证，以避免凭经验无法顶料的各种问题。对侧车门框本体、前地板和中柱加强板三个复杂件进行冲压成形性分析及工艺造型设计工作，采用定量校核方法达到工艺模具造型设计最优化。

　　4 轿车前悬架下摇臂成形模拟　　

　　该零件由上下两片分别冲压后，经机械手自动焊 合而成。制件经落料、成形、冲孔等五道工序制成。具冲 压工序实质上是一种自由弯曲变形，其外凸部分为收缩翻边，内凹部分为拉伸翻边过程，弯曲成形后制件立 壁同弹过大，致使上下两片组合后，由于贴合不好而缝隙过大，焊接不牢固而影响可靠性。通过采用KMAS软件系统进行计算对比，筛选出回弹量最小的成形方案及工艺措施，从而提高零件的焊接质量。

　　5 轿车后悬架弹簧支座冲压过程

　　该弹簧支座为左右对称件，制件原冲压工序共15道。首先经5道工序形成中心内径中∮27mm、高26mm凸台，然后经过单动拉伸成形总体轮廓形状。采用KMAS进行成形性分析后，使生产工序由原来的15道序减少到10道以下，提高了生产效率同时解决了制件后端工艺切口附近拉伸破裂的问题。

　　6 吉普车(挑战者)地板冲压过程

　　采用KMAS软件系统对地板冲压件拉伸成形过程进行数值模拟，将超设计范围变形、前端破裂、顶面皱曲等缺陷提前预示，对现有产品造型的工艺性进行校核、对其中工艺性不好的结构和尺寸提出修改意见，同时改进拉伸工艺结构和参数，给出最优工艺方案。将产品设计和工艺设计协调起来，从而缩短开发周期，提高产品质量。

　　7 地铁客车牵引架冲压过程

　　牵引加是行走系统中重要的受力部件，用8mm厚的钢板翻边而成。原工艺方案成形的制件在两圆弧拐角处存在严重的积料和裂纹，使制件的强度大打折扣，成为安全隐患。采用KMAS进行分析计算，很快得出最佳的坯料尺寸和工艺参数，在不改动模具所表况下消除了制件的积料和裂纹，产品质量和可靠性都大幅提高。

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