免费论文：金属板料冲压模具型面及工艺设计计算机辅助系统的开发

近年来，随着有限元技术和计算机图形学理论的发展，CAE软件越来越多地被用来在金属板料冲压成形领域辅助新产品的设计和新工艺的校验，尤其在航空、电子仪器、汽车等工业部门的生产制造中更是获得了广泛的应用。与这类工业在模具设计中采用试错方式取得优化设计方案的传统工作模式不同，在CAE软件的辅助下技术人员可以在虚拟环境中全程模拟金属板料在模具压力下发生变形的过程。在这一环境中，产品的形状设计意图由CAD几何模型中的模具型面承载，而工艺条件则施加于有限元的计算模型。这样，初始的模具设计方案可以通过虚拟成形的结果进行评估，从而有可能将设计中存在的问题消弭于实物模具的加工之前。通过对模拟结果进行分析，原有设计方案的不足之处得以揭示，技术人员可以有针对性地对设计方案提出改进，便于进行新的模拟直至得到最终令人满意的解决方案。有时在这一过程中，技术人员还可借助CAPP软件寻求对设计过程的支持，进一步提高设计效率。上述过程的实施无疑降低了模具设计工作中的盲目性和对设计人员个人经验的依赖，带来生产时间和成本的锐减。在本论文中，将研究从零件的模型采用几何和网格技术创建模具型面的方法，详细介绍在以CAE分析为主要目的的模具型面设计里常用CAD功能的要求和实现，以及在此过程里融入基本的冲压工艺知识的方法。 作为进行模面设计工作的第一步，本文提出了一种在裁剪参数曲面模型上建立边界曲线之间简单的拓扑关系的方法，可以对通用CAD软件输出的IGES文件中的实体进行处理。借助依据这种方法建立的拓扑信息，零件模型的内部孔洞边界和最外围边界可以被很容易地检索出来。根据这些边界的情况，如果零件模型上存在孔洞，系统可以进行填充。从而得到一个表面光滑、连续的模型，此模型适用于后续的冲压成形模拟。 冲压方向的确定在冲压工艺设计中具有重要意义，经常需要在综合多个评价标准的基础上进行仔细调整。在本文中，实现了一种基于多目标优化算法的冲压方向优化方案。在这一方案的具体实施中，各评价函数值可直接从三维网格模型上计算得出，文中详细介绍了这些评价函数的计算方法。通过在程序中启动这一优化功能，零件模型的合理冲压方向可以自动确定。 为在模面设计中便利地生成工艺补充和压料面的模型，同时也为了在实际加工中改善零件的可成形性，零件模型的外边界经常需要进行光顺。这种光顺需要实现新边界生成和在新老边界之间构造新的添补面以补足二者之间的空隙。本文研究了新边界的生成算法，并且提出了一种在新老边界之间生成和原模型边界附近型面G1连续的添补面的算法。零件模型光顺之后，压料面的主要型面可以通过提取零件模型的形状特征方便地予以构造。 模具型面工程中的一个重要环节是工艺补充面的构造。本文研究了生成工艺补充面的两种不同方法：几何法和网格法。在几何法中，本文构造工艺补充组成曲面的基本思想是CAD里流行的蒙面法(lofting)；而在网格法中，则直接生成逼近工艺补充型面的网格单元。不同形式的工艺补充由它们的特征截面线予以区分，这些截面线在实际生成工艺补充模型时，无论采用几何法抑或网格法，都是可资利用的基本条件。采用这两种方法进行的工艺补充建模均以参数化设计方式进行，一旦模型的构造初步完成，用户还可以通过更改一系列关键参数自由地对其进行编辑。完善的工艺补充建模能力保证了复杂模具型面设计功能的实现。 使用压料面模型、工艺补充模型和零件模型，有限元模拟的计算模型可以自动生成。其中包括凸模、凹模、压边圈的模型以及板料的模型。计算模型的自动生成避免了网格单元选取、删除和修补的繁冗工作，大大缩短了进行数值模拟全过程所需的时间。 在实现软件中一些必要的建模功能时采用了若干常用的CAD算法，文中对此作了介绍。这些CAD算法是前人不懈探索的成果，本文对其介绍的重点侧重于其在模具型面设计系统中发挥作用的方式和场合。在专门介绍如何实现某种模具型面设计特定功能的各章节末尾，均给出了相应功能的应用实例；而在对整个系统的主要功能介绍完毕之后，还用一章的篇幅展示了这些功能在实践中的综合应用，本文所研制系统的稳定性与适应性可以通过这些应用实例得以体现。

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