随着CAE技术的发展及其在冲压工艺及模具设计中日益广泛的应用，使得冲压模具的设计开发周期大大缩短，减少了试模、修模工作量，提高了模具设计制造的一次成功率，因而在冲压工艺设计及冲压模具开发中，采用CAE技术对冲压方案及冲压工艺过程进行仿真以验证冲压工艺及模具设计方案，并进行成形质量的预测与评价，已成为必不可少的工艺环节之一。目前，可用于覆盖件冲压过程仿真的商品化CAE软件主要有DYNAFORM、DEFORM、AUTO-FORM、STAMPTM、PAM-STAMP及国产软件FAS-TAMP、CADEM、KMAS等，在具体使用过程中都不同程度的存在冲压成形效果不稳定的问题，主要体现在以下几个方面：(1)冲压成形效果对CAE分析人员技术水平的依赖性强；(2)工艺过程及工艺条件的建模及描述方式对冲压仿真效果影响较大；(3)对冲压仿真CAE软件理论基础的理解掌握及使用经验直接影响冲压仿真结果。作者以NUMISHEET05给出的Benchmark为研究对象，以专用板料冲压仿真软件DYNAFORM2.1为平台，分析研究了影响复杂覆盖件冲压仿真结果稳定性的主要影响因素，并提出了相应的解决办法，在促进CAE技术在复杂覆盖件冲压成形仿真中应用的同时，指出了CAE技术在未来发展中应该解决的一些技术问题。
1 冲压成形仿真稳定性评价体制的建立
根据冲压成形仿真分析中所出现稳定性问题的类型以及引起各类稳定性问题的主要因素，建立CAE仿真计算的稳定性评价体制如图1所示。
图1 冲压成形仿真的稳定性评价体制
可以看出，对CAE仿真计算稳定性的评价可以从计算效率、仿真结果及计算精度的稳定性三方面来评定；在板料成形CAE仿真分析中，影响各种稳定性的因素众多，而有的因素则会同时引起多种不稳定问题存在，因而造成了上述各类不同稳定性问题之间既相互独立又相互联系的复杂关系；另外，在计算机的硬件配置及有限元计算方法确定以后，对CAE仿真计算稳定性影响较大的因素基本都与所建立的仿真模型相关。因此，在对CAE技术进行理论研究的同时，探究CAE仿真计算稳定性的主要影响因素及影响趋势，并在多次仿真实践的基础上给出合理的经验值，对于提高CAE仿真分析的成功率和有效性、深入揭示CAE软件中存在的技术难题都具有至关重要的意义。
2 仿真模型建立过程中影响冲压仿真稳定性主要因素的分析
2.1有限单元属性对冲压仿真稳定性的影响
在冲压仿真模型的建立过程中，单元形状、单元尺寸、单元厚度、单元连续性及所使用的有限单元计算公式对冲压仿真的稳定性都有着决定性的影响。其中：
(1)单元形状一般以四边形单元和三角形壳体单元居多，且尽可能采用形状接近正方形的四边形单元，通过避免或减少畸变单元的存在而提高仿真分析的稳定性。
(2)单元最大、最小尺寸参数的确定，不仅直接影响到冲压仿真的效率，而且对冲压仿真的效果和仿真精度都有重要的影响。一般来讲，在对仿真计算的机时要求不是很高的情况下，应尽可能选择较小的最大、最小单元尺寸，且限定单元的最大边长比（element aspect ratio）不超过8，这对提高起皱、破裂等成形缺陷的预测精度都有重要贡献。
(3)单元厚度的选取（尤其是刚性工具如冲头、凹模、压边圈等）应与所定义的坯料厚度相适应，同时综合考虑工具型面有限元网格的最小单元尺寸，这是解决模型产生初始穿透的有效手段之一。
(4)单元不连续性（尤其是刚性工具有限元模型）会造成对相应部位破裂趋势的过高估计，显著降低了仿真分析的成功率。一般的解决办法是采用CAE软件中的“边界检查(Boundary Check)”功能，检查模型单元的连续性，对模型中的“细微裂缝”及“烂面”，采用“合并邻近节点”或“删除邻近不连续单元一重构连续单元”，最后再“删除所有自由节点”的办法进行“补面”。
(5)有限单元计算公式的选择主要影响CAE仿真计算效率和精度，一般在成形分析中推荐选用缺省的Belytschko-Lin-Tsay壳体单元，而如果成形后要进行回弹分析，则推荐将Lughes-Liu壳体单元用于成形和回弹分析。
2.2成形过程的正确描述对冲压仿真稳定性的影响
在复杂覆盖件的冲压成形仿真过程中，对不同冲压方案的定义及冲压过程的描述对仿真效果的稳定性也有着决定性的影响。主要体现在以下几个方面：
(1)冲压工序内容方面。冲压工序内容主要有冲裁、切边、弯曲成形、拉深成形、翻边、切边、回弹等，由于不同的工序所采用的仿真理论、模具型面结构及工具运动曲线各不相同，因而CAE仿真分析的结果也就截然不同。例如：圆形坯料的冲裁和圆筒形零件的拉深成形仿真、弓形零件的拉深成形与弯曲和翻边的仿真都可以采用同样的仿真模型，但所得仿真结果却存在很大差别。
(2)冲压类型方面。在拉延成形中，常用的拉延类型主要有正向拉深、反向拉深两种，对同一CAE仿真模型，采用不同的拉延类型时，各工具运动方向及它们之间的相互位置关系均不同，所得的仿真结果也不同。
(3)冲压过程的描述方面。板料冲压CAE技术中，冲压工艺方案的定义是通过刀具运动曲线的定义来实现的，对图2所示的反向拉深仿真模型，当定义刀具的运动曲线为：①“冲头固定一凹模向下运动至与压边圈间的最短距离等于坯料厚度（压紧坯料）一凹模与压边圈一起向下运动至冲压行程终了”；②“冲头固定一压边圈向上运动至与凹模间的最短距离等于坯料厚度（压紧坯料）一凹模与压边圈一起向下运动至冲压行程终了”时，后者显然比前者要耗费更多的机时，因而仿真效率较低。但有时变换冲压过程的描述方式，对于消除初始接触穿透却有着意想不到的效果。
2.3冲压仿真的工艺条件对冲压仿真稳定性的影响
板料成形CAE技术的一个主要功能就是对冲压工艺条件及模具结构尺寸的合理性进行验证，在这方面大多数商用CAE软件对压边力、拉延筋及摩擦力的作用效果都有很好的预测能力，而且冲压仿真速度对冲压仿真效率的影响也已得到证实，但以上各因素对冲压仿真效率及结果的影响都非常大。另外，接触模型及接触控制参数的定义，不仅影响到冲压仿真的精度，甚至决定着冲压仿真的成败。因而，建立考虑冲压仿真结果稳定性的拉延筋模型和接触摩擦模型是当前CAE技术中亟待解决的技术问题之一。
2.4坯料模型的定义对冲压仿真稳定性的影响
坯料模型主要包括坯料材料模型、坯料初始状态及对称坯料定义三方面的内容。其中：材料模型的选取是对冲压仿真成形的精度及效果都具有决定性影响的因素之一，应根据坯料的各项试验性能参数确定选取；坯料初始状态的含义主要是指未经预成形的平板坯料和经过预成形的坯料两种，由于所具有的初始应力、应变及接触状态不同，因而对成形仿真的效果影响也比较显著；而对称坯料的定义，一般按对称平面取整个坯料模型的一半或若干分之一进行建模，可以显著的提高仿真分析的效率，这一点对于对称的大型复杂覆盖件的冲压仿真尤其重要。
3 样例分析及结论
论文以NUMISHEET05国际会议Benchmark-Decklid为例，用专用板料冲压仿真软件DY-NAFORM 2.1对其冲压成形过程进行了仿真分析，所建立的仿真模型如图2所示。
图2 Decklid零件的冲压仿真模型
经过多次仿真试验，通过对上述影响冲压仿真计算稳定性因素的调整，采用的主要模型参数如下：
(1)网格单元定义。对模具型面进行网格划分时，最大、最小单元尺寸分别为10mm、0.5mm，并将单元的许可最大边长比（element aspect ratio）限定为8，单元类型采用默认的Belytschko-Lin-Tsay壳单元，壳体单元的厚度定义为lmm。
(2)冲压过程及工艺条件定义。采用反向拉深，刀具运动曲线为“冲头固定一凹模向下运动至与压边圈间的最短距离等于坯料厚度（压紧坯料）一凹模与压边圈一起向下运动至冲压行程终了”，采用无拉延筋的压料面模型，凹模及压边圈的运动曲线分别如图3、4所示。
图3 凹模运动曲线图
图4 压边圈运动曲线图
(3)坯料模型定义。采用经过预弯的坯料，并沿对称面取一半建立坯料模型；材料定义为AL6111_T4P，其各项性能参数见表1；坯料厚度为0.9mm；材料本构模型选用36号。
表l 坯料的材料性能参数
仿真计算过程历时17866s（即4h57min46s）。所得变形仿真结果如图5所示。图6所示为拉深变形的成形极限图，从图中可以看出：各主要成形区域受到充分拉深，且拉深效果较好，而图中I、Ⅱ、Ⅲ部位有轻微的起皱存在，Ⅳ、V为未受到充分拉深的区域，这与塑性变形理论及实验效果相吻合。
图5 Decklid零件的冲压成形仿真结果
图6 Decklid零件冲压仿真成形极限图
4 结束语
作者对NUMISHEET05给出的标准考题Decklid，以专用板料冲压仿真软件DYNAFORM为平台，分析了复杂覆盖件冲压仿真结果稳定性的主要影响因素，并建立了相应的冲压成形仿真结果的稳定性评价体制。通过样例零件的冲压仿真分析，指出了板料冲压仿真技术中，为了提高冲压仿真效率和结果的稳定性，需要进一步解决的关键技术问题，总结如下：
(1)单元形状、单元尺寸、单元厚度、单元连续性及所使用的有限单元计算公式对冲压仿真结果、效率和精度都具有很大的影响，有时甚至决定着冲压仿真的成败。因而研究面向冲压仿真稳定性的单元自适应网格划分技术、有限元模型定义与检查是CAE技术要解决的关键问题之一。
(2)在相同冲压工序内容及冲压类型的定义下，如何降低冲压过程的描述（刀具运动曲线的定义）对冲压成形效果稳定性的影响，以提高板料冲压CAE技术有效性和仿真精度，是板料冲压CAE技术要解决的另外一个问题。
(3)有关拉延筋模型、接触摩擦模型等对冲压仿真结果稳定性的影响，说明现代板料冲压仿真技术在该领域的研究仍面临非常艰巨的任务。
(4)坯料材料模型、初始状态及对称坯料的定义方式，对冲压仿真的效率和结果都有很大的影响，因而研究更为合理的新型材料模型、多工序冲压仿真模型仍是板料冲压CAE技术要研究的重要课题之一。
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