1、模具动态仿真设计作业 模具动态仿真设计综述 姓 名： 学 号： 专 业： 任课老师： 年月日 1 模具模具是精密工具，形状复杂，承受坯料的胀力，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有较高要求，模具生产的发展水平是机械制造水平的重要标志之一。模具行业是一个融合多专业、多学科知识并为多种加工领域服务的工业行业，具有效率高、质量好、节约能源和原材料、成本低等一系列优点，模具已成为现代工业生产的重要手段和加工工艺，掌握模具技术已经至关重要。随着科学技术和社会经济的发展，产品的开发周期和产品的更新期逐渐缩短，模具的使用更加频繁并已渗入到各行各业，它在汽车、电器、通讯、电子及轻工等领域的应用
2、尤为广泛。作为一种产业，模具工业的发展与繁荣是现代工业技术发展的一个重要标志，多数工业产品的发展和技术水平的提高，在一定程度上取决于模具工业的发展水平，这一点在许多发达国家的工业史上已经得到了十分明确的体现。1.1 我国模具行业发展近10年来，我国模具行业一直以每年15的增长速度快速发展。十五期间，我国模具行业年增长速度达到20。2005年模具销售额达610亿元，同比增长25，排在世界第三位；模具出口大幅增长，表明模具水平和竞争力提高。据海关统计，2005年模具出口74亿美元，同比增长50以上；模具产品结构更趋高档，复杂、精密、长寿命的模具份额提高到30。目前，国内约有模具生产厂商3万余家，从
3、业人员有80多万人，全年模具产值达534亿元人民币。涌现出一批模具行业领头羊，如在汽车覆盖件领域的一汽模具，轮胎领域的巨轮模具，塑料模具领域的海尔，模块标准件领域的圣都等；不少地方出台了扶持当地模具行业发展的政策，如重庆、成都、苏州、大连等地都在建立模具工业园区，改善发展环境，完善模具生产的配套体系。中国经济的高速发展对模具行业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大了的动力。中国模具行业的发展在地域分布上存在不平衡性，东南沿海地区发展快于中西部地区。南方的发展快于北方。模具生产最集中的地区在珠江三角和长江三角地区，其模具产值约占全国产值的三分之二以上。广东是中国现在最主要的模具市场，而且还
4、是中国最大的模具出口与进口省。2004年，广东省模具业稳居全国模具行业的头把交椅，产值达185亿元，模具制造业产值和销售额约占全国的40以上。目前在全国排序前10名的企业中，广东占有5家，世界最大的模架供应商和亚洲最大的模具制造厂都在广东。深圳模具业发展迅猛，已具规模优势，年产值超过100亿元，占广东省模具业的近60，占全国模具业的近25，已成为国内模具制造中心。上海现有模具企业1500余家，从业人员7万多人，年产值近100亿元，年平均增长率超过20。到2010年总产值将达到200亿元左右。浙江省模具行业主要集中在宁波市和台州市，宁波市的宁海、余姚、慈溪及鄞州主要生产塑料模具，北仑以压铸模为主
5、，象山和舟山以铸造和冲压模具为主。台州市主要模具生产企业集中在黄岩和路桥，塑料模具占大多数。江苏苏州目前有各类模具厂1000多家，模具加工点1000多个，模具年销售额约50亿60亿元，模具业成为该市新兴工业之一。目前安徽省已有一批国内知名度较高的模具产品，如洗衣机和空调器大型腔注塑模、电冰箱吸塑发泡模、电机定转子叠片高速级进冲模等，有的市场占有率高达30以上。我国模具市场空间巨大。2006年国内汽车保持15的增速，销量将达640万辆，汽车零部件的市场比整车还大，为汽车零部件提供装备的模具行业高速发展显而易见。一个型号的汽车所需模具几千副。其中铸造模具数百套。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之
6、一，汽车工业重点是发展零部件、经济型轿车和重型汽车，汽车模具作为发展重点，已在汽车工业产业政策中得到了肯定。2005年信息产业实现销售收入34万亿元，同比增长27，手机、彩电、计算机等IT产品增速明显，IT模具仍将供不应求。另外，小家电、农用机械、食品机械、新型建材需求量大，因此相关模具行业也将快速发展。1.2 我国模具发展中存在的问题虽然中国模具工业在过去l0多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。如精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低，CADCAECAM技术的普及率不高，许多先进的模具技术应用还不够广泛等等。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在
7、明显差距，这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求，因而需要大量从国外进口。目前我国模具设计制造水平在总体上要比德、美等国家落后许多，也比韩国、新加坡等国落后。（1）产品质量不高 当前我国模具生产厂中多数是“大而全”、“小而全”，国外模具企业大多是“小而专”、“小而精”。国内模具总量中属大型、精密、复杂、高寿命模具的比例只有30左右，国外在50以上。国内模具生产厂家，工艺条件参差不齐，差距很大。现代模具工业早已走出以前手工制模的时代，进入了数字化时代，实现了无图化生产，通过电脑输入数据加工制作模具。我国不少厂家由于设备不配套很多工作依赖手工完成，严重影响了精度和质量。受售价限制，国产模具多采用
8、2Cr13和3Cr13材料，再作精密热处理，而国外则采用专用模具材料DINI、2316，其综合机械性能(耐磨、耐腐蚀)及抛光亮度均明显优于国产材料。这从根本上影响了国产模具的外观质量和使用寿命。（2）标准化水平不高目前，我国已有50多项模具标准共300多个标准号及汽车冲模零部件方面的l4种通用装置和244个品种，共363个标准。这些标准的制订和宣传贯彻，提高了中国模具标准化程度和水平。由于中国模具标准化工作起步较晚，模具标准件生产、销售、推广和应用工作也比较落后，因此，模具标准件品种规格少、供应不及时、配套性差等问题长期存在，从而使模具标准件使用覆盖率一直较低。近年来虽然由于外资企业的介入，比
9、例已有较大提高，但总的来说还很低。据初步估计，目前这一比例大致为4045。而国际上一般在70以上，其中中小模具在80以上。由于中国模具企业的性质和所在的地区不同，模具标准件使用覆盖率存在很大差异。三资企业要比其它企业高，南方的企业要比北方的高。（3）缺乏相关人才 当今世界正进行着新一轮的产业调整，一些模具制造逐渐向发展中国家转移，中国正成为世界模具大国，但我国模具行业人才紧缺成为一个迫在眉睫的问题。据劳动部门调查显示，目前企业对模具人才的需求越来越大，在北京、广东、浙江等地，模具设计人员、模具开发人员、模具维修人员等已成为人才市场最紧缺的人才之一。模具行业是一个需长期积累经验的行业，现在的年轻
10、人能坚持下来而有所成就的很少。由于最初的学习非常枯燥，因此许多初学者常半途而废。此外，我国传统教育方式对模具人才的培养存在不足。一些高校尽管在近几年内设立了模具专业，但由于受软硬件设施限制，培养出的学员实际技能不够。而社会上各种各样的模具培训班，由于缺乏规范的职业标准，因此学员质量良莠不齐。1.3 促进我国模具工业积极发展的建议我国“十二五”精冲模具的发展目标是面向国内精冲零件市场的需求，从连续精冲模设计制造人手，提升精冲模具行业规模，持续扩大制造能力，在提高复杂精冲模具自主开发能力、数字化精冲模具研究水平、精冲模具材料开发与合理应用以及精冲模具表面处理技术等方面取得明显进步，努力提高企业的精
11、冲模技术水平，缩小与国际先进水平的差距，国内精冲零件获得较广泛的应用。（1）促进产品结构调整 我国技术含量低的模具已供过于求，市场利润空间狭小；而技术含量较高的中、高档模具还远不能适应经济发展的需要，精密、复杂的冲压模具、轿车覆盖件模具等高档模具仍有很大发展空问。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。中国模具企业今后的发展方向，应该注重产品结构的调整和定位，进一步提升模具的制造技术水平，占领结构复杂、精密度高、技术含量高的高档模具市场。（2）加大设备和
12、高技术手段的投入目前国内市场中低档模具供过于求，但高档模具却供不应求。因此，要鼓励企业增加设备，特别是骨干企业要配齐从模具粗加工、热处理到各种精加工、光整加工、质量控制与检测等整套设备，一般企业要配备数控加工设备，实现模具制造的全自动加工。积极鼓励企业与大专院校进行技术合作，广泛采用计算机辅助技术、人工智能技术等进行设计决策、模拟分析和优化设计，增强企业技术创新能力。（3）积极开拓国外市场 澳大利亚近年来经济发展较快，而且今后几年还有继续增长的势头。但作为基础工业的模具制造业，尤其是冲压模具的制造能力赶不上经济发展的需要，为此急需从国外进口冲压模具制造技术和能力，而中国模具业在这方面恰好有较大
13、的优势，市场前景看好。中国冲压模具企业的技术装备水平高于澳大利亚。中国有完整的冲模设计制造技术人员和编程人员，有熟练的数控机床操作工人，钳工装配和模具调试人员，劳动工资水平低于澳洲。此外，还要推进模具企业的专业化分工，大力开展模具设计技术、制造工艺技术及其基础理论等研究和开发工作，自主创新，努力提高达到国际先进水平多工位与多功能冲模的比例(主要类型的级进模技术水平基本达到国际先进水平)和种类，为在下一个五年计划中我国多工位与多功能冲模的整体技术水平追上世界先进水平打好基础。1.4 未来模具的发展方向1.4.1模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化方向发展（1）模具软件功能集成化
14、模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益的目的。如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面/实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等。集成化程度较高的软件还包括：Pro/ENGINEER、UG和CATIA等。国内有上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统；北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件；吉林金网格模具工程
15、研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统等。（2）模具设计、分析及制造的三维化 传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。另外，Cimatran公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D专业注塑模设
16、计软件，可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公司的三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers已经受到用户广泛的好评和应用。国内有华中理工大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学的Z-mold软件。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。如Cimatron公司的注塑模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面，生成与制品相对应的型芯和型腔，实现模架零件的全相关，自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格，并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。（3）模具软件应用的网络化趋势 随着模具在企业竞争
17、、合作、生产和管理等方面的全球化、国际化，以及计算机软硬件技术的迅速发展，网络使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要，也有可能。美国在其21世纪制造企业战略中指出，到2006年要实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。1.4.2模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展（1）模具检测设备的日益精密、高效 精密、复杂、大型模具的发展，对检测设备的要求越来越高。现在精密模具的精度已达23m，目前国内厂家使用较多的有意大利、美国、日本等国的高精度三坐标测量机，并具有数字化扫描功能。如东风汽车模具厂不仅拥有意大利产3250mm3250mm三坐标测量机，还
18、拥有数码摄影光学扫描仪，率先在国内采用数码摄影、光学扫描作为空间三维信息的获得手段，从而实现了从测量实物建立数学模型输出工程图纸模具制造全过程，成功实现了逆向工程技术的开发和应用。这方面的设备还包括：英国雷尼绍公司第二代高速扫描仪(CYCLONSERIES2)可实现激光测头和接触式测头优势互补，激光扫描精度为0.05mm，接触式测头扫描精度达0.02mm。另外德国GOM公司的ATOS便携式扫描仪，日本罗兰公司的PIX-30、PIX-4台式扫描仪和英国泰勒霍普森公司的TALYSCAN150多传感三维扫描仪分别具有高速化、廉价化和功能复合化等特点。（2）数控电火花加工机床 日本沙迪克公司采用直线电
19、机伺服驱动的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驱动反应快、传动及定位精度高、热变形小等优点。瑞士夏米尔公司的NCEDM具有P-E3自适应控制、PCE能量控制及自动编程专家系统。另外有些EDM还采用了混粉加工工艺、微精加工脉冲电源及模糊控制(FC)等技术。（3）高速铣削机床(HSM)铣削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速铣削具有工件温升低、切削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高(为普通铣削加工的510倍)及可加工硬材料(60HRC)等诸多优点。因而在模具加工中日益受到重视。瑞士克朗公司UCP710型五轴联动加工中心，其机床定位精度可达8m，自制的具有矢量闭环控制电主轴，最大转速为
20、42000r/min。意大利RAMBAUDI公司的高速铣床，其加工范围达2500mm5000mm1800mm，转速达20500r/min，切削进给速度达20m/min。HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可达0.01mm。1.4.3快速经济制模技术 缩短产品开发周期是赢得市场竞争的有效手段之一。与传统模具加工技术相比，快速经济制模技术具有制模周期短、成本较低的特点，精度和寿命又能满足生产需求，是综合经济效益比较显著的模具制造技术，具体主要有以下一些技术：快速原型制造技术(RPM)。它包括激光立体光刻技术(SLA)；叠层轮廓制造技术(L
21、OM)；激光粉末选区烧结成形技术(SLS)；熔融沉积成形技术(FDM)和三维印刷成形技术(3D-P)等。 表面成形制模技术。它是指利用喷涂、电铸和化学腐蚀等新的工艺方法形成型腔表面及精细花纹的一种工艺技术。浇铸成形制模技术。主要有铋锡合金制模技术、锌基合金制模技术、树脂复合成形模具技术及硅橡胶制模技术等。冷挤压及超塑成形制模技术。无模多点成形技术。 KEVRON钢带冲裁落料制模技术。 模具毛坯快速制造技术。主要有干砂实型铸造、负压实型铸造、树脂砂实型铸造及失蜡精铸等技术。其他方面技术，如采用氮气弹簧压边、卸料、快速换模技术、冲压单元组合技术、刃口堆焊技术及实型铸造冲模刃口镶块技术等。1.4.4
22、模具工业新工艺、新理念和新模式逐步得到了认同在成形工艺方面，主要有冲压模具功能复合化、超塑性成形、塑性精密成形技术、塑料模气体辅助注射技术及热流道技术、高压注射成形技术等。另一方面，随着先进制造技术的不断发展和模具行业整体水平的提高，在模具行业出现了一些新的设计、生产、管理理念与模式。具体主要有：适应模具单件生产特点的柔性制造技术；创造最佳管理和效益的团队精神，精益生产；提高快速应变能力的并行工程、虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理；广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式；适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等。2 CAE技术2.1 概述 CAE指工程设计中的计算机辅助工程CA
23、E(Computer Aided Engineering)，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。 CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构
24、分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要环节。CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复
25、杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%45%用于模型的建立和数据输入，50%55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。针对这种情况，采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入
26、，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。 计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。因此，CAE系统是一
27、个包括了相关人员、技术、经营管理及信息流和物流的有机集成且优化运行的复杂的系统。 随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机图形学（Computer Graphics，CG）、计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）与计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技术得以十分迅猛的发展。CAD、CAM已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域中得到了广泛的应用，成为最具有生产潜力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的经济效益。计算机技术的迅速发展还推动了现代企业管理
28、的发展，企业管理借助于管理信息系统的支持与帮助，利用信息控制国民经济部门或企业的活动，做出科学的决策或调度，从而提高管理水平与效益。企业生产经营活动的各个环节，从工程的立项、签约、设计、施工（生产），一直到交工（交货），是一个连续的过程，有机的整体。2.2 CAE软件的结构与功能CAE软件的基本结构其中包含以下模块： 前处理模块-给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。 有限元分析模块-有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动
29、、线性与非线性解法库。大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。一般有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。后处理模块-有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。 用户界面模块、数据管理系统与数据库、专家系统、知识库。 CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料库所包括的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力越强。 一个CAE软件的计算效率
30、和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。 前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户需求，使通用软件专业化、属地化，并实现CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成分。它们是通过增设CAD软件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等软件的接口数据模块，实现了CAD/CAE的有效集成。 CAE通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析(线性、非线性、静态、动态);场分析(热场、电场、磁场等);频率响应和结构优
31、化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。 2.3 CAE技术的发展过程（1）在20世纪6070年代处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析。 （2）20世纪7080年代是CAE技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件，软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用以及磁盘空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。 （3）20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处
32、理能力方向发展。 目前，CAE软件系统的一个特点是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成零件或装配部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算或进行结构动力学、运动学等方面的计算，如果分析计算的结果不符合设计要求则重新修改造型和计算，直到满足要求为止，极大地提高了设计水平和效率。 2.4 CAE技术在模具制造中的应用 模具设计已经不仅仅停留在对外观和结构的设计上，它已经扩展到对模具结构分析的领域。对已经设计出的模具，运用CAE软件（尤其是有限元软件）对其进行强度、刚度、抗冲击试验模拟、跌落试验模拟、散热能力、疲劳和蠕变等分析。通过分析检验前面的模具结构设计是否合理，分析出结构不合理的原因和位置，然后在CAD软件中进行相应的修改，接着再在CAE软件中进行各种性能检测，最终确定满足要求的模具结构。 基于有限元分析软件的应用，关键是网格的
