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李书涛硕士论文

摘要

板料成形是利用模具使板料发生塑性变形成壳体零件的技术。

板料成形有限元模拟为板料成形工艺设计和模具设计提供了科学的评价手段，通过对模拟结果的分析，提出合理的成形工艺方案，从而达到降低生产成本,提高生产效率的目的。

本文针对板料成形有限元模拟系统的开发需要，运用系统分析方法建立了模拟系统的框架。

板料成形有限元模拟系统分为四个子系统：

图形平台、前置处理、模拟计算和后置处理。

采用面向对象的分析和设计方法，本文对图形平台和后置处理子系统进行了详细分析和设计，建立了它们的面向对象的系统框架。

由于采用面向对象技术，设计出的系统具有很好的可维护性和可扩展性。

本文对板料成形有限元模拟后置处理中的一些关键技术进行了研究，提出了一些新算法。

其中，在等值线生成算法的研究中，提出了一种新的基于线性插值的等值线生成算法。

该算法实现简单、计算效率高、生成等值线质量高，具有很好的工程应用价值。

在该算法的基础之上，建立了基于区域填充的浓淡图生成算法，并成功应用于后置处理系统VFORM_POST的开发中。

目前，常见的有限元模拟系统都没有提供对成形工艺进行分析评价的功能，但是该功能又是很重要的。

本文对这一新功能进行了探索性的研究，建立了成形工艺分析的流程，对其中的关键性技术做了一定的探讨，得出一些初步的结论。

作者开发出一套板料成形有限元模拟后置处理系统VFORM_POST，通过一些实例的考核说明该系统是稳定的，基本满足工程应用的需要。

关键词：

板料成形有限元模拟后置处理系统面向对象

等值线成形工艺分析

Abstract

Sheetmetalformingisanimportantprocesswhichutilizesplasticpropertiesofmetalstotransformasheetmetalblankintoapartwithshellconfigurationbydies.Thefiniteelementsimulationofsheetformingcanprovidescientificevaluationoftheprocessdesignanddiedesigninsheetforming.Byanalyzingtheresultofsimulation,abetterblueprintofformingprocessisdesignedinordertoreducethecostandimproveproductionefficiency.

Towardtheneedofdevelopingasystemoffiniteelementsimulationofsheetforming,thispaperestablishestheframeworkofthesystembyusingthesystemsengineeringmethod.Thesystemoffiniteelementsimulationofsheetmetalformingincludesfoursubsystems:

graphicsplatform,pre-processor,simulationsolverandpost-processor.Accordingtheobject-orientedanalysisanddesignmethod,theobject-orientedframeworksofgraphicsplatformandpost-processerareestablished.Asaresult,thedesignedsystemismoremaintainableandextensible.

Thekeytechnologiesinthepost-processingsubsystemoffiniteelementsimulationofsheetformingarestudiedandsomenewalgorithmsareproposed.Duringtheresearchofthecontourcreatingarithmetic,anewcontourcreatingarithmeticbasedonlinearityinterpolationisproposed.Thisarithmeticcanfacilitatetheimplementation,improvethecomputationefficiency,generatehighqualitycontourandfittheengineeringapplication.Usingthecontourcreatingarithmetic,thealgorithmforcreatingshadedpicturebasedonareafillingisalsobuiltandsuccessfullyappliedinthedevelopmentofpost-processingsubsystemVFORM_POST.Nowthefiniteelementsimulationsystemscannotprovideacomprehensiveevaluationoftheavailabilityoftheformingprocess,butthisfunctionisveryimportant.Thispaperresearchesthenewfunctionandestablishestheanalysisflowforformingprocess.Thekeytechnologiesintheanalysisforformingprocessarediscussedandsomeelementaryresultsareachieved.

Apost-processingsystemoffiniteelementsimulationofsheetmetalformingnamedVFORM_POSTisdevelopedbytheauthor.Theapplicationinthepracticeshowedthatthesystemissteadyandmostlymeettheneedofengineering.

Keywords：

sheetmetalformingfiniteelementsimulationpost-processingsystemobject-orientedcontouranalysisofformingprocess

目录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

1绪论

1.1课题的来源、目的和意义

（1）

1.2当前国内外的研究现状

（2）

1.3系统开发的软件环境（4）

1.4本文的主要研究内容（5）

2系统总体分析与设计

2.1系统方法概述（6）

2.2板料成形有限元模拟系统分析（8）

2.3板料成形有限元模拟系统设计（11）

3图形平台和后置处理子系统的分析与设计

3.1面向对象方法简介（17）

3.2OpenGL简介（19）

3.3图形平台的分析与设计（23）

3.4后置处理子系统的分析与设计（27）

4后置处理子系统关键技术研究

4.1颜色映射算法（32）

4.2等值线生成算法（33）

4.3浓淡图生成算法（40）

4.4动画显示技术（43）

4.5成形极限图（44）

4.6成形工艺分析（46）

5后置处理子系统的应用实例

5.1方盒冲压成形的后置处理（53）

5.2S型轨冲压成形的后置处理（54）

5.3仿车门冲压成形的后置处理（55）

5.4汽车前照灯矩形反光镜的后置处理（55）

6全文总结与展望

6.1全文总结（57）

6.2研究展望（57）

致谢（59）

参考文献（60）

附录：

作者在攻读硕士学位期间发表论文（64）

1绪论

本章阐述了板料成形有限元模拟系统开发的课题来源、目的和意义，论述了板料成形有限元模拟的发展历史和当前国内外的研究现状，确定了系统开发的软件环境，并介绍了论文的主要内容。

1.1课题的来源、目的和意义

本课题为国家自然科学基金项目：

“基于晶体塑性理论的板材成形过程的计算机模拟”（批准号59875025）和教育部优秀年轻教师基金项目：

“冲压模具仿真设计的关键技术研究”的一部分,同时也是“十五”国家科技攻关计划“精密制造与数控关键技术研究和应用示范”的“智能化大型复杂模具设计、制造成套技术与装备的开发和应用示范”（项目编号为2001BA203B）第一期工作的一部分。

本文的目的是对板料成形有限元模拟的过程进行分析，建立起一个板料成形有限元模拟系统的框架，同时重点对有限元模拟后置处理中的一些关键技术进行研究，开发出一套实用的板料成形有限元后置处理系统。

板料成形具有效率高、性能好、材料省的特点，广泛应用于汽车、航天、造船、家电等工业领域，特别是在汽车工业中。

汽车工业是国民经济的支柱产业。

大型汽车覆盖件的冲压技术是汽车制造业的核心技术之一，一直是制约我国汽车工业发展的一个瓶颈环节。

虽然改革开放以来，我国已能生产奥迪，捷达，大众和富康等轿车，但生产这些轿车的覆盖件模具和冲压生产技术几乎全部依赖外国进口。

即使是我国自行开发的车型，特别是轻型车，大部分覆盖件模具和冲压生产技术也是进口的。

所以研究板料成形问题是非常必要的，具有广泛的应用价值和市场潜力。

一般的板料成形问题是高度几何非线性、材料非线性和状态非线性的力学问题，理论解析求解是十分困难的。

通常，对于复杂零件的成形工艺的制定和模具设计，主要依靠某些定性的理论分析和大量的经验数据，以及设计人员的经验和技巧。

随着科学技术的不断进步，特别是计算机技术的飞速发展，板料成形的计算机数值模拟终于找到了一种比较有效的方法，即有限元法。

有限元法在板料成形模拟中的应用，经过几十年的发展，已日渐成熟。

板料成形数值模拟为板料成形工艺提供了一种科学的分析方法，它能够在零件设计的初始阶段就对其可成形性进行有效的把握，并能够在模具制造之前就能对成形工艺参数进行合理的优化以确保产品的质量，减少试模、修模工作，降低生产成本，提高企业的模具开发效率和产品的市场竞争力。

为了将这一成果应用于实践，造福人类，开发实用的板料成形有限元模拟系统成为众多研究人员的目标。

华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室较早地开展了这方面的研究，但是由于客观条件的限制，没能很好地解决这个问题。

在已有的研究基础上，我们有必要利用新的技术，开发一套具有自主版权的板料成形有限元模拟系统。

现在的板成形有限元模拟系统尽管已经比较完善，有的已经商业化，但依然存在许多问题，比如回弹分析等。

如果我们拥有自己的系统，就可以很方便地做进一步的开发，不断地完善功能，在这一领域占有一席之地，打破国外软件的垄断，为中国的民族产业做一份贡献。

有限元分析过程一般分为三个阶段：

数据准备阶段、数据计算阶段、结果可视阶段，也就是通常所说的前置处理、模拟计算、后置处理。

后置处理是有限元分析的重要组成部分，对于有限元程序的推广和应用起着关键性的作用。

利用计算机和交互式图形显示技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应变、应力和温度的等值线图，以及随压力机行程变化使工件产生的位移、应变、应力和温度分布的动态显示图，将使有限元结果更加直接、明了地显示出来。

实践表明，一张显示图可以代替上千小时的人工判读，从而大大节省工作时间。

对于具有大量结果数据的有限元系统，能否清楚、明白、形象地说明分析结果将对系统的使用价值具有决定性的影响。

1.2当前国内外的研究现状

1.2.1板料成形有限元模拟软件的发展概况和预测

有限元模拟技术是随着有限元理论、计算机技术和板料成形技术的发展而不断发展的。

1967年，Marcal和King[1]首先提出了弹塑性有限元法。

1970年，Hibbit[2]等提出了建立在有限变形基础上的大变形有限元公式，采用Lagrange描述，根据虚功原理，导出了有限元的速率型刚度方程。

1978年，Wang和Budiansky[3]采用流动坐标中的有限变形公式推导出用于板料成形的薄壳有限元方程。

这样，有限元模拟技术开始真正地和板料成形结合起来了。

进入二十世纪八十年代以来，有限元模拟技术及其在板料成形模拟中的应用取得了很大进展，出现了许多有限元模拟软件，如：

已经成为商品化的数值模拟软件有PAM-STAMP、DYNAFORM、AutoForm、MARC、ABAQUS、OPTRIS、ANSYS等。

这些软件绝大部分都具有完整直观的前、后置处理系统,可以直观地在计算机屏幕上观察材料变形和流动的详细过程,了解材料的应力应变分布、料厚变化、破裂及皱曲的形成经过,获得成形所需载荷及零件成形后的回弹和残余应力分布。

这些有限元模拟软件大体上可分为两类：

一、大型通用非线性有限元模拟软件如：

MARC和ANSYS，二、小型专用板料成形有限元模拟软件，如：

DYNAFORM、AutoForm和PAM-STAMP。

前者一般都具有自己完善的几何造型系统，提供大量的单元类型，能解决各种类型的有限元模拟问题，功能非常强大。

但是它们的前置和后置处理不能解决板料成形过程模拟中的一些特定问题。

这样，对于某些特定的用户来说，可能花了大价钱，买回来一堆东西，学起来很困难，使用效果不好。

而后者虽没有很强的几何造型功能，但利用图形输入接口同样可以完成模型设计。

同时，这类专用软件一般都提供了很强大的前置和后置处理功能，使用很方便，工作效率高，价格也相对便宜。

所以，开发专用的板料成形有限元模拟软件具有很高的实用价值。

在国内，许多高校和研究机构也在做这方面的研究。

吉林大学、华中科技大学、湖南大学、上海交通大学、大连理工大学和北京航空航天大学等都作了一些研究。

其中，大连理工大学推出了一个有限元分析软件JIFEX，北京航天航空大学推出紫瑞CAE，两个系统都是应用于结构有限元分析的。

吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所研究出一套用于汽车覆盖件成形的模拟软件KMAS，其他单位也有自己的软件推出。

但是，当前这些软件都不够完善，通常是在别的造型系统上做的二次开发，具有依赖性，可移植性较差。

因此，影响了软件的实用性和商业化。

所以，增加系统的独立性，提高实用性将是我们今后研究的一个方面。

目前的有限元模拟系统：

对成形力这样与整体有关的量以及板材的整体形状大都可以准确的进行模拟,但像应变这样的局部量计算结果就相差很大；对加工成形有重要意义的成形极限和起皱分析仍处于探索阶段；接触和摩擦的处理是数值模拟的难点；计算结果既依赖程序本身，也依赖使用者。

以上这些都是需要继续探索和研究的。

此外，板料成形数值模拟软件今后应向智能化的方向发展。

智能化包括三个方面：

第一，网格划分的智能化。

网格划分质量对于有限元分析结果有很大影响。

智能化的网格划分应该能根据工件的具体形状采取合理的策略，使得网格质量最佳。

第二，有限元分析的智能化。

分析部分能根据具体问题采用最有效的有限元方法来保证计算的收敛性、高效性，和结果的准确性。

现在的显隐结合算法就是一种尝试[4]。

第三，后置处理的智能化。

后置处理可以根据分析结果对工艺方案、工艺参数以及零件设计提出改进意见。

1.2.2后置处理系统的发展概况和预测

有限元后置处理是研究有限元模拟结果可视化的问题。

早期的有限元分析没有后置处理功能，计算的结果靠人工分析。

这种方法费时、乏味，且很难发现其中的规律。

随着计算机图形学的发展以及计算机性能的提高，开始把有限元结果数据转化为图形来进行分析。

分析成形时所用的主要显示方法有：

变形图、应力应变等值线和浓淡图。

现在的有限元系统都有这样的后置处理功能，如AYNSYS、DYNAFORM,等。

后置处理具有显示、检查、调整、改善有限元分析结果的功能。

一个良好的有限元模拟程序，如果不能迅速准确地看到它的模拟结果，它的作用也是有限的。

因此，后置处理模块的研究就一直是众多研究人员研究的重点。

国外，已经有商品化的通用可视化系统，如美国Ohio州立大学的apE[5]，美国AVS公司的AVS[6]，SGI的Explorer[7]等。

在国内，可视化及后置处理的研究与国外的先进水平有很大的差距。

1992年，北京理工大学左正兴博士在微机上开发的有限元后置处理程序MSPLOT[9]，采用了交互式操作，可以显示二维及三维应力等值线。

1994年，丁永祥[10]等提出一种基于线性插值的等值线的快速生成算法。

范彦斌[11]对有限元后置处理进行了深入讨论，实现了浓淡图的绘制。

2000年，上海交通大学的谢春[12]等提出一种适用于任意单元的彩色云图扫描线算法。

苏海东开发出利用OpenGL[14]的有限元后置处理图形软件FEPS[13]。

现在，后置处理的一些基本算法已经有了。

但是如何改进这些算法，以实现快速、高效、准确的图形和动画显示仍是需要继续研究的。

同时，如何利用新的编程技术和计算机图形学知识提供更加方便直观的图形显示也是需要解决的。

此外，后置处理的智能化和成形极限图的自动化正处于探索之中。

1.3系统开发的软件环境

（1）操作系统：

Windows95/98/NT/2000

（2）图形平台：

SiliconGraphics为Windows开发的OpenGLAPI。

（3）开发工具：

MicrosoftVisualC++6.0,RationalRose2000EnterpriseEdition.

1.4本文的主要研究内容

板料成形有限元模拟过程是一个非常复杂的过程。

本文的任务是对板料成形有限元模拟过程进行分析，建立板料成形有限元模拟系统的框架，同时对后置处理系统进行研究，开发有限元后置处理系统。

本文的主要研究内容如下：

1）采用系统工程方法，对板料成形有限元模拟过程进行分析，建立板料成形有限元模拟系统的框架。

2）对图形平台和后置处理两个子系统进行分析，分别建立子系统的面向对象的系统模型。

3）对后置处理系统中一些关键技术进行研究，提出相关的解决方案。

其中包括：

颜色映射模型、等值线算法、浓淡图算法、成形极限图和成形工艺分析。

4）开发出一套板料成形有限元后置处理系统VFORM_POST，并通过一些实例对其进行了考核。

2系统总体分析与设计

面向对象的程序设计的关键内容是类、操作、关联、继承等的设计，而这些设计的动因来自于用户对程序的需求。

系统分析的主要工作是分析用户的需求，然后将这种需求转化为程序实现。

而系统的分析和设计是系统方法在信息系统开发中的具体应用，所以，在本章中，我们首先简要地介绍系统方法，然后采用系统思想对板料成形有限元模拟系统进行分析和设计。

2.1系统方法概述

系统工程方法（系统方法）[31]是研究系统的组织和发展，以及研究系统的创造合理化的技术。

系统工程属于方法论范畴，是观点、程序、手段和方法的总称。

系统工程有系统和工程两个方面，即它要从系统看工程，又要从工程看系统。

系统由若干具有独立功能的元素（或部件）组成，这些元素之间存在着密切的联系，通过这些联系来达到某种目的。

因此，任何系统的存在，都必须有三个条件：

机构、功能和目标。

机构指的是系统的组织结构；功能是做某项工作的能力；这些功能的总称是系统的目标。

有各种各样的系统，例如企业系统，宇宙系统等。

信息系统输入数据（信息的载体），经过加工处理后输出的是各种新的数据，这些数据表示了新的信息。

软件系统主要指以计算机进行信息处理为基础的人机系统：

系统具有边界，系统的组成部分确定了系统的边界，边界内称为系统，边界外称为环境。

在信息系统中，系统与环境之间有信息交流。

从环境中得到某些数据称系统的输入，向环境输送某些数据称系统的输出。

系统的概念也是相对的，许多小系统可以组成大系统，一个系统又可以再细分为一些小系统（称子系统），无论怎样分解或综合，所得到的部件都必须具备作为系统存在所必须的条件。

从系统看工程，指的是用系统的观点和方法解决工程问题，这里的工程可以是系统的组织建立、系统的经营管理或系统的更新改造。

所谓系统观点，就是在思考、研究和处理事物时，要有意识地把它看成一个系统，即明确要素，从系统相关角度分析它。

从工程看系统，指的是用工程方法去建造系统。

系统方法主要是系统分析和设计方法，其中包含系统模型与优化等。

工程方法是处理工程问题时的科学方法，包括构思（结构与原理）、原则（技术的、经济的和社会的等）、计算（对某些关键部分的原理性或整体输出）、试验（结构、材料与参数）和设计等几个环节。

以系统思想为指导，以系统方法和工程方法为工具，去建造人们所需的新系统或改造原有的旧系统，使之达到更加合理、更加完善和更加科学。

系统工程具有以下特征：

●以创造系统为目的。

●把研究和处理的事物看作一个系统、一个整体。

或者说，在认识系统时,要认识到所要处理事物的全部组成环节，以及这些环节相连结的部分的形式或特点，这也就是所谓的系统意识或观点。

●在把一个事物当作一个系统看待的指导思想下，就要找出这个系统或整体的合理组成部分，以及各组成部分之间的关系，通过建立这些组成部分及其合理关系来达到整体功能的要求。

●解决问题要有一个合理的步骤或程序。

系统不仅表现在整体协调关系上，还反映在事物处理的步骤上。

从某种意义上来讲，解决问题本身的程序也是一个系统。

一个系统，从其开始到成功地投入使用，要经过一个过程，这个过程的合理展开就是系统工程的程序和方法中所要讨论的内容。

系统工程基本方法是分析、评价和综合，如图2.1所示。

图2.1系统工程基本方法

系统分析是从系统长远需要和总体最优出发，在选定系统目标和准则的基础上，分析构成系统的各个层次子系统的功能和相互关系，以及系统同周围环境的相互影响。

简单说，对系统的分析包括：

．

●对系统的外界环境进行分析，即系统的目的分析。

这有两个内容；一是对系统的输出的分析，就是外界对系统的需求分析；二是对系统的输入分析，就是外界环境对系统的限制分析。

●对系统的内部进行分析，即系统的方案分析。

这也有两方面的内容：

一是系统实施方案的可行性分析；二是各实施方案的经济效益分析。

系统分析为系统设计所提供的成果是：

新系统或改建系统的必要性和可行性；系统的目标和系统的约束；新建或改建系统的框架结构和评价基础；几种有价值的可供进一步加工的系统方案等。

系统设计是在系统分析的基础上，运用系统思想，综合运用各学科的知识、技术和经验，通过总体研究和详细设计等环节，创造满足设计目标的人造系统。

软件系统的分析和设计的指导思想是系统方法。

当然，根据对软件系统中的组成元素的认识的不同，有不同的分析和设计方法。

结构化分析和设计方法从计算机角度考察系统的组成结构，将软件系统看成由各种处理（过程）所组成的一个系统，因此，这样的系统不便于用户理解。

面向对象方法学的基本出发点是尽量按照人们认识世界的方法来分析和解决问题，它将对象作为组成软件系统的最基本的元素。

在面向对象的方法学中，数据和相关的操作被归属于某一对象，该对象模拟着系统分析和设计中被研究的事物。

这样，一个组织良好的软件系统可当作外部世界某