汽车覆盖件复杂模具的运动仿真

如今，我国汽车工业发展迅猛，每年有数十款新车型上市，汽车覆盖件模具的需求越来越大。

随着近年来精密加工设备在模具加工中的应用以及先进CAD/CAE/CAM技术的普及，我国的模具设计和制造水平有了突飞猛进的发展。为抢占市场，新车型的覆盖件轮廓和形状愈加复杂，而冲压模具的生产周期却要不断缩短，同时，汽车制造厂家为了满足快速生产制造的需求，大量引进高水平的自动化冲压生产线，或对现有的冲压线进行自动化改造，这些都对覆盖件冲压模具的设计和制造提出了更高的要求。

汽车覆盖件复杂模具仿真

为了适应汽车制造厂家不同生产线和实现汽车覆盖件冲压工艺的需求，在3D设计的支持下，汽车覆盖件模具结构变得越来越复杂。在复杂模具的设计、制造和调试时，工程师经常会遇到各种困难，如模具复杂机构的运动不协调、自动线冲压模具实体之间的干涉等，这使得模具的生产周期较以往大大延长，难以满足汽车制造厂家的需求。传统的模具设计都基于静态实体，很难考虑到复杂模具结构的运动状况。为了更好地减少复杂模具设计过程中的误失和自动线模具的干涉，提高3D实体设计水平，缩短模具设计制造周期，我们借助先进的CAE技术，应用MSC.ADAMS软件对复杂模具的运动全过程进行仿真分析，并依据仿真计算结果对模具结构进行优化，从而在设计阶段发现问题、解决问题，提高设计阶段的效率和准确性，最大限度地减少装配调试的时间和降低成本，缩短模具生产周期。

MSC.ADAMS是世界领先的机械系统运动学、动力学仿真分析软件。利用MSC.ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能，可以快速、方便地创建机械系统的几何模型。该模型可以是从其他CAD软件中转换过来的造型逼真的几何模型，然后在几何模型上施加力/力矩和运动激励，最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况，因此可以在很短的时间内完成建造和测试模具运动全过程的工作，直观分析各设计机构的运动情况，检查实体结构之间是否存在干涉，指导复杂模具结构的设计开发。

运动仿真实例

下面我们以两个应用MSC.ADAMS对复杂模具进行仿真分析的实例来说明MSC.ADAMS在生产过程中的价值。

1、合边模运动仿真分析

汽车覆盖件中最重要的是外板覆盖件，如左/右车门外板、发动机盖、翼子板等。外板与形状复杂的内板间通常是外板合边包裹住内板，图1是发动机盖内、外板合边的示意图。

图1 发动机盖内、外板合边示意图

合边需要经过预合边、合边两个阶段才能完成，其过程如图2所示。在生产厂家没有合边机的情况下，利用合边模来完成合边的两个阶段需要使用结构较为复杂的各种合边模机构。

图2 合边过程

图3为多种合边机构中的一种，其上驱动臂在合模过程中驱动转动臂，推动预合边镶块实现预合边过程，之后预合边镶块退回，合边镶块再完成合边过程。在整个合边过程中，为保证合边后制件的质量，预合边镶块需尽量同时触料，但由于空间有限，预合边镶块与合边镶块在运动过程中经常互相干涉。合边机构由四连杆机构组成，预合边镶块的运动轨迹为曲线，在静态实体设计中很难判断预合边镶块触料情况和镶块之间的干涉情况。

图3 合边机构

图4为图1所示的发动机盖内、外板的合边模，从装配图中可看出模具的结构较为复杂，装配繁琐，如果生产和调试过程中遇到上述问题，解决起来十分困难，并且需要花费大量时间进行调试。

图4 合边模

在设计阶段，我们利用MSC.ADAMS按照各机构的运动施加驱动和约束，对合边模的整个工作过程进行仿真，可以得到合边模工作运动全过程（如图5所示）。通过仿真结果，我们可以直观地观察到预合边镶块的触料情况、各机构之间的运动协调性和实体在运动过程中的干涉情况，及时发现各种问题，修改设计过程中的实体。加工时按照实体加工，装配调试即可保证合边模各种复杂机构运动的正确性，大量减少模具在车间装配调试所用的时间。

图5 合边模仿真

2、自动线模具仿真分析

汽车覆盖件自动线有多种形式，其中单压机多工位自动线的冲压频率高、结构紧凑、夹持机构按空间曲线运动，模具设计难度大、周期长。

自动冲压线运动规律需由客户按照压机给定，压机滑块在凸轮机驱动下作上下往复运动，凸轮转动一周，模具完成一次冲压成形。本例中压机运动曲线如图6 所示，夹持机构的运动曲线如图7 所示。

图6 压机运动规律曲线

图7 端持机构运动曲线

在MSC.ADAMS中建立冲压线仿真模型，关键要注意各运动部件运动规律的确定，这里我们根据客户的技术要求，使用step函数控制关键点位移描述运动轨迹曲线，此外还要准确定义工件约束关系和接触，实现夹持机构取件、送件过程。图8为在MSC.ADAMS中建立的自动冲压线仿真模型，模型部件采用刚体模型。

图8 自动冲压线MSC.ADAMS仿真模型

尽管自动冲压线中各机构形状和运动比较复杂，通过冲压线的过程仿真既可以直观地看到整个过程中的各部件位置关系，也可以输出干涉曲线，从而发现设计中可能存在的干涉现象，及时进行结构优化。如图9 所示，在对初始模型进行仿真的过程中，我们及时地发现了夹持机构退出时与斜楔机构驱动器有干涉，因此在设计中对端持机构以及斜楔机构进行了修改，避免了后序调试时产生干涉，大大降低了模具调试成本，缩短了生产周期。

图9 仿真中发现的局部干涉情况

分析与结论

借助先进的CAD和CAE技术，通过对汽车覆盖件复杂模具运动过程进行仿真分析，可以确保机构的运动协调，避免运动干涉现象，最大限度地减少由此类问题引发的模具成本增加等问题，提高复杂模具的设计水平，缩短模具的设计和装配调试周期。

综上所述，仿真技术在模具设计阶段的应用对模具企业提高模具设计水平和自主开发能力、参与高档模具和高端市场的竞争具有重要意义。