2.薄板冲压工艺与模具设计理论、计算方法和关键技术在汽车车身制造中的应用
薄板冲压技术在汽车、轻工、航空等领域应用广泛，特别是在车身覆盖件成形上，更是意义重大。薄板冲压过程包含以大位移、大变形为特征的几何非线性，以塑性变形为特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线性，其设计计算极其复杂。
经过对薄板冲压工艺与模具的设计理论、计算方法和关键技术深入和系统的研究，湖南大学以开发先进冲压CAE技术为突破口，强调CAD/CAE/CAM的系统集成，创建了一套从基础理论与方法到CAE冲压分析，到冲压工艺的实验研究，再到冲压工艺设计和模具设计制造的具有自主知识产权的系统技术与装备。该项研究成果的主要内容包括：
（1）提出了薄板冲压工艺过程设计和分析的具有创新内容的系统理论和方法。包括显式加载隐式卸载的混合计算方法、基于级域概念的冲压成型一体化算法、基于弹塑性理论的摩擦模型、显示仿真算法中接触力计算的质量密度因子法、三维应力状态板壳理论与混合单元理论、板壳的交叉降阶积分法、基于试验与仿真材料的参数反求理论、超大规模计算中的计算任务动态分配方法和多CPU间的定时通讯理论。
（2）冲压仿真CAE自动建模系统CADEMI在国内外最先利用模具表面NC数控轨迹数据作为网格生成的几何数据源，不仅可避免发生几何信息丢失与失真，而且建模效率可提高数倍至数十倍。实现结构化四边形网格自动优化，对常用汽车冲压件成型，在同样精度下可将仿真模型网格单元减少近20%～40%，有效减少了计算工作量。冲压仿真CAE系统CADEMII采用交叉降阶积分法，消除了国内外仿真算法常用的人为沙漏控制参数，从理论和算法上保证了冲压件大变形计算的可靠性。采用独特的基于虚拟接触块的一体化全自动接触搜寻法，局部质量密度因子法和非线性摩擦定律，使冲压计算中的接触边界条件计算不仅有理论上的重大创新，而且在保证精度的前提下提高了速度。
冲压并行仿真系统CADEMP采用基于最小边界的优化方法进行仿真模型的初始化分区，实现了不同CPU上的计算量平衡，以及CPU间通讯量的最小化。基于CAE的冲压工艺分析与设计系统CADEMIII在国内外最先采用壳体失稳理论预测冲压中的起皱趋势，从而消除有限元网格尺寸对起皱预测准确性的影响，显著提高起皱预测的可靠性。采用基于仿真的毛坯反算技术，实现复杂零件的毛坯形状和尺寸迭代反求。在国内外最先实现冲压成型参数反求与标准测试实时联机，计算出材料本构特性参数和摩擦特性参数。
（3）研究结果表明，仿真技术只有与试验技术有机结合才能产生最好效果。开发研制的冲压工艺综合试验技术与装备，实现了与仿真方法匹配的材料本构特性参数的获取、冲压件与模具间摩擦特性参数的获取、不同形状和尺寸的拉延筋的特性参数获取以及仿真考题的试验验证。
（4）为解决冲压工艺方案中常出现的起皱或拉裂等成型缺陷，除在压边圈的压料面上设置有传统的直线或环线拉延筋外，还在压边圈的压料面上创新性地设置有斜拉延筋。发明的斜拉延筋与传统拉延筋区别在于传统拉延筋主要提供板材在冲压中的具有被动性质的流动阻力，而斜拉延筋除提供流动阻力外，还可提供具有主动性质的引导材料流动的作用力，从而提高成品率和成品质量。
（5）该项目成果已在湖南大学汽车技术研究与开发中心、上汽五菱汽车股份有限公司等企业建立起应用示范点，选择企业最迫切需要解决的最有代表性的问题进行CAD/CAE/CAM一体化技术应用示范，从而促使该技术较快投入实际工程应用。
四、基于知识的材料成形过程模拟仿真
中国是仅次于美、日、德，居世界制造业的第四大国。材料成形加工业是制造业的重要组成部分，新一代材料加工技术也是先进制造技术的重要内容。随着计算机技术的发展，材料加工制造过程的模拟和仿真，已经成为新兴的交叉学科，它是除实验方法和理论方法以外的第3个解决材料成形加工的重要研究方法。
产品设计制造开发系统是以设计制造过程的建模为核心内容的，在产品零部件的设计过程中同时要进行影响产品和零部件性能的成形过程的建模及仿真。它不仅提供产品零部件的可制造性评估，而且可提供产品零部件的性能预测，注塑成形过程模拟、板料冲压成形模拟系统的应用很好地说明了这一优势。
在现有的研究中，基于CAE的成型工艺优化主要是采用数值分析的方法，但是由于成型工艺本身的特点，很难给出连续和规则的优化求解空间。并且，数值分析方法还存在计算量大、效率低、优化目标单一等缺点，这在很大程度上影响了CAE技术的普及。知识工程的方法和技术是解决数值分析固有不足的有效途径。20世纪90年代以来，知识工程的研究异常活跃，相关的方法与技术层出不穷，随着知识工程研究的深入与扩展，通过建立包括产生式规则、实例、样本等集成多知识表达方式的知识库和规则推理（RBR）、实例推理（CBR）、人工神经网络（ANN）等集成多处理方式的多智能主体，建立全面支持CAE应用过程的智能化系统，应用人工智能与专家系统技术，在数值分析结果的基本上自动对成型方案进行分析和评价，并提出方案的优化建议，是当前材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。
在模具CAD/CAM的基础上，结合人工智能技术深入应用材料成形CAE技术，是我国企业能够尽快地登上现代数字制造技术新台阶的捷径。
（编辑 箫）
