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摘要：歐、美、日等國(guó)家都開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)用的液壓成形設(shè)備。而我國(guó)在這一領(lǐng)域處于落后位置。在國(guó)內(nèi)沒(méi)有廠(chǎng)家能夠提供板材液壓成形的專(zhuān)用設(shè)備，此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍是空白。開(kāi)展板材液壓成形系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：板材液壓成形液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

1.液壓系統(tǒng)在成形工業(yè)中的應(yīng)用

液壓成形按成形方式可分為管道液壓成形和板材液壓成形，按有無(wú)模具分可分為有模液壓成形和無(wú)模液壓成形。而板材液壓成形是金屬塑性成形的一種新工藝，它采用液體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性凹模或凸模，使坯料在液體的高壓作用下貼合凸模或凹模表面成形。板材液壓成形能克服傳統(tǒng)剛性凸、凹模成形工藝的不足，具有制模簡(jiǎn)單、成本低、成形極限高、成形質(zhì)量好等特點(diǎn)，可在一道工序內(nèi)成形具有復(fù)雜形狀的零件，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑之一。

最早出現(xiàn)的板材液壓成形工藝是橡皮膜液壓成形，后又發(fā)展為充液拉延工藝（又稱(chēng)對(duì)向液壓拉延）。歐、美、日本等國(guó)家較早地開(kāi)展了工藝試驗(yàn)研究及設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作，隨后雖有一些工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例，但應(yīng)用范圍仍不廣。二十世紀(jì)70年代中期以后，日本學(xué)者對(duì)這項(xiàng)工藝進(jìn)行了較為細(xì)致的試驗(yàn)研究，提出了一些抑制破裂等成形缺陷的措施，使充液拉延工藝在日本進(jìn)入了實(shí)用階段，廣泛用于反光罩、航空部件及汽車(chē)覆蓋件的生產(chǎn)。充液拉延工藝在不斷發(fā)展中形成了多種新工藝。目前日本、德國(guó)、美國(guó)等對(duì)該技術(shù)做了大量研究，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、化工、機(jī)械、民用等領(lǐng)域。

（a）液體代替凹模（b）液體代替凸模

圖1-1板材液壓成形示意圖

板材液壓成形技術(shù)與普通成形技術(shù)相比主要具有以下特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)：

1)僅僅需要一套模具中的一半(凹模或凸模)，流體介質(zhì)取代凹模或凸模來(lái)傳遞載荷以實(shí)現(xiàn)板材成形，這樣不僅降低了模具成本，而且縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

2)提高產(chǎn)品質(zhì)量，顯著提高產(chǎn)品性能:質(zhì)量輕、剛度好、尺寸精度高、承載能力強(qiáng)、殘余應(yīng)力低、表面質(zhì)量?jī)?yōu)良。

3)可以成形復(fù)雜薄殼零件，減少中間工序，尤其適合一道工序內(nèi)成形具有復(fù)雜形狀的零件，甚至制造傳統(tǒng)加工方法無(wú)法成形的零件，材料利用率高。

4)通過(guò)液壓控制系統(tǒng)對(duì)流體介質(zhì)的控制，易于實(shí)現(xiàn)零件性能對(duì)成形工藝的要求，材料合理分配。

5)模具具有通用性，不同材質(zhì)、不同厚度的坯料可用一副模具成形。

目前，為了適應(yīng)生產(chǎn)需求，提高生產(chǎn)效率，歐、美、日等國(guó)家都開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)用的液壓成形設(shè)備。日本于90年代初期在豐田汽車(chē)廠(chǎng)建成以40MIA大型充液拉延設(shè)備為中心的沖壓自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。瑞典還開(kāi)發(fā)了配備在液壓機(jī)上的充液拉延裝置，該裝置具有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高壓液體的灌注、升壓、保壓、卸壓等要求，液體壓力可進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20MPa一120MPa。

目前在國(guó)內(nèi)沒(méi)有廠(chǎng)家能夠提供板材液壓成形的專(zhuān)用設(shè)備，此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍是空白。開(kāi)展板材液壓成形裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究，對(duì)增強(qiáng)我國(guó)裝備技術(shù)實(shí)力，提高我國(guó)的裝備制造水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在板材液壓成形裝備技術(shù)中，技術(shù)關(guān)鍵包括：

1）裝備的總體配置技術(shù)：包括機(jī)身結(jié)構(gòu)選擇（單柱、雙柱、四柱結(jié)構(gòu)、框架、鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)）、液壓系統(tǒng)配置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的配置等。

2）液壓增壓系統(tǒng)：包括增壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、密封、超高壓技術(shù)等。

3）工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制：包括材料性能參數(shù)、摩擦系數(shù)的在線(xiàn)辯識(shí)，壓邊力與成形液壓力的優(yōu)化控制等。

在液壓成型過(guò)程中，液壓系統(tǒng)的壓力設(shè)定、控制和密封對(duì)于板料成形的影響較大，而且各參數(shù)之間有很多組合，加上液壓系統(tǒng)在成形瞬間對(duì)模具的沖擊，振動(dòng)等對(duì)板料的成形也有很大的影響，因此對(duì)一種零件的板料成形，其各參數(shù)的確定都比較困難。目前為得到一種具體零件的液壓成形過(guò)程中液壓系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)定都采用反復(fù)試驗(yàn)的辦法，既繁瑣又不經(jīng)濟(jì)。采用malab/simulik軟件包分析一些主要的參數(shù)對(duì)板料成形性能的影響，可以在模擬之中得到液壓系統(tǒng)各參數(shù)變化對(duì)成形工藝的影響，并獲得所需參數(shù)。

板材成形數(shù)值模擬研究始于60年代對(duì)液壓元件和系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的研究和應(yīng)用已有三十年的歷史。隨著流體力學(xué)，現(xiàn)代控制理論，算法理論，可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，液壓仿真技術(shù)也日益成熟，越來(lái)越成為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的有力工具。

由于過(guò)去對(duì)動(dòng)態(tài)特性的分析缺乏較成熟的方法，所以設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)主要根據(jù)所要求的自動(dòng)工作循環(huán)及靜態(tài)性能。當(dāng)機(jī)器制造出來(lái)以后，如發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性達(dá)不到要求，則再進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，但也缺乏理論指導(dǎo)，因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不高、對(duì)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行數(shù)字仿真，可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)其動(dòng)態(tài)性能，經(jīng)過(guò)修改設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足對(duì)系統(tǒng)的全面要求。這樣可以大大提高設(shè)計(jì)效率和保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

對(duì)液壓系統(tǒng)的仿真可以使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)機(jī)器的性能，避免因重復(fù)試驗(yàn)及加工所帶來(lái)的昂貴費(fèi)用，可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高機(jī)器的整體性能。算法模塊作為輸入液壓系統(tǒng)的解算器，是整個(gè)仿真軟件的核心。

在液壓系統(tǒng)建模和仿真過(guò)程中需要多次調(diào)節(jié)大量的參數(shù)，以達(dá)到要求的工作曲線(xiàn)。在目前面世的商業(yè)仿真軟件交互性均比較友好，使用時(shí)建立系統(tǒng)框架并不麻煩，而絕大多數(shù)時(shí)間都要花在參數(shù)的手工設(shè)定上。通過(guò)手工設(shè)定參數(shù)極大地受軟件使用者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)地制約，而且得到地結(jié)果往往不是最優(yōu)的。通常仿真只給出已有系統(tǒng)的響應(yīng)，為了尋求最優(yōu)解，需要另外安排一套尋優(yōu)機(jī)制，并使它與仿真模塊結(jié)合。在連續(xù)系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)化方面，現(xiàn)在己經(jīng)能做到由尋優(yōu)機(jī)制自動(dòng)修改系統(tǒng)參數(shù)，并啟動(dòng)仿真模塊，最終獲得最優(yōu)解，而在離散事件系統(tǒng)仿真中，這種機(jī)制還處于研究階段，比較有希望的方法是引入人工智能技術(shù)。本課題的一部分將著重于通過(guò)一定的尋優(yōu)算法，為仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定提供一組或幾組參考值，以縮短仿真周期。

2.國(guó)外仿真軟件的發(fā)展?fàn)顩r

70年代——1973年，第一個(gè)直接面向液壓技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)用液壓仿真軟件HYDSIM程序研制成功。它是由美國(guó)俄克拉何馬州立大學(xué)推出的。該軟件首次采用了液壓元件功率口模型方式進(jìn)行建模，并且所建模型可重復(fù)使用。1974年德國(guó)亞深工業(yè)大學(xué)開(kāi)始研制液壓系統(tǒng)仿真軟件包DSH該軟件建模具有面向原理圖建模(模型直觀(guān)和物理意義強(qiáng))，模型包含非線(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)。但有模型庫(kù)依靠人工管理，新元件描述繁瑣，并且對(duì)所有的容腔都取狀態(tài)變量加劇了狀態(tài)方程剛性，系統(tǒng)的階次不容易降低，以及系統(tǒng)描述文件需要人工編輯等不足。不久，英國(guó)巴斯大學(xué)也開(kāi)始研制液壓系統(tǒng)仿真軟件包HASP。它使用功率鍵合圖的建模方法，采用數(shù)學(xué)模型FORTRAN子程序自動(dòng)生成。面向鍵合圖物理機(jī)理清楚，但是鍵合圖不如原理圖直觀(guān)，用戶(hù)還需要學(xué)習(xí)鍵合圖方法，描述文件也需要人工編輯。另一頗具影響的仿真軟件是美國(guó)麥道公司推出的液壓仿真軟件包。

80年代——是西歐和美國(guó)在液壓仿真方面初顯成效的時(shí)代.一批液壓仿真軟件包相繼問(wèn)世。首先是德國(guó)的DSH軟件和英國(guó)的HASP軟件研制成功。1984年美國(guó)俄克拉何馬州立大學(xué)于又推出了PEERSIMo1986年芬蘭坦培爾工業(yè)大學(xué)推出了CATS工M.瑞典從1986年開(kāi)始研制歷時(shí)八、九年的開(kāi)發(fā)與完善.推出了HOSPSAN等等。這些軟件雖然各具特點(diǎn)，但從建模原理、程序結(jié)構(gòu)與功能上均未超出DSH與HASP的基本模式。

90年代——液壓系統(tǒng)仿真軟件又有了新的發(fā)展。1992年巴斯大學(xué)以全新面貌推出了NASP好的升級(jí)版BATH/FP。它追隨德國(guó)的DSH面向液壓原理圖的特點(diǎn)，并加入原理圖編輯模塊以及有一整套模型數(shù)據(jù)庫(kù)的管理功能.大大增加了友善性。在算法上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)選擇算法的積分器，基于XWINDOWS/UNIX環(huán)境的良好的用戶(hù)界面。但是，BATHFP仍末解決模型化簡(jiǎn)的問(wèn)題，算法的自適應(yīng)不夠，在微機(jī)上只有一個(gè)簡(jiǎn)化版，不利于推廣。1994年亞探工業(yè)大學(xué)出了DSH+的測(cè)試版軟件.從中可以看出來(lái)來(lái)的軟件概貌。DSH+對(duì)原來(lái)的DSH進(jìn)行了徹底的改造。保留了面向液壓原理圖、模型庫(kù)豐富的優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了人機(jī)交互功能。采用WINDOWS界面;并用C++語(yǔ)言對(duì)軟件進(jìn)行重寫(xiě)。新模型的輸入方式十分方便，模型庫(kù)擴(kuò)展了電子的和機(jī)械的元構(gòu)件，軟件在功能上有所擴(kuò)展，并保持在PC上運(yùn)行的方針。

3.國(guó)內(nèi)液壓仿真進(jìn)展

正是由于液壓系統(tǒng)動(dòng)計(jì)算機(jī)仿真軟件有如此重要的作用，世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家都積極投入研發(fā)，并都取得了較大成就，有一大批仿真軟件面世。我國(guó)在這方面的起步較晚，但是在我國(guó)科研人員的努力下，在液壓仿真領(lǐng)域的研究也取得了一定的成績(jī)。國(guó)內(nèi)不少高校和研究單位也從不同側(cè)面進(jìn)行了液壓仿真軟件的研究開(kāi)發(fā)。浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制實(shí)驗(yàn)室自一九八一年引進(jìn)了德國(guó)亞深工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)及控制研究所的液壓元件及系統(tǒng)仿真軟件DSH，對(duì)其進(jìn)行了消化和移植，90年代在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了SIMUL/ZD仿真軟件;北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等航空部院校八十年代對(duì)AFSS進(jìn)行了消化和移植，并將成果轉(zhuǎn)讓給航空部科研院所。上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了面向液壓系統(tǒng)原理的通用仿真軟件HYCAD。大連理工大學(xué)用鍵合圖法也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的仿真軟件。但是最近幾年，國(guó)內(nèi)的液壓仿真軟件的發(fā)展已經(jīng)落后于國(guó)外的發(fā)展，除了在模型庫(kù)及算法上的不足外，尤其明顯的是在用戶(hù)界面上的落后。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的液壓仿真軟件在圖形建模功能上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出了基于鍵合圖技術(shù)的液壓仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了面向液壓原理圖的可視化建模，該軟件在Windows環(huán)境下運(yùn)行，不需要其它軟件的額外支持。華中理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出了基于預(yù)建模方法的面向液壓原理圖的液壓仿真軟件CHISP，該軟件的圖形建模是基于A(yíng)utoCAD的圖形建模仿真軟件，但是由于基于A(yíng)utoCAD的圖形建模仿真軟件脫離不開(kāi)AutoCAD運(yùn)行，造成了對(duì)硬件設(shè)備，人員素質(zhì)，投資預(yù)算的額外要求。正是由于這一點(diǎn)，使得國(guó)內(nèi)液壓仿真軟件在生產(chǎn)實(shí)踐中的使用率不高，制約了我國(guó)液壓行業(yè)的發(fā)展。因此開(kāi)發(fā)一套基于Windows的獨(dú)立的可圖形建模的液壓仿真軟件己經(jīng)擁有迫切的要求。

液壓仿真是仿真技術(shù)在液壓技術(shù)領(lǐng)域的一種應(yīng)用，其起步雖然較晚，但是其在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)性能的改進(jìn)與提高確發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

4.結(jié)束語(yǔ)

在液壓成型過(guò)程中，液壓系統(tǒng)的壓力設(shè)定、控制和密封對(duì)于板料成形的影響較大，而且各參數(shù)之間有很多組合，加上液壓系統(tǒng)在成形瞬間對(duì)模具的沖擊，振動(dòng)等對(duì)板料的成形也有很大的影響，因此對(duì)一種零件的板料成形，其各參數(shù)的確定都比較困難。目前為得到一種具體零件的液壓成形過(guò)程中液壓系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)定都采用反復(fù)試驗(yàn)的辦法，既繁瑣又不經(jīng)濟(jì)。液壓系統(tǒng)的仿真可以使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)機(jī)器的性能，避免因重復(fù)試驗(yàn)及加工所帶來(lái)的昂貴費(fèi)用，可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高機(jī)器的整體性能。

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