摘 要：模具行業(yè)試國家工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)行業(yè)，各種先進(jìn)技術(shù)應(yīng)首先應(yīng)用于模具行業(yè)，CAD/CAE技術(shù)作為一項(xiàng)重要的技術(shù)手段，正越來越廣泛地在模具行業(yè)得以應(yīng)用。本文闡述了CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展歷程，以及在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析過程中的一般應(yīng)用形式，闡述了CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用中的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：模具設(shè)計(jì)；CAD；CAE

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會的高速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快。無論是工業(yè)產(chǎn)品還是家電產(chǎn)品，大多數(shù)應(yīng)用模具成型。因此，產(chǎn)品對模具的精度要求越來越高、越來越普及。由于模具是典型的技術(shù)密集型產(chǎn)品，為了表達(dá)清楚設(shè)計(jì)意圖，設(shè)計(jì)人員必須花費(fèi)大量的時(shí)間來繪制模架、頂桿、滑塊等結(jié)構(gòu)相對固定的零部件。目前，CAD/CAE的發(fā)展，為廣大模具設(shè)計(jì)人員提供了方便。特別是近幾年來，模具CAD/CAE技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 模具CAD/CAE的基本概念

CAD：（Computer Aided Design）是利用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析與技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱，是一項(xiàng)綜合性技術(shù)。

CAE：(Computer Aided Engineering)即計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，是以現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)仿真為手段的工程分析技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)模具優(yōu)化的主要支持模塊。對于模具CAE來講，目前局限于數(shù)值模擬方法，對未來模具的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。

2 CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展過程

2.1 CAD技術(shù)的發(fā)展過程

（1）20世紀(jì)50年代后期至70年代初期，此階段為初級階段——線框造型技術(shù)。
（2）20世紀(jì)70年代初期至80年代初，此階段是第一次CAD技術(shù)革命——曲面（表面）造型技術(shù)。
（3）20世紀(jì)80年代初期至80年代中期，此階段是第二次CAD技術(shù)革命——實(shí)體造型階段。
（4）20世紀(jì)80年代中期至90年代初期，此階段是第三次CAD技術(shù)革命——參數(shù)化技術(shù)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是用幾何約束、工程方程與關(guān)系來定義產(chǎn)品模型的形狀特征，也就是對零件上的各種特征施加各種約束形式，從而達(dá)到設(shè)計(jì)一組在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計(jì)方案。目前能處理的幾何約束類型基本上是組成產(chǎn)品形體的幾何實(shí)體公稱尺寸關(guān)系和尺寸之間的工程關(guān)系，故參數(shù)化技術(shù)又稱為尺寸驅(qū)動(dòng)幾何技術(shù)。

（5）20世紀(jì)90年代初期至今，此階段是第四次CAD技術(shù)革命——變量化技術(shù)。

變量化設(shè)計(jì)（Variational Design）是通過求解一組約束方程組，來確定產(chǎn)品的尺寸和形狀。約束方程組可以是幾何關(guān)系，也可以是工程計(jì)算條件。約束結(jié)果的修改受到約束方程驅(qū)動(dòng)。變量化技術(shù)既保持了參數(shù)化原有的優(yōu)點(diǎn)（如基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改等），同時(shí)又克服了它的許多不利之處（如解決實(shí)體曲面問題等）。應(yīng)用變量化技術(shù)具有代表性的軟件是SDRC/I-DEAS。

2.2 CAE技術(shù)的發(fā)展過程

（1）在20世紀(jì)60～70年代處于探索階段，有限元技術(shù)主要針對結(jié)構(gòu)分析問題進(jìn)行發(fā)展，以解決航空航天技術(shù)發(fā)展過程中遇到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及模擬實(shí)驗(yàn)和分析。
（2）20世紀(jì)70～80年代是CAE技術(shù)蓬勃發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了大量的機(jī)械軟件，軟機(jī)的開發(fā)主要集中在計(jì)算精度、硬件及速度平臺的匹配、計(jì)算機(jī)內(nèi)存的有效利用以及磁盤空間利用上，而且有限元分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)和場分析領(lǐng)域獲得了很大的成功。
（3）20世紀(jì)90年代CAE技術(shù)逐漸成熟壯大，軟件的發(fā)展向各CAD軟件的專用接口和增強(qiáng)軟件的前后置處理能力方向發(fā)展。
目前，CAE軟件系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成零件或裝配部件的造型設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算或進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等方面的計(jì)算，如果分析計(jì)算的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新修改造型和計(jì)算，直到滿足要求為止，極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。

3 CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)是經(jīng)過概念設(shè)計(jì)—分析—樣品生產(chǎn)—分析—設(shè)計(jì)—分析—生產(chǎn)——這樣繁雜的過程后才最終確定那些復(fù)雜的模具原形。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，CAD/CAE技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，這種技術(shù)使得模具在進(jìn)行真是的生產(chǎn)（包括樣品生產(chǎn)）之前就已經(jīng)通過了計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行了精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析以及成形仿真過程。

3.1 CAD/CAE技術(shù)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用相應(yīng)的CAD軟件，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能、外觀和結(jié)構(gòu)要求，先設(shè)計(jì)草圖，然后生成相應(yīng)的實(shí)體，接著子裝配和總體裝配，仿真模具開模過程，檢查干涉情況，并進(jìn)行真實(shí)渲染。整個(gè)過程也可以從上到下進(jìn)行修改，每個(gè)過程的參數(shù)都可以改變，并可以設(shè)定參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性。

（1）草圖重建技術(shù)

草圖設(shè)計(jì)是整個(gè)模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。現(xiàn)在的草圖重建技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，這種技術(shù)是模具設(shè)計(jì)人員用二維和三維設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行三維建模的關(guān)鍵技術(shù)。這種技術(shù)能夠?qū)Σ輬D的各個(gè)尺寸和相關(guān)的約束進(jìn)行修改和重建。目前草圖重建技術(shù)已經(jīng)比較成熟，一些大型的CAD/CAE軟件系統(tǒng)如Pro/Engineer、UG等都提供草圖設(shè)計(jì)模塊。

（2）曲面特征設(shè)計(jì)

隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量和美觀性要求的不斷提高，又由于曲面特征具有的諸多有點(diǎn)，在產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)重，曲面特征設(shè)計(jì)成為模具設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。目前CAD業(yè)界涌現(xiàn)出一批像EDS的UG、PTC的Pro/Engineer等等一系列的優(yōu)秀的CAD軟件，它們的三維實(shí)體建模、參數(shù)建模及復(fù)合建模技術(shù)，實(shí)體與曲面相結(jié)合的造型方法，以及自由形式特征技術(shù)為模具設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。

（3）變量裝配設(shè)計(jì)技術(shù)

裝配設(shè)計(jì)建模的方法主要有自底向上、概念設(shè)計(jì)、自頂向下等三種方法。自底向上方法是先設(shè)計(jì)出詳細(xì)零件，再拼裝產(chǎn)品。而自頂向下是先有產(chǎn)品的整個(gè)外形和功能設(shè)想，再在整個(gè)外形里一級一級的劃分出產(chǎn)品的部件、子部件，一直到底層粗糙的零件。在模具中，由于有些模具的結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，在模具設(shè)計(jì)時(shí)只有采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，變量裝配設(shè)計(jì)才支持自頂向下的設(shè)計(jì)。

變量裝配設(shè)計(jì)把概念設(shè)計(jì)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)變量約束進(jìn)行記錄、表達(dá)、傳播和解決沖突，以滿足設(shè)計(jì)要求，使各階段設(shè)計(jì)（主要是零件設(shè)計(jì)）在產(chǎn)品功能和設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行，所有的工作都是在產(chǎn)品功能約束下進(jìn)行和完成。變量裝配技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)裝配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，所謂動(dòng)態(tài)裝配設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)變量約束、裝配約束驅(qū)動(dòng)下的一種可變的裝配設(shè)計(jì)。

（4）真實(shí)感技術(shù)

真實(shí)感技術(shù)是應(yīng)用CAD軟件本身具有的渲染技術(shù)，賦予已經(jīng)設(shè)計(jì)出來的模型諸如顏色和材質(zhì)屬性，在不同外部條件（如光線）下觀察模型的外觀是否達(dá)到原先所設(shè)想的美觀性要求。如AUTOCAD的“渲染”模塊和UG重的“VISUALIZATICN”子命令等

3.2 CAD/CAE技術(shù)和模具結(jié)構(gòu)分析

模具設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅停留在對外觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，它已經(jīng)擴(kuò)展到對模具結(jié)構(gòu)分析的領(lǐng)域。對已經(jīng)設(shè)計(jì)出的模具，運(yùn)用CAE軟件（尤其是有限元軟件）對其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、抗沖擊試驗(yàn)?zāi)M、跌落試驗(yàn)?zāi)M、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。通過分析檢驗(yàn)前面的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，分析出結(jié)構(gòu)不合理的原因和位置，然后在CAD軟件中進(jìn)行相應(yīng)的修改，接著再在CAE軟件中進(jìn)行各種性能檢測，最終確定滿足要求的模具結(jié)構(gòu)。

基于有限元分析軟件的應(yīng)用，關(guān)鍵是網(wǎng)格的劃分、模擬計(jì)算方法和成形接觸處理等。此外，提供給軟件進(jìn)行CAE分析的數(shù)據(jù)也尤為重要，生產(chǎn)條件、設(shè)備性能、產(chǎn)品要求、材料特性等都將給模具的CAE分析的準(zhǔn)確性帶來影響。

（1）強(qiáng)度和剛度分析

強(qiáng)度和剛度是模具設(shè)計(jì)中最重要的一項(xiàng)性能要求。運(yùn)用CAE技術(shù)，通過對模具施加約束和載荷等外部條件來模擬模具的真實(shí)應(yīng)用情況，分析模具的強(qiáng)度和剛度是否達(dá)到規(guī)定要求。模具CAE技術(shù)經(jīng)過短暫的時(shí)間已經(jīng)用在注塑模、壓鑄模、鍛模、擠壓模、沖壓模等模具的優(yōu)化，并在實(shí)際中指導(dǎo)生產(chǎn)。在工程實(shí)際中，一般應(yīng)用ANSYS、ALGOR、DEFORM等進(jìn)行分析計(jì)算。

（2）抗沖擊試驗(yàn)?zāi)M

CAE技術(shù)能夠用于分析隨時(shí)間變化的載荷如交變載荷、爆炸與沖擊載荷、隨機(jī)載荷和其它瞬態(tài)力等對結(jié)構(gòu)的影響。如CAE技術(shù)對瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析和隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行分析，為分析產(chǎn)品在特殊與惡劣的環(huán)境和工作條件下的物理響應(yīng)、可靠性與耐用性等提供了完整的評估與解決方案。

（3）跌落試驗(yàn)?zāi)M

CAE技術(shù)也可以用于分析結(jié)構(gòu)由于碰撞或跌落產(chǎn)生的力、變形、應(yīng)力、位移、振動(dòng)響應(yīng)、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、聯(lián)接設(shè)計(jì)，剛度性質(zhì)、抗沖擊性能、防爆性能及整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和完整性做出定量評估。

（4）散熱能力分析

現(xiàn)在的CAE技術(shù)可以模擬模具中的溫度分布，通過模擬大功率電子元件產(chǎn)生的能量以及通過傳導(dǎo)、對流和輻射散發(fā)出的熱量來確定模具的熱分布，然后再對各種材質(zhì)模具的散熱能力進(jìn)行初步分析。

（5）疲勞和蠕變分析

在模具設(shè)計(jì)中，對于那些可能在集中載荷、循環(huán)載荷和常值位移作用下的模具，或處于低溫或者高溫條件工作的模具產(chǎn)品，進(jìn)行初步的疲勞分析和蠕變分析是非常必要的，這種分析不需要考慮外部的每一個(gè)條件，但是這種分析的結(jié)果具有很大的參考價(jià)值，如果出現(xiàn)不合理的情況，就可以重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免后面不必要的設(shè)計(jì)和分析。例如：ANSYS專用的疲勞分析軟件模塊FE-SAFE就可以實(shí)現(xiàn)各種材料模式下進(jìn)行高低溫環(huán)境和長期載荷作用下的變形和失效問題的研究。

3.3 CAD/CAE技術(shù)和模具成形仿真

模具成形是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，有非常多的影響因素，因此對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具就需要進(jìn)行成形仿真，檢驗(yàn)前面所設(shè)計(jì)的模具在成形時(shí)的強(qiáng)度和剛度是否達(dá)到要求，只有滿足了成形要求，初步設(shè)計(jì)工作才最終完成。

（1）冷沖壓成形

冷沖壓模具主要用于金屬和非金屬材料的冷態(tài)成形。通過仿真，CAE技術(shù)可以檢測成形過程中模具材料的強(qiáng)度水平是否達(dá)到要求，熱處理是否發(fā)揮了模具的強(qiáng)韌性等。

（2）熱作成形

熱作模具用于高溫條件下的金屬或非金屬成形，模具是在高溫下承受交變應(yīng)力和沖擊力，工作成形溫度往往較高，對于金屬模具還要經(jīng)受高溫氧化及燒損，在強(qiáng)烈的水冷條件下經(jīng)受冷熱變化引起的熱沖擊作用。熱作模具作為熱加工的成形工具，被廣泛的應(yīng)用于各類壓鑄模、擠壓模、注塑模、熱壓模和鍛模中。

4 CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的發(fā)展方向

模具CAD/CAE技術(shù)在傳統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上還要不斷的適應(yīng)新的環(huán)境和新的挑戰(zhàn)，尋求新的發(fā)展。

（1）逐步提高CAD/CAE系統(tǒng)的智能化程度。人工智能是計(jì)算機(jī)的幾大功能之一，將人工智能引入CAD/CAE系統(tǒng)，使其具有專家的經(jīng)驗(yàn)和知識，具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和判斷的能力，從而達(dá)到設(shè)計(jì)自動(dòng)化的目的。目前提高智能化程度的路徑有兩條：一是繼續(xù)研究專家系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用；二是開展KBE（基于知識工程）技術(shù)的研究，主要是開發(fā)基于KBE的專用工具，如UGII中的KF（Knowledge Fusion）。

（2）研究模具的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，即沖模的沖壓過程與注射模的運(yùn)動(dòng)仿真。因?yàn)闆_模與注射模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在沖壓與注射過程中，一些模具零件的運(yùn)動(dòng)難免產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，特別是級進(jìn)模還可能存在條料運(yùn)動(dòng)與模具運(yùn)動(dòng)的干涉，而在設(shè)計(jì)中這些現(xiàn)象難以發(fā)現(xiàn)，故只有采用仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上顯示其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即時(shí)改正錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)，以避免生產(chǎn)中出現(xiàn)問題。

（3）協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計(jì)將成為模具設(shè)計(jì)的主要方向，制造業(yè)垂直整合的模式使得世界范圍內(nèi)的產(chǎn)品銷售、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)和模具制造分工更明確。模具企業(yè)間通過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異地協(xié)同設(shè)計(jì)和制造。根據(jù)企業(yè)自身的信息化程度和企業(yè)間合作的層次不同，采用的技術(shù)手段和方案有很大不同。

（4）模具CAD技術(shù)應(yīng)用的ASP模式，將成為發(fā)展方向。由于當(dāng)今模具行業(yè)已經(jīng)成為高新技術(shù)最密集的行業(yè)，任何企業(yè)都不可能擁有全部最新出現(xiàn)的技術(shù)，因此將出現(xiàn)CAD技術(shù)應(yīng)用的ASP模式，即產(chǎn)生各種專門技術(shù)的應(yīng)用服務(wù)單位，為模具行業(yè)的各個(gè)企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)包括逆向設(shè)計(jì)、快速原型制造、數(shù)控加工外包、模具設(shè)計(jì)、模具成型過程分析等諸多方面。

（5）基于網(wǎng)絡(luò)的模具CAD/CAE集成化系統(tǒng)將深入發(fā)展?，F(xiàn)代CAD/CAE系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從單機(jī)到局域網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，目前正在與企業(yè)的Intranet整合。在企業(yè)行為國際化的大潮下，在Intranet的大環(huán)境下建立CAD/CAE系統(tǒng)不久將成為現(xiàn)實(shí)。

模具CAD/CAE系統(tǒng)的高智能化程度也會大大提高。在智能化軟件的支持下，而今的模具CAD/CAE技術(shù)不再是對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法的模仿，而是再先進(jìn)設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下，充分運(yùn)用本領(lǐng)域?qū)＜业呢S富只是和成功經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)結(jié)果必然具有合理性和先進(jìn)性。

5 結(jié)論

隨著科技的不斷進(jìn)步，制造業(yè)正向數(shù)字化、全球化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，產(chǎn)品的生命周期越來越短，新產(chǎn)品的上市速度越來越快。模具是制造業(yè)的基本工藝設(shè)備，模具設(shè)計(jì)的、制造的效率對產(chǎn)品的開發(fā)效率有決定性影響。因此在模具設(shè)計(jì)的過程中，利用先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)省事、省力，而且最為重要的是保證了成型后制品的準(zhǔn)確性，減少了試模的次數(shù)，縮短了模具的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的周期。