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NUMISNUMISHEET 2025 系列连载 ① NUMISHEET 2025 工业基准的 CAD 处理过程从宝马提供的 STP 文件，到凸模、凹模、压边圈和修边线2026-09-18　系列①／共3篇　约10分钟一、官方数据包里有什么这一届 NUMISHEET 的两个基准题目里，跟 CAD 处理有关的是工业基准。题目由宝马提供，零件是B柱下接头的一个简化版本，材料1.4301不锈钢，料厚1.5mm。官方给参加者的东西不多，只有目标零件几何、材料数据、以及一条工艺链的验收标准。毛坯轮廓是给定的，材料数据也是给定的，工艺怎么排、工具面怎么画、毛坯怎么摆，全部由参加者自己决定。所以真正需要自己动手的部分，集中在两块：一是怎么把产品几何改造成仿真能用的工具体，二是怎么把官方给的试验数据翻译成求解器能读懂的材料卡片。这两件事听起来都不复杂，但笔者整理这一轮资料的时候发现，参加者之间拉开差距的地方基本都在这里，而不是在求解器里。笔者自己的体会是，冲压仿真里的返工，根子大多在几何准备阶段，输入的面不干净，求解器算得再准也没用。下面按实际操作顺序说明。三种几何格式，用途不一样官方数据包里包含STL、IGES、STEP三种格式，另外还给了一份没有做规则化处理的STL。笔者看到这份文件时的第一反应是，官方大概很清楚参加者会在几何上踩坑，所以把不同用途的格式都提前备好了。拿到STL之后，先用CAD打开看一眼。四个圆孔、侧壁过渡、两端翻边都在，整体形状和汽车B柱下接头基本一致。这里有一点要注意，截图里显示的是三角化之后的效果，但这只是显示方式，STL文件本身的底层数据就是三角面片，跟STEP的实体拓扑不是一回事。 由宝马提供的STP格式文件打开之后的原始形态。四个圆孔、侧壁过渡与两端翻边轮廓都完整保留，这是整条工艺链的输入起点，此时它还只是一个几何，不是工具面。从这个状态往下走，笔者习惯先确认三件事：这个几何对应的是工艺链的哪一个环节，是毛坯、成形中间态，还是成形加修边加回弹之后的最终态；曲面质量能不能支撑后面的操作，STL和STEP虽然都能打开，但内部可能有肉眼看不见的缝隙、重叠面、法向翻转，这些问题纯看的时候发现不了，一进接触计算就会暴露；哪些面是产品的功能面，哪些是可以让步甚至必须让掉的工艺面。第三件事看起来是设计问题，其实直接决定了后面回弹补偿有没有解。三种格式的用途不一样，不能混着用：格式 本质 用途 STL 三角面片，无拓扑 只用来做最后的偏差比对，量回弹之后的偏差 IGES 曲面片，可缝合 用来做曲面级的修改 STEP 带特征的实体 构建工具面、做工艺补充的主要来源 把STL直接丢进求解器当工具面是最容易犯的错。三角面片的法向和曲率都是离散的，做接触计算的时候会出现接触力震荡甚至穿透。笔者的做法是拿STEP重建曲面，只在最后做偏差评价的时候才用回STL。二、产品几何不能直接当工具面用上面那个零件，是成形加修边加回弹之后的形状，也就是整条工艺链的终点。要把它造出来，得从终点反推工具面，反推的第一步就是判断哪些面是功能面、哪些可以让。 最终产品3D（左）与由它反推出的下模面（右）。右侧的圆角和侧壁都做了工艺性调整，并不是直接照搬产品形状，目的是保证沿冲压方向能顺利脱模。反推的时候有三个约束，笔者认为这三条是必须守住的：冲压方向只能有一个。整条工艺链共用这一个主方向，所有侧面在这个方向上的拔模角必须为正；出现一个负角，后面做回弹补偿就变成无解的死结。圆角半径要和料厚挂钩。凹模圆角太小，减薄率会飙升甚至开裂；太大又压不住料，回弹量跟着变大。1.5mm料厚下，笔者一般不会让凹模圆角小于4到5倍料厚。产品边界外面要留工艺补充。因为修边线通常在回弹之后才切，产品轮廓之外必须有多余材料撑着，否则拉深不到位。还有一个坑值得单独说。按照几何直接补偿的时候，两侧对向的壁面很容易被压成负角，如果两面同时变成backdraft而且接近平行，就不存在任何一个倾倒方向能让两边同时脱模，几何补偿直接失效。这类问题必须在做工具面设计的时候就识别出来，等补偿迭代失败再回头改，代价很大。三、毛坯轮廓是给定的，重点是摆放和轧制方向这里要澄清一个容易想当然的地方：本次基准的毛坯轮廓是官方给定的，不需要参加者自己展开反算。数据包里提供了完整的毛坯定义，参加者要做的是在这个既定轮廓的基础上，决定怎么摆放、轧制方向怎么对。但是“给定”不等于“随便放”。摆放位置和轧制方向会同时影响三件事。 官方给定的毛坯轮廓与轧制方向（RD）标注。外围切角的轮廓为毛坯边界，中间橙色线框为产品轮廓，红色箭头为轧制方向，下方四个色环是不同位置应变路径的取样点。橙色线框与毛坯边界之间的区域，就是修边余量与工艺补充。成形性。板料的r值和屈服强度随轧制方向变化，同一种材料0°和90°方向的成形极限差别可能相当可观。图上专门标出轧制方向，就是要让参加者在排样的时候把它当成一个显式变量，而不是默认对齐长边。回弹。不同轧制方向的回弹量不一样，摆放角度选得不合适，可能出现四个角回弹量不一致的情况，补偿就很难收敛。材料利用率。这一项在工业基准里是明确的打分项，定义是零件重量除以毛坯重量。毛坯画得越大分数越低，画小了又可能拉裂或者修边后尺寸不够。官方给了轮廓，但是在既定轮廓下怎么摆放、要不要做双件拼合，仍然直接影响得分。图上四个色环标的是应变路径的取样位置。这几个点在后续仿真里要重点关注主/次应变轨迹，因为非比例加载下应变路径对成形极限的判定影响很大。这一块也是 NUMISHEET 2025 科学基准的核心关注点。四、用 IGES 做四套工具体几何确认没问题之后，就进入实际动手的环节，把产品几何改造成工艺需要的工具体。一条完整的冲压工艺链需要三套工具体加一条修边线：凸模、凹模、压边圈，以及修边线。笔者自己习惯用IGES做这一步。IGES是按曲面片组织数据的，适合对单个曲面做提取、偏移、重构造；STEP是带特征的实体，更完整但操作粒度粗。实际做法通常是从STP读产品实体取基准，转成IGES做曲面级修改，改完再合成回实体交给分析软件。两种格式配合用，不是二选一。凸模（Punch） 凸模。顶面为产品内腔的功能面，四周是一圈过渡圆角，左侧可见一处形状比较复杂的局部凹陷。底部平面为压边面的配合区。凸模决定零件内腔的形状，顶面直接沿用产品的内表面，四周做一整圈过渡圆角，底部留出压边面的配合区。图上左侧有一处形状比较复杂的局部凹陷，这块区域在后续要重点关注材料流入和开裂风险。建模要点如下：顶面取自产品内表面，但要预留回弹补偿量，不能一步做死；过渡圆角不能小于4到5倍料厚，本次料厚1.5mm，下限大概在6到7.5mm，圆角太小板料在拉深的时候会被剪薄甚至拉裂；面与面之间必须相切过渡，G1以上，切点位置如果有交线折角，材料流过时会产生局部应力集中，在仿真里表现为虚假的应变峰值。凹模（Die） 凹模。型腔内部沿产品外表面构造，四周为宽阔的压边面，可见清晰的圆角带与侧壁，型腔左侧有一处较深的局部特征。凹模包住零件的外表面，型面质量直接决定零件的外观面品质，这一张是本次工具体建模里最花功夫的。建模要点如下：凹模圆角是控制成形最关键的参数，它决定板料进入型腔时的弯曲刚度和流动阻力，半径大了压不住料、回弹增大，小了局部减薄剧烈；压边面要做平做大，图上四周的平台就是压边面，它和压边圈配合形成夹持，控制板料的流入量，压边面不平会导致压边力分布不均、进料量失控；型腔深度方向要预留修边间隙，产品边界之外的部分最后都要切掉，型腔侧壁要留足余量，避免修边刀口落到曲面过渡区上。压边圈（Holder） 压边圈。中间挖空的轮廓即为毛坯的外边界形状，四周宽大的平面为压边面，挖空的形状与官方给定的毛坯轮廓一致。压边圈的作用比较单纯，下表面和凹模压边面配合，把毛坯的边缘夹住，靠摩擦力控制材料流入型腔的速度。建模要点如下：内轮廓要和毛坯边界匹配，图上挖空的部分就是毛坯的轮廓形状，压边圈的内边缘靠这个轮廓卡住板料；压边面和凹模压边面必须完全贴合，两块面有干涉，仿真里会直接报接触穿透，有间隙则压边力传不到板料上；摩擦力不足以控制流入量的时候，要在压边面上加拉延筋，拉延筋在仿真里通常等效成附加的约束力或等效拉延阻力。修边线（Trim Line） 修边线。外侧多边形轮廓为毛坯边界，内侧带圆角的轮廓为产品最终边界，也就是修边线，四个小圆对应零件上的四个圆孔位置。工具体建好之后还要确定修边线，也就是成形完成之后，沿哪条线把多余的材料切掉。建模要点如下：修边线是产品边界，不是毛坯边界，两条轮廓之间的材料全部属于工艺废料，这部分材料在成形阶段必须存在，否则拉深不到位，但最终会被切掉；修边在回弹之后执行，会把已经成形的约束解除一部分，零件会再回弹一次，所以修边线的位置要结合回弹后的实际轮廓来定，不能只按产品理论边界画；孔要单独考虑，图上四个小圆是零件上的孔，成形后冲制还是成形前预开，工艺上区别很大，预开孔会在成形过程中被拉伸变形，一般只在非功能孔上采用。这一步有三个坑，都不会在CAD里报错，只有在求解阶段才暴露出来，返工成本很高。一是曲面不闭合，相邻曲面之间有肉眼看不见的缝隙，仿真时接触检测会失效；二是法向不统一，部分面法向翻转，接触方向判定错误，工具体会穿过板料；三是圆角过渡不相切，折角处产生虚假的应力集中，干扰对减薄率的判断。五、几何建模检查清单上面这套流程收尾的时候，笔者建议按下面这张表逐项过一遍，任何一项不过关都不要急着往下走。检查项 判定标准 几何状态确认 明确该几何对应工艺链的哪个阶段（毛坯/中间态/最终态） 曲面连续性 功能性曲面达到G1以上，A级面要求G2 曲面缝隙 相邻面之间无缝隙、无重叠，缝合后为封闭实体 法向一致性 所有面法向统一朝外，无翻转面 拔模角 沿唯一冲压方向，所有侧面拔模角为正 圆角半径 凸凹模圆角不小于4到5倍料厚 压边面贴合 凹模与压边圈的压边面完全贴合，无干涉、无间隙 毛坯与轧制方向 毛坯轮廓合模，轧制方向已显式设定 修边线定义 已明确产品边界与工艺废料区，孔的处理方式已确定 六、材料卡片不能跨软件照搬工具体建好之后的下一步，是把材料翻译成材料卡片。这一部分笔者打算放到下一篇系统展开，这里先点一句。主流商用冲压仿真软件对屈服准则和硬化准则的支持力度并不一致，同一份试验数据，在不同软件里能表达出的材料行为是有差别的。所以把A软件的材料卡直接搬到B软件里用，风险比较高，表面上参数都填进去了，实际表达的物理行为可能已经不一样。原因不复杂。材料卡片里是两条独立的曲线，屈服准则管各向异性的形状，硬化准则管加载历史的响应，回弹预测对两者的敏感度都很高。不同软件在这两条线上能支持的模型档次不同，有的软件把Hill48、Barlat89、BBC2005、Vegter都做成了可选模型，有的以Hill48和Barlat系列为主；硬化准则那边，有的只到各向同性硬化，有的支持随动硬化、混合硬化甚至Y-U这类循环塑性模型。还有一层更隐蔽的差异，即使模型同名，各家的实现方式也可能不同，参数定义、曲线外推策略、有没有应变率相关项，都可能不一样。钢铁企业给不同软件分别制作材料卡，而不是共用一套参数，这个细节很能说明问题。所以切换软件之前，笔者建议至少确认四件事：该软件支持哪些屈服准则，你的材料需要哪一档，两者是否匹配；硬化准则做到哪一档，有没有随动或者混合硬化；材料卡的实现细节是否一致，切换时要重新标定，不能照搬；手上的试验数据够不够支撑你要选的那个模型。七、下一篇的内容下一篇讲材料模型的建立，承接本篇的工业基准，用的就是那个零件的实际材料，1.4301不锈钢，料厚1.5mm。官方给的这份材料数据相当完整，正好是讲材料卡片怎么建的好例子：屈服准则用的是Yld2000-2d，属于高精度各向异性模型，八个各向异性系数加一个流动势指数，配套试验包括哑铃形试样拉伸（含每22.5°方向的r值）、smiley剪切试样、胀形试验（双轴屈服应力比）、圆盘压缩试验（双轴r值）这一整套；硬化曲线用Hockett-Sherby公式拟合，这是各向同性饱和型硬化，不含随动项，它跟回弹预测之间的关系，正是上面提到的那个话题；弹性模量随塑性应变的衰减，官方给了循环加载下每个循环的割线模量，从约190GPa衰减到约174.5GPa，幅度约8%，这个数据用不用、怎么用，各家软件的处理方式不一致；成形极限曲线，由Nakajima试验按五种试样几何测得，判据是颈缩。除此之外还会讲各档次准则的完整清单、每一档需要什么试验数据、外推策略怎么影响结果，以及切换软件时需要逐项确认哪些事。本系列基于 NUMISHEET 2025（第十三届三维板料成形数值模拟国际会议，2025年7月7日至11日，德国慕尼黑，慕尼黑工业大学主办）的会议内容与公开基准资料整理，结合笔者实际工作过程中的几何与工具体模型说明。文中图片仅作方法说明。 来源：阿毅工作室