轨道车辆的结构件部分由压型件构成，压型件具有刚度大、表面平整、自重轻、美观、制造简单等优点，其成形质量好坏对列车的稳定性和安全性有很大的影响。压型件展开料的精确预示对控制零件的成形精度和制造成本有着重要意义，因此，在成形之前获得压型件毛坯的精确预示是保证成形质量的重要组成部分。
压型件毛坯展开时的分析参数以及毛坯材料和成形件模型的网格等都影响着毛坯预示结果的精确度，只有各种参数匹配适当时，才能得到精确的毛坯预示结果。
压型件初始毛坯预示的研究概况
在轨道车辆压型件毛坯展开方面，目前多采用经验法和实验修正相结合的方法获得毛坯展开的近似几何形状。
经验公式法是最传统的压型件展开技术，是工艺技术人员根据经验，从成形件的最终构形出发，利用简单的几何投影变化，根据面积不变的原理将最终构形分成若干利于投影的面，然后映射到水平面上。同时，经验公式法往往需要通过和试错法相结合，才能得到近似的毛坯形状，而且使用经验法对压型件毛坯预示存在着完全依靠工人经验、开发周期长和成本高等缺点。
随着计算机有限元技术的发展，一步逆成形的方法得到很大的发展。一步逆成形法利用有限元的思想，不仅考虑了变形前后的几何变化，还考虑了材料、载荷等成形过程中的工艺参数，通过简化等效的方法，使得一步逆成形所建立的模型更加贴近实际。
本文主要基于有限元数值模拟的一步逆成形展开方法，利用本单位现有三维软件二次开发完成对轨道车辆压型件毛坯的精确展开。
一步逆成形法的基本介绍
对于金属板料压型同时具有几何、材料和接触摩擦非线性的问题，一般需要用增量方法来求解。但是模具、毛坯和边界条件不确定时，变形过程的加载路径也是不确定的，增量方式就无法使用了。
此时如果假定成形过程是按比例加载的，仅仅考虑初始的毛坯和变形终了的状态，不考虑变形的中间状态，就形成了与传统增量法由坯料到冲压件相反的成形顺序，即由成形件逆成形方向反推到坯料的一步逆成形有限元法。
基本思路是：从产品的形状C 出发，将其作为变形终了时工作的中面，通过有限元法确定在满足一定的边界条件下工件中各个节点P 在初始平板毛坯C0 中的位置P0，比较平板毛坯和工件中节点的位置可得到工件中应变、应力和厚度的分布，见图1。
主要研究步骤
轨道车辆压型件毛坯快速预示方法步骤如图2 所示。
步骤一：根据压型件三维模型判断是否需要对压型件模型提取表面，如果压型件模型为有一定厚度的曲面，需要对压型件的模型抽取上表面或者下表面。
步骤二：设置板料厚度与板料材料属性，板料材料属性包括杨氏模量、泊松比、屈服强度、密度等对毛坯预示算法影响较大的基本属性。
步骤三：设置单元类型，单元大小，最小单元大小，弦高等参数，对压型件外表面或内表面模型进行网格划分，进行曲面离散工作，通过等距偏置算法获得零件的中性层网格。
步骤四：设定分析设置参数，包括压边力、最大迭代步数、摩擦系数等参数，然后将网格模型与分析参数提交到求解器，进行预示求解计算，生成预示的轮廓线的点的信息文件。
步骤五：在毛坯分析预示软件中依据毛坯外围节点的信息绘制样条线，显示毛坯预示边界线。
具体实施方式
本实例中压型件厚度为2mm，截面为帽形，弧度为R458mm，高约70mm，宽约94mm，压型件材料为Q345，弹性模量为204GPa，泊松比为0.332。压型件形状如图3 所示。
本实例压型件的快速预测方法，包括以下步骤。
步骤一：应用三维软件建立压型件三维模型，将三维模型导入到毛坯快速预示分析软件中，此压型件模型为有一定厚度的曲面，对压型件的模型提取外表面。
步骤二：设置压型件的材料参数及其厚度，本实施例的压型件厚度为2mm，材料为Q345 钢，弹性模量为204GPa，泊松比为0.332，密度为7830kg/m3，强化系数为794.33MPa，硬化指数为0.32，屈服强度340MPa 左右。
步骤三：本实例考虑到毛坯预测的精度以及毛坯预测的时长，设置压型件的网格尺寸为3mm，压型件网格为四边形与三角形混合网格，最小单元大小、弦高采用软件默认值，压型件网格模型参见图4，压型件模型网格总数为7663。本实例选用的模型为压型件的外表面模型，通过等距偏置算法获得零件的中性层网格。
步骤四：设定分析设置参数，包括压边力、最大迭代步数、摩擦系数等参数，然后将网格模型与分析参数提交到求解器，进行预示求解计算，生成预示的轮廓线的点的信息文件，本实例设置压边力为2000N，最大迭代步数为100 步，摩擦系数为0.175。
一个与结果接近的初始解可以保证计算收敛，提高计算效率，在此提出一种考虑变形过程的几何反向变形有限元法，即与成形过程相反的逆过程，不考虑材料塑性变形的因素，将网格节点根据变形过程一一映射在初始坯料上，形成初始坯料网格，将此坯料网格作为初始解进行有限元求解。
根据初始解网格，板料材料参数以及预设的压边力，得到每个网格节点的塑性应变和应力，计算得到作用在节点上的内力和外力。根据每个网格节点的外力以及预设的摩擦系数得到每个节点的摩擦力。根据虚功原理，建立初始毛坯网格所有节点内力、外力和摩擦力所做的功之和为0 的有限元平衡方程。
以预设的收敛准则求解有限元平衡方程，对初始解进行修正，得到最终考虑成形过程和材料参数的毛坯网格。
步骤五：有限元计算，显示毛坯预示边界线，毛坯边界线形状及部分尺寸参见图5。
与实际生产中该压型件的展开尺寸对比见图6，展开图与生产实际下料图形状基本一样，尺寸略有偏差，是由于实际生产中为了能更好的满足之后工序的组装而对下料尺寸和压型件成形后的尺寸进行了多次优化。
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