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大型薄壁网格筋壳片冲压拉伸的有限元模拟(2)

时间:2006/9/26 10:20:42

 


 


 



图4 网格筋壳片网格划分模型


 

    最早的金属板板料成形的数值模拟方法包括有限差分法,此方法仅限于解决诸如球形冲头胀形等轴对称问题。当前板材成形数值模拟采用的算法分别基于有限单元法和有限体积法,其算法核心以显式法、隐式法、一步成形法等为主流。基于动态显式算法的软件的出现标志着板材成形仿真实际应用的真正发展。与此同时,基于静态隐式增量法和一步法的算法与软件同步发展,为冲压成型过程模拟发挥了重要的作用。下面分别对这几种应用较多的算法进行简略介绍:


 

    (1)隐式算法:静态隐式算法也是解决金属成形问题的一种方法。在静态隐式算法中,在每一增量步内都需要对静态平衡方程迭代求解。理论上在这个算法中的增量步可以很大,但是实际运算中上要受到接触以及摩擦等条件的限制。随着单元数目的增加,计算时间几乎呈几何级数增加。由于需要矩阵求逆以及精确积分,对内存要求很高。隐式算法的不利方面还有收敛问题不容易得到解决以及当开始起皱失稳时,在分叉点处刚度矩阵出现奇异等。其中静态隐式算法多配合动态显式算法用于求解成型后的回弹分析。


 

    (2)显式算法:显式算法包括动态显式和静态显式算法。动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性。另外,动态显式算法采用动力学方程的中心差分格式,不用直接求解切线刚度,不需要进行平衡迭代,计算速度快,不存在收敛控制问题。该算法需要的内存也比隐式算法要少。数值计算过程可以很容易地进行并行计算,程序编制也相对简单。另外,它也有一些不利方面,比如显式算法要求质量矩阵为对角矩阵,而且只有在单元级计算尽可能少时速度优势才能发挥,因而往往采用减缩积分方法,这样容易激发沙漏模式,影响应力和应变的计算精度。静态显式法基于率形式的平衡方程组与欧拉前插公式,不需要迭代求解。由于平衡方程式仅在率形式上得到满足,所以得出的结果会慢慢偏离正确值。为了减少相关误差,必须在每步使用很小的增量,通常一个仿真过程多达几千步。由于不需要迭代,所以这种方法稳定性好,但效率较低。


 

    (3)一步成形法:一步法有限元方程利用虚功原理导出,其基本思想是采用反向模拟。将模拟计算按照与实际成型相反的顺序,从所期望的成型后的工件形状通过计算得出与此相对应的毛坯形状和有关工艺参数。板材成型过程的变形决定其有利于进行方向模拟。在冲压成型过程中,成型后的工件为一空间曲面,而板料毛坯为一平板。以板平面为XY坐标平面,整个成型过程中各质点的Z向位移是确定的。采用有限元计算求解时,节点未知量仅为X和Y方向的位移。板料成型的方向模拟多采用近似方法,假设变形过程为简单加载过程,用塑性变形的理论进行模拟分析。在分析的过程中以利用工件形状进行计算,用简化的方法而避免了非常麻烦的接触处理。一步法方向模拟要求输入的数据少,因此可以在概念及初期设计阶段就投入使用,可以预测毛坯形状,整个计算可以很快的求解出结果,因此可以反复调整参数进行计算模拟,对毛坯形状、压边力、拉延筋等进行优化。一步法在板料的冲压拉伸的变形模拟上应用非常广泛

二、基于显式法冲压成型模拟——Dynaform
 

    ETA DYNAFORM是由美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板成形模拟的专用软件包,可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间及试模周期,不但具有良好的易用性,而且包括大量的智能化自动工具,可方便地求解各类板成形问题。DYNAFORM可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹,评估板料的成形性能,从而为板成形工艺及模具设计提供帮助;DYNAFORM专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题;DYNAFORM包括板成形分析所需的与CAD软件的接口、前后处理、分析求解等所有功能。


 

    如下图所示,为在Dynaform环境中,对该网格筋壳片进行的冲压拉伸模拟,图中显示了对2mm厚的铝合金材料进行冲压拉伸成型后的厚度分布、成型极限图与成型区减薄分布。


 


 


 



图5 基于Dynaform网格筋壳片成型模拟


 

三、基于一步法冲压拉伸模拟——FastForm/Fastamp


 

    采用一步法为核心算法的冲压模拟软件最为代表性的是加拿大的FASTFORM Advanced,国内华中科技大学模具技术国家重点实验室开发的一步法模拟计算软件FASTAMP应用也比较成功。下文分别采用这两种软件包对网格筋壳片模拟进行简单介绍:


 

    4.1基于FASTFORM成型模拟


 

    FASTFORM是成形分析中的高端产品,是最具特色的成形分析软件,是基于有限元技术的钣金冲压成形专业数值模拟软件,工业界的多次实践证明应用FASTFORM进行分析只需要几分钟。借助于多种后置处理和可视化选项,软件提供了快速和精确的解算。FASTFORM是非常好用的钣金冲压件展开与模拟分析软件,用户不需要了解有限元或具有钣金成形经验。对简单或复杂的冲压零件计算展开形状,与其它通用的展开软件的区别表现在其可以对材料高度拉伸和变形以及直接折弯等进行计算。展开计算仅需几分钟,生成的结果可用于毛坯下料、模具设计、成本估算、快速报价以及零件排料等。


 

    FASTFORM即使是对于材料拉延非常大的零件也能非常精确预测其下料的形状。这个下料形状可以用于早期成本分析、零件排料、以及优化设计和减少模具试制等,下料形状也可以按IGES或Nastran格式输出以作为其它应用。自动网格圆滑缝接、辅助工艺补充面设计、压料圈生成和分析、自动成形条件(快速边界)、模拟焊接板料、自动计算出冲压力、主应变方位、高级回弹分析回弹几何形状可以用IGES/NASTRAN等格式输出。

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