成形分析軟件算法優(yōu)缺點(diǎn)

1、有限元分析軟件算法采用的單元比較:1) 膜單元(membrance element):薄膜單元是型單元，梵構(gòu)造格試簡(jiǎn)單、對(duì)內(nèi)存要求小而曾經(jīng)倍受青睞, 許多學(xué)者如nm. wan56】、sc. tangle、r |f wagonerii9,5i等都曾用薄膜單元來分析沖圧成形問題。但是，薄膜單元忽略了彎曲效應(yīng)，考慮的內(nèi)力僅為沿薄売厚度均勻分布的平行于中面的應(yīng)力，忽略彎矩、扭矩和橫向剪切，認(rèn)為應(yīng)變沿厚度也是均勻分布的，因而只適用丁分析脹形等彎曲效應(yīng)不明顯的成形過程,而對(duì)彎曲效應(yīng)非常明顯的成形過程進(jìn)行分析時(shí)，采用薄膜單元所考慮的因素就明顯不足了釦。tang泗】還指出了薄膜單元應(yīng)用于車身覆蓋件沖壓成形仿真

2、分析的限制條件，即：模具的壓邊圈一周必須足平的，且沖壓深度很淺，這樣彎曲效應(yīng)可被忽略；采用薄膜單元無法預(yù)測(cè)波紋和起皺；無法分析回彈；在 某些情況卜求得的應(yīng)變可能很不準(zhǔn)確。wagoner給岀了在沖壓成形分析屮使用薄 膜單元的判據(jù)是心/>56(1-1)式中模具最小圓角半徑；t坯料厚度。因?yàn)楸∧だ碚摫旧硎嵌S理論，所以薄膜單元只適合于二維成形問題分析。2) 實(shí)體單元(solid element)：實(shí)體單元考慮了彎曲效應(yīng)和剪切效應(yīng)，而且也是型單元，其格式比薄勝單元還要簡(jiǎn)潔，所以許多學(xué)若曾用它進(jìn)行彎曲、拉深和液壓脹形等過程的分 析!琢人由于連續(xù)介質(zhì)理論是三維理論，所以實(shí)體單元能夠處理三維成形問題。

3、20世紀(jì)90平代中期，希臘學(xué)者a. g. mamalis等人采用實(shí)體單元，用ls« dyna3d軟i牛對(duì)熱浸鍍鋅板(hothipgakanised steel)和電鍍鋅板(electn>galvanised steel)的脹形和拉深問題進(jìn)行了仿真分析.并與試驗(yàn)結(jié)果做了比較，取得了一系列有意義的結(jié)果。盡管實(shí)體單元被不斷使用，但是許多研究者曲都同時(shí)指出，采用實(shí)體單元進(jìn)行沖壓成形問題的分析，計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，尤其是像處理車身覆蓋件沖壓成形這樣的復(fù)雜三維成形問題時(shí)，其效率過于低卜因此，除非板料厚度較大而必須使用實(shí)體單元外，在像覆蓋件這樣復(fù)雜零件的沖壓成形仿 真分析中一般不用實(shí)體單元“3)

4、殼單元(shell element):基于板殼理論的殼單元既能處理彎曲和剪切效應(yīng)，又不像實(shí)體單元那樣需要 很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，而仕板殼理論本身就是研究薄板三維變形行為的理論工具。因 此，在車身覆蓋件沖壓成形有限元仿真分析中常常采用殼取元。殼單元大致可以分為二類：一類是基于經(jīng)典kiirhhoft板殼理論的売單元; 另一類是基于mindlin理論的殼單尤。前者需要構(gòu)造c連續(xù)性的插值函數(shù)。我們 知逍，在二維問題中構(gòu)造c'連續(xù)性的插值函數(shù)已經(jīng)非常復(fù)雜，在三維問題中構(gòu) 造a連續(xù)性的插值函數(shù)是極其閑難的，構(gòu)造出的殼單元也是非常繁瑣、效率很 低的。由于這個(gè)原因，在沖壓成形有限元仿真分析中幾乎不采用基于k

5、irchhoff板 殼理論的c型殼單元?；趍indlin理論的殼單元采用位移和轉(zhuǎn)動(dòng)獨(dú)立插值的策略，從而將構(gòu)造c1連續(xù)性插值函數(shù)的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為構(gòu)造x連續(xù)性的插值函 數(shù)，使問題得到簡(jiǎn)化。此外，革于mindlin理論的殼單元族中包含著一類格式非 常簡(jiǎn)單、非常流行的從c0型實(shí)體單元蛻化來的蛻化殼單元。由于這些優(yōu)點(diǎn)，使 得基于mindlin理論的殼單元在沖圧成形有限元仿真研究中被廣泛使用。當(dāng)采用位移和轉(zhuǎn)動(dòng)獨(dú)立插值的基于mindlin理論的殼單元時(shí)，有限元系統(tǒng)的 系統(tǒng)剛度矩陣k可表示為彎曲應(yīng)變項(xiàng)對(duì)應(yīng)的剛度矩陣和剪切應(yīng)變項(xiàng)或薄膜應(yīng) 變項(xiàng)對(duì)應(yīng)的剛度矩陣k之和，即k = k“ks（1-2）當(dāng)采用全積分（fu

6、lly integration）時(shí)，不能保證瓦的奇異性，從而導(dǎo)致虎假 的剪切應(yīng)變能項(xiàng)或薄膜應(yīng)變能項(xiàng)，即發(fā)生所謂的剪切閉鎖或薄膜閉鎖（shear locking or membrane l（x:king）,嚴(yán)重影響計(jì)算的準(zhǔn)確度。許多學(xué)者對(duì)這一問題進(jìn)行 了研究，提出了降階積分（reduced integralion）方案來保證k,的奇異性，從而避 免了剪切閉鎖或薄脫閉鎖現(xiàn)象。但是，采用降階積分方案保證了人的奇異性, 同時(shí)町能會(huì)導(dǎo)致k的奇異性，從而導(dǎo)致“砂漏”（即零能模式）出現(xiàn)，產(chǎn)生虛假解。為了避免這種情況，必須進(jìn)行有效的砂漏控制。為此，以研究有限元分析中 的數(shù)值算法而聞名于世的mft的kj. ba

7、the教授風(fēng)提出假設(shè)應(yīng)變場(chǎng)（assumedstrain field）的方法；該方法既保證了禮的奇異性，又保證了 k的非奇異性，從 而有效地避免了各種閉鎖現(xiàn)象和砂漏現(xiàn)象。近年來，人們基于mindlin理論，采用各種有效方法避免閉鎖和砂漏現(xiàn)象, 開發(fā)了多種用于沖壓成形有限元仿真分析的c0型殼單元，belytscliko-ty殼單元 （簡(jiǎn)稱bt殼單元）就是其中計(jì)算幫度和效率郁很崗的一種。用bt殼單元來建立 覆蓋件沖壓成形中坯料的有限元模型是非常合適的，以上為分析算法中采用的膜單元、殼單元、實(shí)體單元的優(yōu)缺點(diǎn)比較。有限元分析軟件采用算法比較:1)靜態(tài)隱式算法(static implicit algori

8、thm):從上述三種求解格式的求解過程來看，靜力隱式格式在每一增雖步內(nèi)都要進(jìn) 行多次迭代，直至滿足收斂性條件后，再進(jìn)入下一增量步;一旦某一步收斂條件不 滿足，則將導(dǎo)致收斂性錯(cuò)課而停止運(yùn)算，得不到所需的解答。此外，由于在每一增 量步內(nèi)的每一次迭代中，都要構(gòu)造并計(jì)算新的剛度矩陣，因而當(dāng)模型較大、單元數(shù) 目較多時(shí)，靜力隱式格式的計(jì)算時(shí)間將相當(dāng)長(zhǎng)。起初人們都采用靜力隱式格式有限元來分析沖壓成形問題，因?yàn)楫?dāng)時(shí)分析的 都是簡(jiǎn)單幾何形狀模具下的成形,如軸對(duì)稱等二維問題，相應(yīng)的模型比較小，在這種情況下靜力隱式格式比動(dòng)力顯式格式的計(jì)算效率奇（因?yàn)閯?dòng)力顯式格式受戰(zhàn)小時(shí)間步長(zhǎng)的限制），而且由于接觸狀況等邊界條件都很

9、簡(jiǎn)單，收斂性條件很容易被滿足,所以靜力隱式格式右限元受到了普遍關(guān)注，得到了很大發(fā)展。當(dāng)人們把靜力隱式格式有限元應(yīng)用于分析覆蓋件沖壓成形問題時(shí),遇到了嚴(yán)重的計(jì)算效率和收斂性問題的“強(qiáng)烈”挑戰(zhàn)】，因此人們把s光轉(zhuǎn)向了顯式有限元。2)靜態(tài)顯式算法(dynamic explicit algorithm):靜力顯式格式冇限元把每一增量步限制得非常力、，而且認(rèn)為在每_增量步內(nèi)單元的彈塑性狀態(tài)和接觸狀態(tài)不發(fā)生改變，在每增量步內(nèi)不必經(jīng)過迭代，因而i免了收斂性問題。但是，與靜力隱式格式有限元相比,靜力顯式格式有限元的計(jì)算效率并沒有多大改善。 . 3）動(dòng)力顯式算法（dynamic explicit algorit

10、hm):動(dòng)力顯式格式有限元不必構(gòu)造和計(jì)算總體剛度矩陣,不必經(jīng)過迭代因而不存在收斂性何題也不必因求解大就繁瑣的線性化方程組而降低效率,所以它能夠雋效、穩(wěn)健地獲得一個(gè)解答。雖然動(dòng)力顯 式格式是條件穩(wěn)定的，受最小時(shí)間步氏的限 制，但卻可以利用這個(gè)最小時(shí)間步長(zhǎng)限制來 方便而冇效地處理接觸問題，因?yàn)閷?duì)于接觸而言，接觸狀態(tài)變化越小越容易處理力。動(dòng)力顯式格式有限元的這些優(yōu)勢(shì)尤其是在處理像車身覆蓋件的沖壓成形問題圖16 de和si計(jì)算效率的比較時(shí)表現(xiàn)得更為明顯。圖14反映了動(dòng)力顯式格式肴限元和靜力隱式格式有限元的計(jì)算時(shí)間開銷與分析模型大小的關(guān)系力用動(dòng)力顯式格式有限兀分析沖壓成形問題也存在著不足之處:第一，把作

11、為準(zhǔn) 靜力過程的沖壓成形問題處理成動(dòng)力過程，可能會(huì)引起解的精度偏差;第二，為了 提高計(jì)算效率，不彳。不提高凸模速度，即所謂速度放大假設(shè)(velocity amplification assumption), 這可能在某些悄況下造成不真實(shí)的解。但大量的研究同表明,在一般 情況下，用動(dòng)力顯式格式冇限元分析沖壓成形問題所獲得的結(jié)果是合理的。板金成形有限元分析軟件分類及比較:首先對(duì)這些軟件按彈塑性和剛塑性進(jìn)行分類，然后再按靜力隱式、靜力顯式 和動(dòng)力顯式進(jìn)行細(xì)分。分類時(shí)通過比較這些軟件參加numisheet93標(biāo)準(zhǔn)考題考 核的不同情況，從一個(gè)側(cè)面來反映這些軟件功能上的差異。在分類中，我們還列出了一些軟件

12、在汽車工業(yè)的主要用戶。分類情況見表12。«12用于沖壓成形仿ji分析的有限元軟件的分類軟件名開發(fā)單位發(fā)位別 開單國(guó)numisheet* 93 標(biāo)準(zhǔn)考題汽車工業(yè)的使用者方形盒轎車 前翼 子板2d 拉深剛塑 性靜力式shee1-3ohio州立大學(xué)類國(guó)smi-p2dcatalunya 大學(xué)西班牙m(xù)ip3dcatalunya 大學(xué)西班牙fdrmsys-sh eetkaist1*9曰cashekajst韓國(guó)求解格式名件軟發(fā)位別 開單國(guó)方形盒轎車 前翼 子板d深2拉靜力檢式國(guó) 黃safad-蘭 荷旦學(xué)大時(shí) 利 比5-i國(guó) 董目國(guó)b.國(guó) m目01en-brdllsaudi-國(guó)lr國(guó) 關(guān)sin存力址

13、式nli目本 日目ss一n本 h§-司 公國(guó) 美bm pais. e.國(guó) 法s3國(guó) 法一s動(dòng)力qus ab國(guó) 黃國(guó)s-gm顯式國(guó) 法i學(xué) 大h-牙 班 西s5 a t e.國(guó) 美uk-牙 班 西從中不難得出以下結(jié)論：在能夠?qū)嚿砀采w件沖壓成形過程進(jìn)行仿倉(cāng)的右 限元軟件中，大多數(shù)都采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，所以彈塑性有限元比剛塑性有限元 更適合于覆蓋件沖壓成形問題的分析；在能夠?qū)Ω采w件沖壓成形過程進(jìn)行仿真 的彈塑性有限元軟件中，大部分都采用顯式積分格式，因此.就覆蓋件沖壓成形 仿貞研究而言，顯式格式比隱式格式更有潛力；彈塑性動(dòng)力顯式格式的有限元軟件在汽乍工業(yè)倍受青睞，非常適合于車身覆蓋件沖壓

14、成形的仿真分析；沖壓 成形有限元仿真依然是工業(yè)化國(guó)家的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界非常重視的研究熱點(diǎn)，就研 究水平而言，這些工業(yè)化國(guó)家無疑處于領(lǐng)先地位.表中的軟件開發(fā)單位都是目前 國(guó)際上沖壓成形數(shù)值仿真研究中具有代表性的研究機(jī)構(gòu)。板料成形有限元仿真所面臨的問題：1 仿真建模的合理性和準(zhǔn)確性在車身覆蓋件沖壓成形仿貞研究中，建模過程包括兒何建模過程和有限元建 模過程。幾何建模過程是指由覆蓋件產(chǎn)品模熨建立相應(yīng)沖壓模具和坯料的三維兒何造 型的過程，包括凸模、凹模、壓邊圈、拉深筋各自合理而準(zhǔn)確的造型和它們與坯 料之間符合實(shí)際沖壓情況的合理的“裝配"。幾何建模必須根據(jù)覆蓋件產(chǎn)品模型 的不同表達(dá)方式來確定相應(yīng)的

15、獲得某步工序模具造型的技術(shù)方案；必須考慮合理 的型面表達(dá)方式；尤苴是要保證幾何模型的絕對(duì)準(zhǔn)確性，這一點(diǎn)至關(guān)重要，它是 保證仿真分析結(jié)果可靠性的第一前提。由于車身覆蓋件尺寸較大，形狀復(fù)雜，兒 何建模工作是一個(gè)難點(diǎn)，在已有的覆蓋件沖壓成形仿真研究中這是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)， 缺乏適合于覆蓋件及其模具的幾何建模方法學(xué)的研究。有限元建模過程是指選擇適當(dāng)?shù)膯卧獙?duì)幾何模型進(jìn)行離散化以獲得有限元網(wǎng) 格模型；以合理的方式獲得沖壓仿真分析中準(zhǔn)確的材料參數(shù)、摩擦潤(rùn)滑參數(shù)、工 藝條件和各種約束條件等，形成個(gè)可貢接用于仿真計(jì)算的完整有限元模型的過 程。已有的覆蓋件沖壓成形仿真研究工作中缺乏對(duì)有限元建模方法的研究，因而 所確定的

16、上述有關(guān)參數(shù)或條件常常是不真實(shí)的：要么是查標(biāo)準(zhǔn)，要么是主觀臆 斷，這都嚴(yán)重影響了仿真結(jié)果的可信度。2把簡(jiǎn)單板料成形問題的分析方法應(yīng)用到覆蓋件沖壓成形分析中的困難 正如nmwang、budiansky20-和m. j. saran'821指岀的那樣，在分析簡(jiǎn)單沖 壓成形問題中取得成功的方法不一定適合于分析覆蓋件的沖壓成形問題。薄膜理論、軸對(duì)稱理論等只能用于二維分析，不適合分析覆蓋件沖壓成形問題;式格式的有限元方法分析簡(jiǎn)單的沖壓成形問題時(shí)是有效的.而在分析像車身覆蓋件沖壓成形這樣復(fù)雜問題時(shí)卻遇到了收斂性問題和計(jì)算效率問題的挑戰(zhàn)。曲于覆蓋件沖壓成形問題的復(fù)雜性，必須考慮其成形特點(diǎn)，建立三維的

17、仿真分析方法。除了 上面提到的建模方法之外，還應(yīng)當(dāng)考慮壓邊圈成形、拉深筋的模擬和復(fù)雜的接觸 摩擦狀態(tài)的處理等問題。這些都是很具有挑戰(zhàn)性的工作。3材料屈服模型在覆蓋件沖壓成形研究中，一般把模貝處理為剛性材料，用其幾何型面來表 示。對(duì)于板料，應(yīng)當(dāng)選取什么樣的材料屈服模型呢？尤其是當(dāng)今汽車工業(yè)中，車 身用的新材料不斷出現(xiàn)，高強(qiáng)度鋼板、鋁合金板、鎂合金板c經(jīng)開始應(yīng)用于車身 沖壓，合理的屈服模型毫無疑問是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。4. 計(jì)算效率和讓算精度問題覆蓋件尺寸大.形狀復(fù)雜，建立的相應(yīng)計(jì)算模型也是很復(fù)雜很龐大的。因 此，在覆蓋件沖壓成形仿真研究中，必須考慮計(jì)算效率和計(jì)算準(zhǔn)確度.尤其是當(dāng)仿真計(jì)算結(jié)果被用于指導(dǎo)

18、設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算準(zhǔn)確度就至關(guān)重要。在已有的研究中，計(jì) 算效率和計(jì)算準(zhǔn)確度問題-直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。5. 覆蓋件沖壓成形分析試驗(yàn)方迭學(xué)的研究在沖圧成形的試驗(yàn)力學(xué)研究中，針對(duì)簡(jiǎn)單沖壓成形問題的試驗(yàn)分析方法較 多，針對(duì)覆蓋件的試驗(yàn)研究極少口由于在目前技術(shù)條件下，在覆蓋件沖斥生產(chǎn)和 研究中還做不到完全摒棄實(shí)沖試驗(yàn)而只依靠仿真分析解決問題.在某些關(guān)鍵環(huán) 節(jié)，還需要進(jìn)行實(shí)沖試驗(yàn)。作若認(rèn)為，關(guān)于覆蓋件沖壓試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量 與數(shù)據(jù)處理，應(yīng)當(dāng)從試驗(yàn)方法學(xué)的研究高度予以重視°6. 回彈問j覆蓋件沖壓成形過程有三個(gè)順序連接的階段，第三階段即為卸載過程，此時(shí) 零件將在殘余應(yīng)力作用下發(fā)生冋彈。冋彈問題非常棗

19、要，它直接影響沖壓后零件 的最終形狀.進(jìn)而影響模具和焊裝夾貝的設(shè)計(jì)制造°研究沖壓成形中回彈問題一 直是熱點(diǎn)和難點(diǎn)。經(jīng)過了十多年的研究，h前回彈的預(yù)測(cè)、測(cè)量、控制及補(bǔ)償?shù)?研究都還只是處于初級(jí)水平。7. 覆蓋件沖壓成形的計(jì)算機(jī)輔助工程(cae)系統(tǒng)狹義的cae是指用冇限元分析(fea)等方法對(duì)工程問題涉及的有關(guān)力學(xué)現(xiàn) 象進(jìn)行研究，而廣義的cae則是集基于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、力學(xué)分析和加丁制 造等環(huán)節(jié)于一體的計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)。本書講的車身覆蓋件沖壓成形cae的 概念指的足廣義的cae概念。住基于fea的覆蓋件沖壓成形研究取得成功的同 時(shí)，自然也需要考慮把這種分析結(jié)果與cad/cam結(jié)合起

20、來指導(dǎo)模具設(shè)訃和制 造，從而指導(dǎo)覆蓋件沖壓生產(chǎn)。這就是覆蓋件沖壓成形的cae系統(tǒng)的目標(biāo)。顯然，fea與cad的集成是關(guān)鍵，就目前來看，這種集成是單向的，即由cadfkea,而fea的結(jié)果只能通過人的參與才能反饋到cad的設(shè)計(jì)中，不能直接自動(dòng)地改變初始設(shè)計(jì)；所以實(shí)現(xiàn)cad和fea的雙向集成是十分必要的，這點(diǎn)對(duì)覆蓋件多步?jīng)_壓分析來講尤其有意義。殼單元?jiǎng)澐中枳⒁馐马?xiàng):基于以上分析，考慮到覆蓋件沖壓成形過程的特點(diǎn)，在建立有限元模型時(shí), 出較合理的做法足用住連續(xù)的三角形殼元來離散被認(rèn)為是剛體的模具型面，用 bt四邊形殼元處理將發(fā)生復(fù)雜變形的坯料，這樣能同時(shí)滿足計(jì)算梢度和計(jì)算效 率的要求。2.單元?jiǎng)澐值膸?/p>

21、條原則無論是系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分還是人機(jī)交互式的網(wǎng)格劃分，在用三角形或四 邊形單尤對(duì)模具和坯料進(jìn)行離散化建立有限元模型時(shí)，考慮的根本因素是仿真的 準(zhǔn)確度和計(jì)算效率。為了保證有限元計(jì)算的準(zhǔn)確度和效率，以下兒條原則需要注(1) 模具單元數(shù)利坯料單元數(shù)的分配 在覆蓋件沖壓成形仿真分析中，通常 把模具處理為剛體，坯料處理為各向異性的彈塑性材料，因而模具是不變形的,無應(yīng)力應(yīng)變，而坯料將發(fā)生較大的變形，處于復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。因此，對(duì)坯 料的單元?jiǎng)澐忠?xì)一些。從整個(gè)模型的單元數(shù)目分配上看，一般把坯料單元數(shù)控制在模具單元數(shù)的2倍左右，即坯料單元占總單元數(shù)的2/3,模具單元占1/3。(2) 單元尺度的控制 對(duì)

22、模具劃分單元時(shí)，如果型面變化劇烈，或者處于圓角過渡或拐角處，比如拉深筋，則單元必須密一些，這樣能保證計(jì)算精度，相應(yīng)的單元尺度宜較小。如果型面比較平坦，曲率變化較平緩，則單元數(shù)目可以少一些，這樣可提高計(jì)算效率，相應(yīng)的單元尺度宜較大。對(duì)坯料劃分單元時(shí)，對(duì)變形劇烈和容易產(chǎn)生破裂的區(qū)域單元應(yīng)取得較小，單 元?jiǎng)澋妹芤恍?，這樣能細(xì)致準(zhǔn)確地反映該區(qū)域的變形情況；對(duì)于變形較弱的區(qū) 域，單元尺度可取得大一些，單元?jiǎng)澋孟∫恍?3) 單元法向的控制無論選用何種單元，必須要保證同一個(gè)部件(如凸模)上的所有單元法向的一致性。當(dāng)網(wǎng)格劃分完成后，需要進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)鼠的檢查和修改c涉及到的內(nèi)容有：i 復(fù)網(wǎng)格單元的檢査；網(wǎng)格單元

23、翹曲；網(wǎng)格單元最長(zhǎng)邊與最短邊的比值；網(wǎng)格單元 的最小邊長(zhǎng)；單元的最小角度和最大角度。3.網(wǎng)格的重劃分和自適應(yīng)單元在有限元分析計(jì)算中，計(jì)算精度和計(jì)算效率形成了一對(duì)矛盾：為了提高計(jì)算 梢度，需要增加單元數(shù)目，對(duì)所研究的模型進(jìn)行細(xì)化，這將導(dǎo)致計(jì)算開銷的増 加；而從計(jì)算效率的角度考慮，則希望單元數(shù)越少越好，但這將導(dǎo)致計(jì)算精度下 降。為了解決這個(gè)矛盾，既滿足計(jì)算的精度要求，又能保證較高的計(jì)算效率，人 們提出了許多處理技巧和技術(shù)。前面講到的一些原則和技巧，都只適用于分析的 前處理階段，進(jìn)行預(yù)先的人工控制。近年來，人們提出了這樣一種方法：在前處 理階段劃分單元時(shí)，采取較少的分布均勻的單元數(shù)目，在計(jì)算過程中，

24、根據(jù)局部 變形的劇烈程度，系統(tǒng)自動(dòng)地對(duì)變形劇烈的區(qū)域進(jìn)行高精度運(yùn)算，而變形較弱的 區(qū)域則保持原來的單元數(shù)目和單元屬性。這樣既保證了那些形狀復(fù)雜、變形劇烈 區(qū)域的計(jì)算精度，同時(shí)又不必增加無謂的單元從而保證了總體計(jì)算的較髙效率, 有效地解決了計(jì)算精度和計(jì)算效率的矛盾。目前在計(jì)算中進(jìn)行這種協(xié)調(diào)處理的方 法有網(wǎng)格的自動(dòng)重劃分(remesh)和采用自適應(yīng)(adaptive refinement)有限兀分 析兩種方式劉。網(wǎng)格口動(dòng)重劃分的實(shí)現(xiàn)策略為：在每一計(jì)算步中，檢査各單元的法向從而判 定各區(qū)域的曲率變化悄況，一旦發(fā)現(xiàn)曲率變化校大，則表明此處變形劇烈，這時(shí) 系統(tǒng)自動(dòng)地在這一區(qū)域重新劃分有限元網(wǎng)格，使網(wǎng)格加

25、密，新增加單元的單元特 性均保持不變，然后再進(jìn)入下步計(jì)算；如此反復(fù)，直至計(jì)算結(jié)束。在表12列出因?yàn)樽冃蝿×业膮^(qū)域的有限元沖壓分析軟件中.autofonn軟件就采用這種方式來保證計(jì)算精度。remesh方式有效地保證了那些重要關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算精度,往往也是重點(diǎn)考察的地方;而且其計(jì)算效率要比那種為了提髙精度而對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格加密的方法要高。但是remesh畢競(jìng)還是通過不斷地增加單元數(shù)目來提高計(jì)算精度的，因而它對(duì)計(jì)算效率的改善不突出而且因?yàn)樵诿恳挥?jì)算步內(nèi)單元數(shù)都是變化的當(dāng)模型比較復(fù)雜時(shí),增加了編程的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度所以近年來人們逐漸看好自適應(yīng)有限元分析技術(shù)。自適應(yīng)有廠f元分析的實(shí)現(xiàn)策略是在每一步計(jì)算中當(dāng)發(fā)

26、現(xiàn)利用較低階單元對(duì)一問題進(jìn)行分析而精度不滿足給定要求時(shí)在單元網(wǎng)格劃分不變的條件f島單元的階次,從而提高計(jì)算精度。自適應(yīng)有限元分析必須采用適當(dāng)?shù)膯卧?，保證在單 元階次提髙后原來已形成的低階單元的剛度等特性矩陣保持不變地仍被利用，只 有這樣才能做到既提高了計(jì)算精度又沒有因多余的插值運(yùn)算而影響計(jì)算效率。階譜單元(hierachical element)是在自適應(yīng)有限兀分析中發(fā)揮"自適應(yīng)"特性的單元。所謂階譜單元，就是在計(jì)算中根據(jù)需要不斷增加初始單元每條邊上的 節(jié)點(diǎn)數(shù)，從而使單元的插值函數(shù)的階次在前一階次的基礎(chǔ)上不斷增加，而前一階 次各節(jié)點(diǎn)的插值甌數(shù)依然保持不變地被引用，只需給出新

27、增加點(diǎn)的插值函數(shù)。冃前，自適應(yīng)有限元分析是有限元發(fā)展中最具有理論和實(shí)際意義的問題之 -泗。在作者的車身覆蓋件沖壓成形有限元仿真工作中，主要采用自適應(yīng)有限 元分析技術(shù)，通過一個(gè)單元特性控制變量，把單元設(shè)為具有自適應(yīng)特性的階譜單 元，從而實(shí)現(xiàn)了覆蓋件沖床成形的白適應(yīng)有限元分析。分析時(shí)需注意事項(xiàng):1)凹模速度，采用速度放大原理，以減少計(jì)算時(shí)間。量的時(shí)間。另一方面，應(yīng)用動(dòng)力顯式軟件模擬板料成形時(shí)，為了提髙計(jì)算效率, 凸模和壓邊圈的運(yùn)動(dòng)速度通常取5000 10000mm/s左右，是實(shí)際沖壓過程的幾十 倍。在這種速度作用下，壓邊過程中偽板料會(huì)出現(xiàn)不符合實(shí)際情況的劇烈褶皺 >-為了消除板料中部不真實(shí)的

28、褶皺現(xiàn)象，必須降低壓邊圈閉合的速度，如取壓 邊圈的速度為1000mm/s,這樣就會(huì)大大降低計(jì)算的效率n為了不過分降低計(jì)算2.動(dòng)力顯式格式有限元仿真中的虛擬條件動(dòng)力顯式格式有限元方法普遍采用中心差分算法進(jìn)行求解.本文在2.6節(jié)已經(jīng)指岀，中心差分算法是條件穩(wěn)定的，其時(shí)間積分步長(zhǎng)受由式(2-140)確定的 臨界時(shí)間步長(zhǎng)限制。如果采用真實(shí)的準(zhǔn)靜力條件下的速度，那么在臨界時(shí)間步長(zhǎng)的限制下，動(dòng)力顯式格式有限元方法的計(jì)算時(shí)間將很民。為了捉高計(jì)算效率，可以采用虛擬速度方法，即把凸模速度放人倍.則 計(jì)算時(shí)間必然會(huì)降低“倍。速度放大幾借后，必然引起動(dòng)力效應(yīng)的增加，為了 減弱這種影響，可以把質(zhì)屋密度縮小幾倍.這樣由

29、式(2140)確定的臨界時(shí)間 步長(zhǎng)將減小”g倍；這樣一來，總的計(jì)算時(shí)間將降低tn倍。這里把縮小后的質(zhì)量密度稱為虛擬密度。宙此.采用虛擬速度和虛擬密度以后，用動(dòng)力顯式格式有限元方法來分析覆蓋件沖壓成形問題，既町以有效地提高計(jì)算效率，乂能抑制一定的附加動(dòng)力效應(yīng)，使分析結(jié)果更接近貞實(shí)的準(zhǔn)靜力結(jié)果，從而滿足計(jì)算效率和計(jì)算稱度的要求.在用動(dòng)力顯式格式有限元方法分析覆蓋件成形過程中，作者把虛擬速度和虛 擬密度稱為虛擬條件。虛擬條件是用動(dòng)力顯式格式有限元方法分析準(zhǔn)靜力力學(xué)過 程時(shí)，為了提高計(jì)算效率、抑制動(dòng)力效應(yīng)、保證計(jì)算合理性而引入的。實(shí)踐表 明，對(duì)于車身覆蓋件沖壓成形仿真而言，在動(dòng)力顯式格式有限元求解時(shí)，

30、可以把 凸模速度放大100倍，板料質(zhì)雖密度縮小100倍，這樣總的計(jì)算效率提高了 10 倍，并且因縮小了質(zhì)量密度而抑制了動(dòng)力效應(yīng)。按上面理論，則可以在dynaform中將材料庫(kù)中材料參數(shù)中的材料密度降低100倍。然后把凹模(單動(dòng)拉延)速度增加100倍。以減少動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及計(jì)算時(shí)間。2) dynain文件作用。分，并繼承原網(wǎng)格的變形和應(yīng)力，這樣就不會(huì)影響零件成形時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)打在 6dyma軟件中，板料的節(jié)點(diǎn)、單元信息以及應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)是由名為dynain 輸岀文件來描述的。為此，作者提出了基于isdyna的改進(jìn)壓邊圈閉合過程模3) 壓力機(jī)選取單動(dòng)壓機(jī)一般凸模在下，凹模在上，在這種情況下的拉深過程也被稱

31、為“反 向拉深"(inverted drawing)11510 s. c. tang等人認(rèn)為，采用單動(dòng)壓機(jī)至少有兩 類優(yōu)點(diǎn)；可以節(jié)省15% -20%的板料；可以獲得更均勻的塑性變形。近年 來，在美國(guó)，汽車工業(yè)逐漸開始轉(zhuǎn)向使用單動(dòng)壓機(jī)。4）凸模速度、壓邊邊的描繪仃）凸模運(yùn)動(dòng)的描述 對(duì)于凸模運(yùn)動(dòng)，可以分別用凸模的位移時(shí)間曲線、速度時(shí)間曲線或加速度-時(shí)間曲線來描述。凸模速度時(shí)間曲線通常設(shè)為圖311的形式。由于在實(shí)際覆蓋件沖壓過程中,用于成形的時(shí)間都不過1j36】，所以本文選擇13為一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)，這樣，圖時(shí)間、凸模速度圖1】凸模速度-時(shí)間曲線3-11中的速度時(shí)間曲線等效于下列的坐標(biāo)序列:從

32、理論上講，圖311中 的速度血應(yīng)等于實(shí)際沖壓過 程中凸模的穩(wěn)定速度，根據(jù)tang的研究知，這個(gè)速度大小約為250 300mm/s,用于覆蓋件沖壓成形仿真分析的靜力格式有限元大都采用這一速度值。對(duì)于動(dòng)力格式的有限元方法，正如前面所指出的，都采用“速度放大”方法，即把實(shí)際的沖壓速度放大幾十倍，其至 幾百、幾千倍后作為有限元計(jì)算中所設(shè)定的凸模速度，因此，圖311凸模速度.時(shí)間曲線中的血都是經(jīng)速度放大處理以后的“虛擬速度爲(wèi)圖311中的“即為有限元計(jì)算的終止控制時(shí)間，根據(jù)凸模速度時(shí)間曲線和拉深深度可以很容易地確定ho而“、*2和引的設(shè)定要保證在凸模開始接觸坯料前，壓邊圈已經(jīng)將坯料壓緊。可以先嘗試著定一組

33、“、s和巾值，然后試算 一段時(shí)間，觀察計(jì)算得到的凸模、坯料、壓邊圈各白速度時(shí)間曲線的相互關(guān)系,從而確定合理的“、"和力1值o（2）壓邊力的確定前面已經(jīng)介紹了對(duì)壓邊圈的處理方法，這里進(jìn)一步介紹 在有限元計(jì)算中穩(wěn)定壓邊力fblh的確定。確定方法有以下幾種：1）壓機(jī)工作參數(shù)未知的情況：(3-4)在這種情況下，壓邊力心（由下式給出:fblh 二減式中a壓邊面積，它等于坯料面積減去凹模型腔開口面積，可以很容易在 幾何建模環(huán)境下求出；.q單位面積上的壓邊力，根據(jù)文獻(xiàn)0的數(shù)據(jù)，對(duì)于厚度人于0.5mm 的鋼板來說，q值一般在225mpa之間。在不知逍壓機(jī)參數(shù)的情況下,用上述方法估算壓邊力是很有效的。

34、2）已知壓機(jī)工作參數(shù)：雙動(dòng)壓機(jī)液壓系統(tǒng)提供的最大油壓對(duì)應(yīng)于最大外滑塊力（即最大壓邊力）, 這是壓機(jī)固有的參數(shù)。如果知道了沖壓過程的工作油壓（對(duì)一些先進(jìn)的雙動(dòng)壓 機(jī)，都顯示每一沖壓過程的工作油壓）.則可以很容易地按線性比例關(guān)系確定實(shí) 際的壓邊力fblh。在確定了壓邊力尸嗣后,圖35所示的壓邊力時(shí)間曲線等效為以下坐標(biāo)序列： 時(shí)間壓邊力0 0f blh1m這就是在計(jì)算中所設(shè)定的壓邊力時(shí)間變化規(guī)律"在保證凸模開始接觸坯 料前，壓邊圈已經(jīng)將坯料壓緊的條件下，盡量取較大的值以消除或減少坯料的 “自由振蕩”，并可通過試算確定。4）板料成形性能指標(biāo)：試驗(yàn)測(cè)得的上述板料（表44）的成形性能指標(biāo)如表42

35、所示。a 4-1三種國(guó)產(chǎn)轎車覆蓋件所用的部分材料編號(hào)卷號(hào)鋼種規(guī)格/mm用途1154131/ap1058rsi130s0.7x 1200x1000桑塔納后門外板21541i8/ap1058rsi13o50,9x 1535 x 1590桑塔納行李箱外板3215181/ap1057stl3o3().8 x 10(x)x20004192556/ap1o57su3o3l.ox 150052(m24«/apo74ostl3o3l2xl4«0xl9806st】3o3桑塔納2000副車架7189079/ahj74ost14o30-7x11658154139/ap1o58stl4o50.7x

36、 1175x1225集塔納前門外板92c3669/.w74ostl4o31.0x1540x250010i92380/af0740stl4o31.2x 1300x 174011175010/010143b1e2o50.712146964/uiu143s(14-t (b1f2)0.8集塔納后冀子板13106919/ot0i43bif2 1.014200351/10132bif2o5l.ox 1050x2000小紅旗15200310/1111)132bif2o51.2x 1500x2360小紅旗16212654/imxm 31bif30.8xl400x 1575小紅旗1721262/du0131bi

37、f31-0小紅旗18212687/io13jbif3l2x 1130小紅旗卷號(hào)wtwffi /mm基本成形性能樓擬成形性能方詁/(°)/mpa% /mka«>(%)朋強(qiáng)比nrarie/mrn1 ccv /mma 理）215181stl30.80162305440.53110.2270.221.7511.500.6411.0826.970.2519145175322390.54350.212l181.89901743()9440.56310.219192556sh30158300400.52670.219o221.731.500.6411.1344.840.253100

38、1.045157318380.49370.2161.1890154310400.49680.2251.902ftt24«stl30190301430.63120.2130.211.701.460.6211.4244.920.251991.245212322400.65840.2011.1590198300440.66000.2121.84154139su40.70169315420.53650.2290.221481 600.2910.7227.050.24910645174317410.54890.22014)90167300400.55670.2201.91203669s(141

39、.00182292440.62330.2100.211.691.580.5911.3744.760.254i0b45195306400.63720.2061.2890190301450.63120.2112.06192380sd41.00150295450-50850.2320.221.801.550.7111.8244.780.25410845166308420.53900.2141.1990168297440.56560.2232.01175010bif20.70136300450.45330.2430.241.982j50.2711.9025.82o.2s312345140300490.

40、46670.2352.0190138295480.46780.2332.58200351bif21.001362s1490.4w00.2590.252.472.400.6312.2832.840.452m45140290440.48280.2472.0890138加3460.48760.2522.95200310bif21.20110284470.39730-2540.252.202.2810.6912.5241.740.3(m12845124290430.42760.2471.93901262x3470.44520.2493.(m212654b1f30.80133294480.45240.2

41、380.242.170.1711.7235.000.30013945140298430.46980.2302.062.1590)36286440.47550.2492.30(續(xù))卷號(hào)鋼種厚度/mrn方向/c）基本成形性能模擬戒形性能/mpa%/mpa%屈強(qiáng)比n盡u1rarie/inmccv /mra可值a (%)212682bdf31.00129290470.44480.2470.242.292.070.5812.0242.710.28814445138296450.46620.230l7890132282440.46810.2382.42212687b1f31.20128277490.462

42、10.2570.252.522-290.9812.9341.250.31216745123283450.43460.2361.7990122274480.44530.2613.04從表42中可以得岀以下結(jié)論：it鋼（b1f2和bif3）比鎮(zhèn)靜鋼（s113和 5114）的成形性能要好；對(duì)于同一種牌號(hào)的汽車板，一般來說，厚度越大，則 成形性能越好；在鎮(zhèn)靜鋼中，014比stl3的成形性能好；在df鋼中，b1f3比 bif2的成形性能好。喪&6車身件常用材料性能參數(shù)農(nóng)材料類型a/mpafft/mpa筑）k/mprnr低硃痢181.75326.7522.7540.55560.20651.5525

43、奇強(qiáng)度傑329.7560116.524.59500.1630.92鋁合金122.2522323.527.84020.244250.587755）常用拉伸筋種類斷面形狀單筋巾=35法蘭流人就大的拉深法蘭流人罐需別大的深拉深為了控制筋的濟(jì)損，加大筋 槽圓角半徑r.隨甘r塔加附 加拉力威小，用雙筋來彌補(bǔ)法蘭流入雖少的拉深或朕形與圓形筋相比.能提供更強(qiáng)的附加拉力拉伸fth= 46u法蘭流人it少的拉棵或脹形材料利用率烏.同樣的圓角 半徑k和髙度h下，比方形筋 的附加拉力小r2三和b筋脹形材料完全沒有流人(單位:mm)有限元分析時(shí)拉延筋相關(guān)參數(shù):*5-3標(biāo)準(zhǔn)半圓形和矩形拉深筋的結(jié)構(gòu)參數(shù)哀名稱代號(hào)締寛度2

44、6zmm筋高度d/mm筋圓角半徑r" mm檎凸肩半徑r/mrn拉深筋阻力/( n/mm)壓筋力/(n/raml半圓形 拉深筋ml8442.5123105m2844311991m384449574m484458160淺半圓形 拉深筋m58032x8s7345m680.14x855421m78o.(m5x85457名稱代號(hào)筋寬度26/mm筋髙度 d/nvn筋岡角半徑槽凸肩半輕r/mm拉深筋阻力/(n/mm)伍筋力/(n/mm)矩形 拉深筋k18522226k28523211189k38524178149k4s533154139k58534137115名稱筋寬度26筋高度 d筋岡角半輕rb

45、槽凸用半徑心半閥形拉深筋8-200.5-84-102.5-5矩形拉深筋8-2058282-4表54常用半圓形和矩形拉深筋的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍名稱筋寬度2b筋離度d筋圖角半輕&槽凸肩半矗心代號(hào)半畫形8842.5s1拉深筋200.5105s2矩形8822k1拉深筋205 84r2«5-7拉深筋阻力范圍衷名稱代號(hào)拉深筋齟力/（n/mm）低碳鋼高強(qiáng)度鋼鋁板厚/iron0.811.21.70.81l2l70.811.2l7半圓形拉深筋s11972994167543345036%1249112172240439s211.62.44.91.21.94.79.50.50.81.22.5矩形拉深

46、筋r1391553837157659390712542439199340417776r244.77010019872!1216030821334793拉深筋阻力大小不僅與板料的性能有關(guān)，也與厚度有關(guān)。在車身沖壓件中,常用的板料厚度有0708mm、limn、1.2mm. 1.7mm等，在確定半圓形和矩形拉深筋阻力大小的分界值時(shí)，我們主要考慮這四種。（3）摩擦系數(shù)在薄板沖壓成形中，摩擦系數(shù)一般在0.06-0.18范圍內(nèi)變 化，而拉深筋阻力主要由兩部分組成：彎曲/反彎曲變形力和摩擦力，其中前者 約占整個(gè)拉深筋阻力的65% 85%。十考慮到摩擦阻力所占比例較小，在確定拉深筋阻力時(shí)摩擦系數(shù)按015計(jì)算c

47、（4）確定半圓形拉深筋和矩形拉深筋阻力臨界值考慮常用半圓形和矩形拉 深筋的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍（表55）和板料材料類型及其厚度，根據(jù)改逬的拉深 筋阻力模型可計(jì)算出半圓形、矩形拉深筋阻力變化范圍見表57。從表中町以看 岀，很多悄況下，產(chǎn)生同一阻力的拉深筋既可設(shè)計(jì)成半圓形也可設(shè)計(jì)成矩形。然 而，由于矩形拉深筋角部的半徑比半圓形拉深筋半徑小，板料在通過拉深筋彎曲 時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更大的應(yīng)變，這將引起板料和模具（拉深筋及限流槽的凸肩）表面 的磨損加劇，為了避免這種情況發(fā)生，在兩種拉深筋類型均可滿足的條件下，我 們首先考慮選用半圓形拉深筋。為此確定了半圓形拉深筋和矩形拉深筋阻力臨界 值，如表58所示，即當(dāng)所需設(shè)

48、計(jì)的拉深筋阻力小于表中數(shù)值時(shí)，拉深筋類型選 用半圓形"復(fù)雜覆蓋件拉深方法選用三個(gè)概念：成形度二拉伸度+脹形度、 r <r * * ，"j" | ' -2.滑痕分析法為了估算覆蓋件的成形效果，可在其最深部位的切面上，按圖44所示測(cè)量0圖1覆蓋件變形註表示方法出成形前的坯料氏度zo成形后 的測(cè)量長(zhǎng)度2和口部寬度爪覆蓋 件的變形程度可以用成形度來 表示。i i。pd = x 100%(4-8)*0在覆蓋件的側(cè)壁測(cè)量出坯料變形時(shí)經(jīng)過凹模圓角所出現(xiàn)的細(xì)微滑痕的長(zhǎng)度3、x20覆蓋件的脹形變形量為y = z - /0- x)- x2(4-9)拉深成形時(shí)，拉深和脹形變形所占的比例，可以分別用拉深度0和脹形度y 來表示(4-10)(4-11)x 100%y = -xl00%一般來說，平坦零件的凡值小于2%時(shí)，光靠拉深要獲得良好的零件形狀是困難的.必須在沖壓時(shí)將坯料法蘭部分壓緊，增大材料變形的流動(dòng)阻力，使零件的主要型面基本上由脹形制岀，這樣可保證平坦零件的形狀固定性和成形精度要求。當(dāng)幾值超過5%時(shí)，零件光靠脹形也是困難的，此時(shí)零件成形深度較大, 成形時(shí)易發(fā)生破裂現(xiàn)象，因此有必要適當(dāng)放松成形時(shí)對(duì)坯料的壓邊作用，減小材 料的變形阻力，允許法蘭部分材料流入補(bǔ)充。應(yīng)用滑痕分析法，町以檢査零件的變形程度和拉伸魚，確建成