沖壓CAE分析的有限元基礎(chǔ)

1、1,沖壓CAE分析及有限元基礎(chǔ),報(bào)告人：陳燕妮,2,CAE的概念及應(yīng)用 CAE(Computer Aided Engineering)是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。 CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍極其廣泛，包括零部件和總成的線性與非線性結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、屈曲、疲勞壽命、動(dòng)力響應(yīng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)；水箱、風(fēng)扇等熱交換性能分析；進(jìn)排氣系統(tǒng)、車身空氣動(dòng)力學(xué)性能分析；沖壓、鍛造、鑄造等工藝過程仿真和工藝設(shè)備設(shè)計(jì) CAE應(yīng)用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有：車 輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓

2、成型模擬分析、疲勞分析和空氣動(dòng)力學(xué)分析、剛度、強(qiáng)度（應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析，以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)）、NVH分析（各種振動(dòng)、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等）、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析等；,我們的任務(wù),沖壓的,3,CAE系統(tǒng)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，即將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。其基本過程是將一個(gè)形狀復(fù)雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形狀簡單的子區(qū)域，即將一個(gè)連續(xù)體簡化為由有限個(gè)單元組合的等效組合體；通過將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場

3、變量(應(yīng)力、位移、壓力和溫度等)問題簡化為求解有限的單元節(jié)點(diǎn)上的場變量值。此時(shí)得到的基本方程是一個(gè)代數(shù)方程組，而不是原來描述真實(shí)連續(xù)體場變量的微分方程組。求解后得到近似的數(shù)值解，其近似程度取決于所采用的單元類型、數(shù)量以及對(duì)單元的插值函數(shù)。,4,CAE各階段所用的時(shí)間為：40%45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%55%用于分析結(jié)果的判讀和評(píng)定，而真正的分析計(jì)算時(shí)間只占5%左右。針對(duì)這種情況，采用CAD技術(shù)來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應(yīng)

4、力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機(jī)械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力等分布的動(dòng)態(tài)顯示圖。我們稱這一過程為CAE的后處理。針對(duì)不同的應(yīng)用，也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機(jī))乃至生產(chǎn)線、工廠的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)。,5,CAE軟件按研究對(duì)象分為：靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動(dòng)態(tài)分析；按研究問題分為線性問題，非線性問題； 主要有：Hyperworks，主要做前處理（分單元加載荷加約束）和后處理（看輸出結(jié)果和仿真） I-DEAS，同時(shí)也做CAD Ansys，很經(jīng)典的CAE，國內(nèi)應(yīng)用最廣，客戶成熟度最高，尤其是在高?？蒲蓄I(lǐng)域。 Abaqus，強(qiáng)大的非線性復(fù)雜動(dòng)態(tài)問題求解器，專門汽車分析模塊， L

5、S-DYNA，強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)問題求解器，專門汽車分析模塊， Nastran，線性問題求解器 Pam crash，專門的碰撞研究軟件 Moldflow，模流分析軟件 AutoForm，鈑金沖壓，特別是拉深分析軟件 Madymo，汽車安全系統(tǒng)，如氣囊，安全帶整車碰撞性能分析軟件,6,沖壓CAE分析的內(nèi)容 產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)階段對(duì)工藝數(shù)模、鑄造數(shù)模進(jìn)行可成型性分析。 分析產(chǎn)品的可成型性，是否有沖壓缺陷如： 是否有沖壓負(fù)角,7,復(fù)雜的產(chǎn)品造型使沖壓負(fù)角不易被發(fā)現(xiàn)：如一些汽車的內(nèi)板件,解決的辦法？,用CATIA看斷面圖,8,更簡單的方法？,將數(shù)模導(dǎo)入軟件分析,9,數(shù)模修改前版本,數(shù)模修改后版本,已在允許的范圍內(nèi),

6、10,其他沖壓缺陷,開裂/減薄 起皺/疊料 回彈扭曲 變形不足（剛性不足） 表面缺陷 最重要的是通過CAE分析出沖壓工藝不能解決的問題。,11,CAE分析的步驟,方法一：參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運(yùn)算，有限元網(wǎng)格的自動(dòng)剖分，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)參數(shù)自動(dòng)生成，荷載與材料參數(shù)直接輸入與公式參數(shù)化導(dǎo)入，有限元分析荷載數(shù)據(jù)的生成，有限元分析數(shù)據(jù)文件的生成與導(dǎo)出等. 步驟：將數(shù)模以IGS的格式導(dǎo)入AUTOFORM或DYNAFORM軟件中，利用軟件特有的模塊分別選擇合適的沖壓方向、自動(dòng)生成壓料面及工藝補(bǔ)充面后，指定合理的沖壓參數(shù)提交計(jì)算。,12,CAE分析的步驟,方法二，直接實(shí)體建模,利用CATIA或其他CAD

7、軟件模面設(shè)計(jì) 1.工藝基準(zhǔn)點(diǎn)及沖壓方向的設(shè)計(jì) 2.壓料面的制作 3.凸模輪廓線的制作 4.做工藝補(bǔ)充面,13,1.工藝基準(zhǔn)點(diǎn) 所有制件都要設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，同一個(gè)制件上所有工序的基準(zhǔn)點(diǎn)要求一致。DL圖和模具圖上的基準(zhǔn)點(diǎn)都用 表示，除此以外不使用該標(biāo)記。 原則上基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在零件圖上百線的交點(diǎn)處，即取100的整數(shù)倍，特殊情況下也可以取50的整數(shù)倍?；鶞?zhǔn)點(diǎn)盡量設(shè)在拉延模的凸模上，設(shè)置在制件的中央，這樣模具中心，沖床中心和基準(zhǔn)點(diǎn)三者就有可能重合，減少出錯(cuò)的可能。 注：對(duì)于左右件合并的情況，有兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。,14,2.沖壓方向，制件轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)角順序 各沖壓工序都必須有沖壓方向。拉延沖壓方向選取時(shí)考慮：制件在任何

8、地方?jīng)]有負(fù)角，制件在前后左右方向盡可能對(duì)稱，盡可能減小在沖壓方向上的高度差，目的是為了使進(jìn)料均勻。修邊的沖壓方向選取時(shí)主要考慮的是修邊刃口的角度，一般控制在15度以內(nèi)，超出這個(gè)范圍要么改變沖壓方向，要么使用斜楔側(cè)修邊。 制件旋轉(zhuǎn)時(shí)以工藝基準(zhǔn)點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角大小及次序最好事先做好記錄，制件在X,Y,Z每個(gè)方向上僅限于旋轉(zhuǎn)一次，因此制件最多允許旋轉(zhuǎn)三次，90度或180度的旋轉(zhuǎn)不計(jì)算在內(nèi)。,15,3.壓料面 壓料是拉延過程中非常重要的功能，坯料就是沿壓料面逐漸流入模具型腔的。因此壓料面的設(shè)計(jì)要有利于材料的流動(dòng)，保證制件在各個(gè)截面上變形均勻（拉延深度一致）。 壓料面設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先采用單曲面，以保證壓料面

9、的光順。壓料面的形狀在DL圖上以直線加圓弧的方式表達(dá)清楚，不使用樣條線。,16,4.凸模輪廓線 拉延凸模外形輪廓線，在讀DL圖時(shí)要首先找到這條分界線。分界線以里是凸模，分界線以外是壓邊圈，配合具體的剖面圖很快就可以確定零件在凸模上修邊，還是在壓料面上修邊。在DL圖上凸模輪廓線是以粗實(shí)線加實(shí)心原點(diǎn)的方式來表示，以直線和圓弧的方式標(biāo)出尺寸。 5.拉延初始坯料線 就是拉延模初次試模時(shí)的坯料線，除特殊情況外一般均采用方形，梯形等，以前都是通過取若干截面測量線長的方法確定拉延初始坯料大小，現(xiàn)在可以使用Dynaform反算拉延模的模面得到一個(gè)近似形狀，再取直為方形坯料。 注：拉延模的坯料一般要在模具調(diào)試過

10、程中做一些修改，才能作為落料模的設(shè)計(jì)依據(jù)。,17,6.拉延筋 作用：控制材料流動(dòng)，其形狀跟凸模輪廓線隨形，兩者距離一般在2025之間。從形狀上分為圓筋，方筋，拉延檻（半方筋）。 在做拉延模擬分析過程中，為加快計(jì)算速度，一般先使用虛擬筋（用一根線來代替），虛擬筋調(diào)整好后再設(shè)計(jì)實(shí)體筋，最后加工模具 實(shí)際生產(chǎn)過程中多使用一體筋，即凸筋在加工凹模時(shí)一起加工出，凹筋在加工壓邊圈時(shí)一起加工出來。 虛擬筋和實(shí)體筋的對(duì)應(yīng)關(guān)系是個(gè)難點(diǎn)，要靠做大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。,18,19,有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來表示復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，各單元之間通過有限元節(jié)點(diǎn)相互連接，根據(jù)有限元基本

11、理論建立有限元總體平衡方程，然后求解。,20,有限元分析理論,基本思想 把連續(xù)體視為離散單元的集合體。 “化整為零”。將連續(xù)體分解為有限個(gè)性態(tài)比較簡單的“單元”。 對(duì)這些單元分別進(jìn)行分析。 “積零為整”。將各個(gè)單元重新組合為原來的連續(xù)體的簡化“模 型”，求解得到基本未知量（位移）在若干離散點(diǎn)的數(shù)值解。 根據(jù)數(shù)值解再回到各單元中計(jì)算其他物理量（應(yīng)變、應(yīng)力、溫度 等）,21,有限元的概念,有限元法，是把實(shí)際形狀的模型用有限個(gè)有限單元的集合體來建立模型，這種模型是把形成各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)連續(xù)地連接起來。 也就是，有限元模型，可以這樣來考慮，把形狀模型用很多個(gè)節(jié)點(diǎn)（和至今說到的點(diǎn)是同樣性質(zhì)）進(jìn)行置換。 這

12、樣將幾何模型借助于節(jié)點(diǎn)把單元連續(xù)地連接起來，形成為單元的集合體，作為這樣的分析模型(有限元模型)就可使用了。把這種具體的操作稱為單元?jiǎng)澐只蛘呔W(wǎng)格劃分，是前處理部分的一個(gè)重要功能之一。 相對(duì)于構(gòu)成有限元模型的各個(gè)單元，設(shè)置單元類型和單元特性以及材料特性。對(duì)于CAE 因?yàn)橐螽a(chǎn)品或結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力并對(duì)它的強(qiáng)度進(jìn)行校核為目的，所以一定要設(shè)置產(chǎn)品所用的材料特性數(shù)據(jù)。根據(jù)所使用的單元，所設(shè)置的材料特性的內(nèi)容也不同，一般而言，有彈性模量，泊松比，質(zhì)量密度，線膨脹系數(shù)等。對(duì)于應(yīng)力分析，則必須有彈性模量，泊松比。由溫度變化來進(jìn)行應(yīng)力分析的，還必須有線膨脹系數(shù)。質(zhì)量密度，以重量作為載荷（自重）起作用時(shí)或者在特征

13、值分析等等時(shí)是必須要有的。,22,對(duì)線狀的幾何模型用幾個(gè)單元和構(gòu)成單元的節(jié)點(diǎn)來形成（有限元）模型。 此時(shí)，在有限元法中因?yàn)槭窃诠?jié)點(diǎn)的位置上能夠得到模型的位移，所以在想要得到位移的位置上，一定要設(shè)置節(jié)點(diǎn)。在這種線狀模型的情況下，節(jié)點(diǎn)數(shù)如果不足的話，結(jié)果所見到的是與實(shí)際現(xiàn)象有出入的變形，因此在模型形成的時(shí)候，必須注意單元的劃分和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量（節(jié)點(diǎn)數(shù)和變形形狀）。 這里因?yàn)槭前迅闱鍢?gòu)件的整體變形為目的，對(duì)于僅用1 個(gè)或2 個(gè)節(jié)點(diǎn)這樣的程度是不夠的。將線條十等分，用11 個(gè)節(jié)點(diǎn)來求整體的變形。 各個(gè)單元，除了端點(diǎn)外借助于節(jié)點(diǎn)連續(xù)地連接起來。 節(jié)點(diǎn)之間沒有單元的話或有重節(jié)點(diǎn)的情況等等，作為有限元模型都是不

14、合適的。 具體的制作步驟可以用系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能，自動(dòng)地形成單元和節(jié)點(diǎn)。 此時(shí)，劃分的形狀和劃分的數(shù)量，要根據(jù)情況輸入到網(wǎng)格劃分法中去。,23,使用有限元法的軟件（也稱求解器）是這樣來處理的，首先求出1 個(gè)單元的力和位移的平衡，然后對(duì)所有的單元進(jìn)行同樣處理，把它們集合起來，結(jié)果就求出了以全體單元所表現(xiàn)出來的整體的力和位移之間的平衡。,24,網(wǎng)格劃分,25,26,DYNAFORM分析結(jié)果,27,材料模型,彈塑性材料模型的本構(gòu)方程,28,屈服準(zhǔn)則,如果知道了材料所處的應(yīng)力狀態(tài)和相應(yīng)的屈服準(zhǔn)則，就可以判斷是否有塑性應(yīng)變產(chǎn)生 使用較多的屈服準(zhǔn)則：VON MISES 屈服準(zhǔn)則：認(rèn)為當(dāng)材料中的最大剪應(yīng)力的均方根即應(yīng)力偏量的第二不變量J2達(dá)到臨界值時(shí)，材料發(fā)生屈服VON MISES屈服準(zhǔn)則又被稱為J2型屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：,2