大型薄壁網(wǎng)格筋殼片沖壓拉伸的有限元模擬_產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化(PLM)_CAE_1622

1、大型薄壁網(wǎng)格筋殼片沖壓拉伸的有限元模擬_產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化(PLM)_CAE    板料成形在汽車、航空、模具等行業(yè)中占據(jù)著重要地位。板料成形的主要難點(diǎn)問(wèn)題就是較長(zhǎng)的模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期，特別是對(duì)于復(fù)雜的板料成形零件無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成形的結(jié)果，難以預(yù)防缺陷的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的方式存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、試模次數(shù)多、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。某些特殊復(fù)雜的板料成形零件甚至制約了整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。而板料成形CAE技術(shù)及分析軟件的出現(xiàn)，有效地縮短模具設(shè)計(jì)周期、減少試模時(shí)間、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，從根本上提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。    如圖1和圖2所示分別為在ANSYS

2、和Msc.Dytran通用有限元軟件平臺(tái)下對(duì)薄壁盒形件進(jìn)行沖壓拉伸的分析過(guò)程。圖1 薄壁異形件沖壓成型過(guò)程厚度分布圖2 方形盒沖壓拉伸成型過(guò)程厚度分布    本文針對(duì)某大型網(wǎng)格筋殼片的沖壓拉伸成型，采用有限元進(jìn)行計(jì)算模擬優(yōu)化，得出了該產(chǎn)品沖壓拉伸成型過(guò)程的關(guān)鍵特性，并從優(yōu)化的角度對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與模具示意圖如圖3所示。本文針對(duì)該產(chǎn)品及其工藝成型過(guò)程，分別采用基于動(dòng)態(tài)顯式算法的Dynaform軟件和一步成型法FastForm與Fastamp等軟件進(jìn)行了模擬，較好地指導(dǎo)了產(chǎn)品與模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程與最終產(chǎn)品的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方案。  

3、  一、網(wǎng)格筋殼片拉伸成型模擬的關(guān)鍵    基本的板料成形有圓筒件拉伸、凸緣圓筒件拉伸、盒形件拉伸、局部成型、彎曲成型、翻邊成型和脹型等?；镜陌辶铣尚?，有一些經(jīng)驗(yàn)公式和類似零件作為參考。由于在板料沖壓成型過(guò)程中，通常模具的剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板料的剛性，因此模具的變形相對(duì)板料的變形來(lái)說(shuō)極小，可以忽略不計(jì)。板料成形需要解決的主要問(wèn)題包括起皺、拉裂、回彈等缺陷預(yù)防、壓邊力確定、模具磨損的影響、潤(rùn)滑方案確定、成形力確定、毛坯尺寸確定和壓延筋布置等。    在沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真中應(yīng)考慮的問(wèn)題歸結(jié)為板料成形的工藝主要有沖壓工藝設(shè)計(jì)中的

4、毛坯展開(kāi)計(jì)算、分步成形計(jì)算、模具設(shè)計(jì)、沖壓設(shè)備選擇和成形缺陷預(yù)測(cè)與消除等。下文對(duì)某網(wǎng)格筋殼片沖壓拉伸成型過(guò)程的有限元模擬分析進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。    1.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)    圖3所示為該產(chǎn)品及其模具結(jié)構(gòu)示意圖。從中可以看出該殼片的主要特征是采用十字交叉的網(wǎng)格筋，且為薄壁圓錐面，該產(chǎn)品尺寸較大，沖壓拉伸過(guò)程中模具運(yùn)動(dòng)行程較高，網(wǎng)格筋交叉處拉伸成型困難，容易出現(xiàn)缺陷。因此其模具投資費(fèi)用較大，模具的投資風(fēng)險(xiǎn)也比較大。在模具設(shè)計(jì)和加工之前，對(duì)該產(chǎn)品的拉伸成型工藝性進(jìn)行科學(xué)的分析是非常必要的。圖3 網(wǎng)格筋殼片及其模具示意圖  

5、  2.求解目標(biāo)    板料成形CAE技術(shù)及分析軟件，通過(guò)對(duì)工件的成形工藝性分析，做出工件制造工藝性進(jìn)行早期判斷；通過(guò)對(duì)模具方案和沖壓方案的模擬分析，及時(shí)調(diào)整修改模具結(jié)構(gòu)，減少實(shí)際試模次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期。通過(guò)缺陷預(yù)測(cè)來(lái)制定缺陷預(yù)防措施，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，增強(qiáng)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及沖壓方案的可靠性，從而減少生產(chǎn)成本。通過(guò)CAE分析可以擇優(yōu)選擇材料，并對(duì)各種成形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。這樣不僅可以彌補(bǔ)工藝人員在經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用工藝資料方面的不足，還可通過(guò)虛擬的沖壓模擬，提高提高工藝人員的經(jīng)驗(yàn)。    采用有限元對(duì)該網(wǎng)格筋殼片的沖壓

6、拉伸進(jìn)行模擬，使其滲入零件及模具的設(shè)計(jì)中，及早地改善模具設(shè)計(jì)，優(yōu)化工藝參數(shù)，甚至改進(jìn)零件設(shè)計(jì)，才能縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。并有效地對(duì)成型過(guò)程及最終結(jié)果進(jìn)行求解，包括該網(wǎng)格筋殼片材料的毛坯展開(kāi)、成型后的厚度分布、成型極限圖、拉延筋設(shè)計(jì)、板料的回彈等，借此進(jìn)行該殼片的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)、沖壓過(guò)程控制。    3.網(wǎng)格模型劃分與求解算法    進(jìn)行沖壓拉伸成型模擬，必須處理好有限元網(wǎng)格劃分、力學(xué)特性參數(shù)的確定、接觸問(wèn)題、載荷與約束條件等物理力學(xué)模型構(gòu)建。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)沖壓成形是至關(guān)重要的，因?yàn)槌跏嫉臎_壓板材通常比較平坦、形狀很簡(jiǎn)

7、單，剛開(kāi)始就采用較小的網(wǎng)格，計(jì)算時(shí)間將很長(zhǎng)。到成形后期，板材變的非常復(fù)雜，網(wǎng)格不細(xì)將無(wú)法提高計(jì)算精度，自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)剛好解決了這一問(wèn)題，并在時(shí)間與精度上取得了巧妙的平衡。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)提高了對(duì)零件的表面質(zhì)量（表面缺陷、擦傷、微皺紋等現(xiàn)象）判斷的準(zhǔn)確性。圖4所示為在Dynaform環(huán)境下對(duì)該網(wǎng)格筋殼片沖壓過(guò)程中的有限元網(wǎng)格劃分模型。圖4 網(wǎng)格筋殼片網(wǎng)格劃分模型    最早的金屬板板料成形的數(shù)值模擬方法包括有限差分法，此方法僅限于解決諸如球形沖頭脹形等軸對(duì)稱問(wèn)題。當(dāng)前板材成形數(shù)值模擬采用的算法分別基于有限單元法和有限體積法，其算法核心以顯式法、隱式法、一步成形法等為主

8、流?；趧?dòng)態(tài)顯式算法的軟件的出現(xiàn)標(biāo)志著板材成形仿真實(shí)際應(yīng)用的真正發(fā)展。與此同時(shí)，基于靜態(tài)隱式增量法和一步法的算法與軟件同步發(fā)展，為沖壓成型過(guò)程模擬發(fā)揮了重要的作用。下面分別對(duì)這幾種應(yīng)用較多的算法進(jìn)行簡(jiǎn)略介紹：    (1)隱式算法：靜態(tài)隱式算法也是解決金屬成形問(wèn)題的一種方法。在靜態(tài)隱式算法中，在每一增量步內(nèi)都需要對(duì)靜態(tài)平衡方程迭代求解。理論上在這個(gè)算法中的增量步可以很大，但是實(shí)際運(yùn)算中上要受到接觸以及摩擦等條件的限制。隨著單元數(shù)目的增加，計(jì)算時(shí)間幾乎呈幾何級(jí)數(shù)增加。由于需要矩陣求逆以及精確積分，對(duì)內(nèi)存要求很高。隱式算法的不利方面還有收斂問(wèn)題不容易得到解決以及當(dāng)開(kāi)始

9、起皺失穩(wěn)時(shí)，在分叉點(diǎn)處剛度矩陣出現(xiàn)奇異等。其中靜態(tài)隱式算法多配合動(dòng)態(tài)顯式算法用于求解成型后的回彈分析。    (2)顯式算法：顯式算法包括動(dòng)態(tài)顯式和靜態(tài)顯式算法。動(dòng)態(tài)顯式算法的最大優(yōu)點(diǎn)是有較好的穩(wěn)定性。另外，動(dòng)態(tài)顯式算法采用動(dòng)力學(xué)方程的中心差分格式，不用直接求解切線剛度，不需要進(jìn)行平衡迭代，計(jì)算速度快，不存在收斂控制問(wèn)題。該算法需要的內(nèi)存也比隱式算法要少。數(shù)值計(jì)算過(guò)程可以很容易地進(jìn)行并行計(jì)算，程序編制也相對(duì)簡(jiǎn)單。另外，它也有一些不利方面，比如顯式算法要求質(zhì)量矩陣為對(duì)角矩陣，而且只有在單元級(jí)計(jì)算盡可能少時(shí)速度優(yōu)勢(shì)才能發(fā)揮，因而往往采用減縮積分方法，這樣容易激發(fā)沙漏模

10、式，影響應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算精度。靜態(tài)顯式法基于率形式的平衡方程組與歐拉前插公式，不需要迭代求解。由于平衡方程式僅在率形式上得到滿足，所以得出的結(jié)果會(huì)慢慢偏離正確值。為了減少相關(guān)誤差，必須在每步使用很小的增量，通常一個(gè)仿真過(guò)程多達(dá)幾千步。由于不需要迭代，所以這種方法穩(wěn)定性好，但效率較低。    (3)一步成形法：一步法有限元方程利用虛功原理導(dǎo)出，其基本思想是采用反向模擬。將模擬計(jì)算按照與實(shí)際成型相反的順序，從所期望的成型后的工件形狀通過(guò)計(jì)算得出與此相對(duì)應(yīng)的毛坯形狀和有關(guān)工藝參數(shù)。板材成型過(guò)程的變形決定其有利于進(jìn)行方向模擬。在沖壓成型過(guò)程中，成型后的工件為一空間曲面，而

11、板料毛坯為一平板。以板平面為XY坐標(biāo)平面，整個(gè)成型過(guò)程中各質(zhì)點(diǎn)的Z向位移是確定的。采用有限元計(jì)算求解時(shí)，節(jié)點(diǎn)未知量?jī)H為X和Y方向的位移。板料成型的方向模擬多采用近似方法，假設(shè)變形過(guò)程為簡(jiǎn)單加載過(guò)程，用塑性變形的理論進(jìn)行模擬分析。在分析的過(guò)程中以利用工件形狀進(jìn)行計(jì)算，用簡(jiǎn)化的方法而避免了非常麻煩的接觸處理。一步法方向模擬要求輸入的數(shù)據(jù)少，因此可以在概念及初期設(shè)計(jì)階段就投入使用，可以預(yù)測(cè)毛坯形狀，整個(gè)計(jì)算可以很快的求解出結(jié)果，因此可以反復(fù)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬，對(duì)毛坯形狀、壓邊力、拉延筋等進(jìn)行優(yōu)化。一步法在板料的沖壓拉伸的變形模擬上應(yīng)用非常廣泛    二、基于顯式法沖壓

12、成型模擬Dynaform    ETA DYNAFORM是由美國(guó)ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用于板成形模擬的專用軟件包，可以幫助模具設(shè)計(jì)人員顯著減少模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間及試模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自動(dòng)工具，可方便地求解各類板成形問(wèn)題。DYNAFORM可以預(yù)測(cè)成形過(guò)程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈，評(píng)估板料的成形性能，從而為板成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助；DYNAFORM專門用于工藝及模具設(shè)計(jì)涉及的復(fù)雜板成形問(wèn)題；DYNAFORM包括板成形分析所需的與CAD軟件的接口、前后處理、分析求解等所有功能。   

13、 如下圖所示，為在Dynaform環(huán)境中，對(duì)該網(wǎng)格筋殼片進(jìn)行的沖壓拉伸模擬，圖中顯示了對(duì)2mm厚的鋁合金材料進(jìn)行沖壓拉伸成型后的厚度分布、成型極限圖與成型區(qū)減薄分布。圖5 基于Dynaform網(wǎng)格筋殼片成型模擬    三、基于一步法沖壓拉伸模擬FastForm/Fastamp    采用一步法為核心算法的沖壓模擬軟件最為代表性的是加拿大的FASTFORM Advanced，國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一步法模擬計(jì)算軟件FASTAMP應(yīng)用也比較成功。下文分別采用這兩種軟件包對(duì)網(wǎng)格筋殼片模擬進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹： 

14、60;  3.1基于FASTFORM成型模擬    FASTFORM是成形分析中的高端產(chǎn)品，是最具特色的成形分析軟件，是基于有限元技術(shù)的鈑金沖壓成形專業(yè)數(shù)值模擬軟件，工業(yè)界的多次實(shí)踐證明應(yīng)用FASTFORM進(jìn)行分析只需要幾分鐘。借助于多種后置處理和可視化選項(xiàng)，軟件提供了快速和精確的解算。FASTFORM是非常好用的鈑金沖壓件展開(kāi)與模擬分析軟件，用戶不需要了解有限元或具有鈑金成形經(jīng)驗(yàn)。對(duì)簡(jiǎn)單或復(fù)雜的沖壓零件計(jì)算展開(kāi)形狀，與其它通用的展開(kāi)軟件的區(qū)別表現(xiàn)在其可以對(duì)材料高度拉伸和變形以及直接折彎等進(jìn)行計(jì)算。展開(kāi)計(jì)算僅需幾分鐘，生成的結(jié)果可用于毛坯下料、模具設(shè)計(jì)、

15、成本估算、快速報(bào)價(jià)以及零件排料等。    FASTFORM即使是對(duì)于材料拉延非常大的零件也能非常精確預(yù)測(cè)其下料的形狀。這個(gè)下料形狀可以用于早期成本分析、零件排料、以及優(yōu)化設(shè)計(jì)和減少模具試制等，下料形狀也可以按IGES或Nastran格式輸出以作為其它應(yīng)用。自動(dòng)網(wǎng)格圓滑縫接、輔助工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)、壓料圈生成和分析、自動(dòng)成形條件(快速邊界)、模擬焊接板料、自動(dòng)計(jì)算出沖壓力、主應(yīng)變方位、高級(jí)回彈分析回彈幾何形狀可以用IGES/NASTRAN等格式輸出。    FASTFORM 能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)沖壓件展開(kāi)形狀精確計(jì)算。簡(jiǎn)單加載所設(shè)計(jì)零件的幾何模

16、型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格處理，設(shè)定所用材料并運(yùn)行求解器。系統(tǒng)廣泛地集成了試驗(yàn)數(shù)據(jù)并被證明十分精確。讀取IGES 幾何模型，幾秒內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修補(bǔ)。FASTFORM 包含一個(gè)內(nèi)置的，用戶可自定義的通用材料數(shù)據(jù)庫(kù)以便在計(jì)算中協(xié)助產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。FASTFORM 為任意鈑金零件進(jìn)行板料形狀展開(kāi)的精確計(jì)算，包括那些帶有較大材料拉伸的零件下料計(jì)算。這個(gè)板料形狀可以用于早期成本分析、材料利用率排樣優(yōu)化甚至模具設(shè)計(jì)等。顯示沖壓計(jì)算后之材料厚度變化分布圖。IGES 和 VDAF 曲面可以在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)自動(dòng)網(wǎng)格劃分和修補(bǔ)。網(wǎng)格修補(bǔ)系統(tǒng)也可處理導(dǎo)入的網(wǎng)格 ( NASTRAN 格式) 以達(dá)到與CAD及其它CAE程序之間

17、的柔性接口。如下圖6所示為在FastForm中模擬沖壓拉伸成型過(guò)程的厚度分布、平均應(yīng)變、成型區(qū)域分布與三維回彈分析模擬結(jié)果，其沖壓成型噸位為232.6噸。圖6 基于Fastform的網(wǎng)格筋殼片成型模擬    3.2基于FASTAMP的沖壓成型模擬    一步法應(yīng)用于網(wǎng)格筋殼片的沖壓拉伸成型模擬，其分析速度和計(jì)算精度足以滿足工程應(yīng)用，如下圖應(yīng)用Fastamp軟件平臺(tái)對(duì)1.6mm厚的該網(wǎng)格筋殼片進(jìn)行模擬分析的結(jié)果，從模擬成型過(guò)程的應(yīng)變應(yīng)力分布、減薄率與厚度分布、成型極限圖的模擬結(jié)果來(lái)看，該產(chǎn)品在產(chǎn)品延伸率范圍內(nèi)是能夠滿足成型要求的，其制造

18、工藝性是合理可行的。圖7基于Fastamp網(wǎng)格筋殼片成型模擬    四、小結(jié)    本文通過(guò)對(duì)某大型鋁合金網(wǎng)格筋殼片的沖壓拉伸成型過(guò)程中，分別采用基于動(dòng)態(tài)顯式核心算法的Dynaform軟件、一步法為核心算法的Fastform和Fastamp軟件平臺(tái)，對(duì)拉伸成型后的減薄率與厚度分布、應(yīng)力應(yīng)變分布與成型極限進(jìn)行了有限元模擬分析計(jì)算。該模擬分析的計(jì)算結(jié)果表明，該網(wǎng)格筋殼片的制造工藝性是合理可行的，該計(jì)算模擬分析過(guò)程與結(jié)論對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝和模具設(shè)計(jì)起到了較好的指導(dǎo)作用。    板料成形在汽車、航空、模具等行業(yè)中占據(jù)著重要地位。板料成形的主要難點(diǎn)問(wèn)題就是較長(zhǎng)的模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期，特別是對(duì)于復(fù)雜的板料成形零件無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成形的結(jié)果，難以預(yù)防缺陷的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的方式存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、試模次數(shù)多、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。某些特殊復(fù)雜的板料成形零件甚至制約了整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。而板料成形CAE技術(shù)及分析軟件的出現(xiàn)，有效地縮短模具設(shè)計(jì)周期、減少試模時(shí)間、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，從根本上提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。    如圖1和圖2所示分別