冲压成形仿真过程中有限元网格模型的建立重点.docx
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冲压成形仿真过程中有限元网格模型的建立重点
冲压成形仿真过程中有限元网格模型的建立孙杰1,袁国定1,陈炜1,姜银方1,余雷1,仲志刚2
(1.江苏大学江苏镇江212013;2.南京模具装备有限公司江苏南京210000
摘要:
网格模型对冲压成形模拟的精度和效率影响极大,文中阐述了有限元网格模型建立的方法,并从单元尺寸、单元类型、自适应网格再划分技术等方面论述了如何解决精度与效率的问题。
关键词:
冲压成形;网格;自适应网格划分
中图分类号:
TG38;O242.21文献标识码:
B文章编号:
1001-2168(200306-0003-04
TheEstablishmentofFiniteGinStampingFormin
SHUNJie1,YUANGuo-ding1,CHENWei1,JGian1,1,ZHONGZhi-gang2(JiangsuUniversity,g,J,China;
2.NanjingDie&Equiptnjing,Jiangsu210000,China
Abstract:
Gridmodeltheaccuracyandefficiencyofstampingformingsimulation.estngfiniteelementsgridmodelwasexpatiatedandtheim2provemencywasdiscoursedintermsoftheelementsize,thetypesandtheself-adaptartitiontechnology.
Keywords:
stampingforming;grid;self-adaptgridpartition
1引言
近年来随着计算机软件、硬件技术的迅猛发展以及计算机技术、图形学与力学、工艺学的交叉和结合,基于数值模拟的计算机辅助工程CAE技术在冲压成形研究领域得到了广泛的应用。
冲压成形数值模拟技术在模拟零件的弯曲、拉伸、胀形、翻边等成形工序时已经有相当高的精度,在指导冲压工艺的制定以及工艺参数的优化方面发挥了很大的作用。
目前在工业界,冲压工艺设计除了依靠传统的定性分析和物理模拟试验等手段外,采用数值模拟研究冲压工艺设计问题已经愈来愈引起人们的重视。
对于冲压成形数值模拟,人们最关注的是计算精度和计算效率,然而这二者相互矛盾、相互制约,如何才能在保证计算精度的同时又有较高的计算效率,建立高质量网格模型是一个非常关键的前提。
网格质量好不仅是指模拟精度高,而且还应该是计算效率较高。
本文从单元尺寸、单元类型、自适应网格再划分等方面阐述了如何建立高质量的网格模型。
2单元尺寸的确定
就单元尺寸与计算精度和计算时间的关系而言,一方面,单元尺寸越小,计算精度就越高;另一方面,单元尺寸越小,单元总数就越多,计算时间就越长。
综合以上两方面的因素,基于计算精度和计算效率兼顾的考虑,在控制单元总数的前提下,应尽量采用较小的单元尺寸。
2.1板料单元尺寸的确定
一般来说,较小的板料单元能够给出准确的几何描述,使薄板完全成形以后对模具有理想的贴模性,模拟的结果比较符合实际,然而这样做会增加板料单元的数量,并且使时间步长减小,从而大大增加成形模拟的计算时间。
以圆筒件拉伸为例,由于是对称件,取其中的1/4,见图1,模具单元尺寸不变,坯料单元尺寸分别采用6mm×6mm、3mm×3mm、2mm×2mm。
通过计算结果(见表1的比较,模型网格采用较小的板料单元尺寸能够得到较高的成形模
模具CAD/CAM
——————————————————————
作者简介:
孙杰(1971-,男,安徽淮南人,硕士研究生,主要从事基于数值模拟的冲压工艺研究,地址:
江苏大学748信箱研001班。
电话:
013913433556,E-mail:
sj00111@163.com
收稿日期:
2002-10-21
注:
实际最小厚度0.82mm。
表1板料单元尺寸对拉伸计算结果的影响
模型类型模型1
模型2
3
板料单元尺寸6mm×6mm
×板料单元数5053模型总单元数6301最小厚度0.0.86mm0.85mm模拟时间
5min41s
18min26s
51min8s
表3模具圆角处单元数量对计算结果的影响
单元数量以3个单元过渡
以5个单元过渡
以10个单元过渡
模拟时间40min41s51min8s1h33min23s最小厚度
0.90mm
0.85mm
0.85mm
注:
实际最小厚度为0.82mm
表2板料单元尺寸对回弹计算结果的影响
模型类型模型1
模型2
模型3
单元尺寸2mm×2mm
4mm×4mm
8mm×8mm
回弹角
2.90°
1.83°
1.02°
拟精度,模型3最接近实际。
然而随着板料单元尺
寸的减小,计算时间显著增加,因此要兼顾精度与效率,板料单元尺寸不宜太小。
一般而言,对于小型零件的模拟,最小单元尺寸控制在2mm×2mm,大型零件的模拟,最小单元尺寸控制在6mm×6mm。
图1圆筒形件拉伸有限元模型1.凸模
2.压边圈
3.坯料
4.凹模
在对冲压件回弹进行模拟计算时,单元尺寸的大小对回弹量计算结果影响显著,单元尺寸越大,回弹量就越小,有时甚至会出现负回弹(与实际相悖。
下面以U形件为例(见图2说明板料单元尺寸对回弹计算结果的影响,由于是对称件,取其中的一半,模具单元不变,坯料的单元尺寸分别采用2mm×2mm、4mm×4mm、8mm×8mm进行计算,板料成形后回弹量的计算结果见表2,计算结果表
图2U形件弯曲有限元模型1.凸模
2.压边圈
3.坯料
4.凹模
明,模型1与实际吻合得较好。
在计算回弹时,板料单元尺寸最好取2mm×2mm。
2.2
模具圆角单元尺寸的确定
良好的模具单元划分是进行板料成形模拟的重要前提之一,面描述的准确性,,可以在模
在变化
在型面变化剧烈的模,,因此(尤其是凹模圆角处的网格划分情况是影响模拟计算精度至关重要的因素。
以圆筒件拉伸为例(见图1,模具圆角分别以3、5、10个单元过渡,对板料成形进行模拟计算,得到表3所列数据。
通过比较,发现模具圆角采用10个单元过渡的模型所得到的计算结果比采用3和5个单元过渡的模型的精度要高。
由于模具单元尺寸不影响计算效率,仅影响模具型面的描述,在进行拉伸模拟时,在模具圆角处应尽量划分得细致一些,一般至少保持5个单元以上。
大量的计算表明,回弹模拟时,模具圆角应划分得更为细致,模具圆角至少应以7个单元过渡,最好以15个单元过渡[1]。
3
单元类型的选择
薄板冲压成形计算机仿真的关键是仿真理论的
可靠性和实用性,其中壳体理论和壳体单元的适当选取在很大程度上影响着仿真结果。
由于基于各种近似壳体理论的单元不断出现,所以在板料成形有限元分析中,单元的类型非常多,而这些单元在实际的模拟中有不同的计算效率和计算精度,选择合适
注:
回弹角为U形件直壁与铅垂线的夹角,实际
为3.5°。
的单元类型是达到最佳计算效率和精度的重要手段。
在壳体理论上,人们做了大量的研究工作,其中以Hughes和Belytschko的工作尤为著名,目前在薄板成形有限元分析中使用得最为普遍和成功的两种壳单元是Hughes-Liu壳单元(简称HL壳单元和Belytschko-Tasy壳单元(简称BT壳单元。
HL壳单元由于采用了退化的实体单元的公式,因而可以适应任意复杂的变形,且具有较高的计算精度。
但是,由于单元公式比较复杂,计算量较大,在求解大型复杂的板料成形问题时需要较长的计算时间。
为了提高计算效率,引进了Be2
lytschko-Tsay壳单元,它采用了基于随动坐标系的应力计算方法,不必计算费时的Jaumann应力,因此有很高的计算效率[2]。
由于BT
壳单元计算效率高,同时计算精度与HL壳单元相差无几,因此在显式有限元分析中,BT
种单元。
4
4.1
(1,本着计算效率与计算精度兼顾的原则,恰当地确定模具及板料的单元尺寸。
(2由于零件是由大量的曲面组成,面与面之间可能有裂缝、交叉、重复等缺陷,在划分网格时,首先要进行几何整理,消除这些缺陷。
(3网格模型中无畸变网格。
(4模具网格的单元法向应指向板料。
4.2网格模型建立的步骤
(1用UG、Pro/E等软件对零件的工艺数模进行三维建模,并导出IGS文件。
(2用Dynaform、Hypermesh等有限元软件读入IGS文件。
(3对几何信息进行整理,消除面与面之间的裂缝、交叉及重复。
(4划分网格。
(5对划分好的网格进行单元质量检查(如翘曲、长宽比、形态、交叠等,对不合格的单元进行修改。
(6翻模(根据工艺数模的网格模型翻制凸模、凹模、压边圈等。
(7调整模具单元法向,使之指向坯料。
5自适应网格的划分
对于复杂曲面的模具,板料在成形过程中局部区域会产生剧烈的弯曲变形,如图3所示,如果坯料网格尺寸太大,就不能在模具的圆角过渡处充分成形,这样就会产生较大的计算误差。
如果采用较小的单元,势必会增加单元的总数,降低极限时间步长,增加计算的机时。
虽然采用局部细分网格可以尽量节省机时,但由于板料大变形和在模具中相对滑动,难以预测局部细分网格在初始状态板料上的位置,而且局部细分网格在前处理时也有很多麻烦,因此采用自适应网格再划分技术是解决这一问题的有效手段。
所谓自适应网格划分,就是坯料在接触过程中遇到变形较剧烈的地方时自动进行局部区域的网格细分,以此提高有限元计算在这些部位的计算准确度,如图4所示。
图4自适应网格细分示意图
自适应网格再划分技术是一个非常有用的工具,它能在保证计算精度的同时,极大地提高计算效率。
若采用自适应网格再划分技术,可以将初始的板料单元划得很大,计算时间步长就会大大增加,从而大大减少计算时间。
在计算过程中,它还会根据计算精度的要求,合理细分板料单元,因此在进行冲压成形模拟时应尽量采用这一技术。
6实例
本文采用Dynaform软件进行仿真,零件选择某汽车后轮罩(见图5,该零件属于汽车内覆盖件,形状比较复杂。
在工艺设计时,采用5道工序来完成,即落料、拉伸、修边冲孔、整形翻边、修边冲孔,本文仅以第2道工序为例进行说明。
由于零件尺寸较大且形状比较复杂,采用自适应网格划分技术,板料初始单元尺寸为25mm×25mm,凸、
凹模单元最小
尺寸为1mm,最大尺寸为12mm,凸、凹模圆角以5个单元过渡,单元类型为BT壳单元,虚拟冲压速度为3000mm/s,模拟工艺参数按实际工艺参数设定。
图6为仿真结果厚度分布云图,结合实冲,沿图示的测量线将模拟与实冲数据进行了比较,仿真计算结果和实冲结果吻合得较好,不仅沿着各参考线上两者的变化规律基本一致,而且大部分区域吻合度均达到80%左右,限于篇幅,本文仅给出部分区域数据对比图,见图7、图8。
图5轿车后轮罩
图6拉伸工序仿真结果厚度分布及测量线示意
图7OA线厚度实冲与仿真结果对比图
7
结束语
通过以上研究可以得出以下结论:
(1为了兼顾计算精度与计算效率,板料单元
图8OD2(如模具圆角,。
(BT壳单元。
(4对型面复杂的模具,应尽量采用自适应网格
再划分技术。
参考文献:
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钟志华,李光耀.薄板冲压成形过程中计算机仿真与应用[M].北京:
北京理工大学出版,1998.
[3]彭颖红.金属塑性成形仿真技术[M].上海:
上海交
通大学出版社,1999.
[4
]
余雷
.
基于数值模拟的车身覆盖件多步冲压工艺
研究[C].江苏大学硕士论文,2001.
上海模协将举办第三届模具实用技术交流会随着中国加入WTO和中国经济的迅速发展,促使世界制造中心向中国转移,此时模具工业的发展显得尤为重要。
为增进模具行业的技术交流和推动模具制造行业的发展,上海模具工业协会将于2003年8月30日至9月2日在沪举行“第三届模具实用制造技术交流会”,届时将由中国、日本、法国、新加坡、中国台湾等模具生产第一线的专家向与会者展示、交流先进的模具实用制造技术和相关经验,并同时向与会者介绍国外具有国际先进水平的模具制造技术,为模具界人士提供交流、学习的机会。
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- 冲压 成形 仿真 过程 有限元 网格 模型 建立 重点