（车辆工程专业论文）基于并行计算的金属塑性成形仿真分析中关键技术研究.pdf

耩七举德捷文 揣要 薄袄盛搿怒瓣瑶模交使缓瓣发生黧稳燮影嚣澎躐零律弱麟淹缓零。为了镰簸 横鼷蘸开茨瑙粥，缀多公弼都推滋了非常适台予横熬设计工稼烬使用的板料成黪 羧瞧穰藏获抟。毽楚蘧蔚缀辩或移熬晁孵攘墼嗣戆篾綮，商瓣露搂罄菸弱戆殿夫， 计簿薅窝邈潞之丈羹蘧黧。是了搀翥嚣舞效率，攀文溪弱并行菠踌嚣太蕊摸薄蔽 成形问题进行德真求解。针对有限元横型的特点，建立了橹芙 ：露始化分区添缜。 对予垒嚣薅积黢影王艺，袋蠲毒疆元漆求籁金臻餐一陡体积戏黪镑囊润藤辩，强王 事变形交一淹疆发，褥产生严萋的鬻褥麟变，藏辩，藏胬必裘对肖鞭元鬟燮遂嚣 瓣擦藁梅。然禚，瓣捺黧梅必矮袋籁予菜耱控铡礁测，不靖黥羧裂准粼溥产生不 潮涎诗冀结隳，鞋蘸没脊绫一的凇则磷掰。另黔，力学燮在毅 罐网臻之阙的转换 瞧会带来瑟麴跨箕误差。熬越，羹鞠潮格会造戒髓攫下降窝震鬣攒失。霹予较爱 杂瓣三维成黪佟，浃逮霹嚣靛耀藜蘩分至今爨麓爨器一大蕊憋。秃涵疆浚哥熬 繇决惫_ | i 嘉体积箴鼯倍真中举元畸变鹬闽越，并虽熊秣较商豁计辩精度，毽涵予无 黼穗法孛懿缮濑爨蠢褒散煮遵遘蠢凌撩赡褥遥，戮忿诗冀效率羧甄。舞魏，零文 楚立了鞋r k p m 菱鼹疆方法燕理论熬懿瓣袅霾终辍成形势驽访嶷蓉绞。 综上所逑，本文的饿粉煮总结如下： f 1 ) 莰撼爨蕊冀法帮弗褥计算嚣壤憋特点，建立了基予港愚终漾壤铡魏凝粒魔 势行褥粱。驻蕊寿蔽嚣法辩嚣秘穰鼗镶诗葵青法鬟有蓬磐懿诗蒋趱都蒋瞧，酃在 不考纛接熬避稚静祷琵下，除了繁蔗爨力静簧蘧蘧撩，辑青麓诗舞筠跫在攀元海 郝谶 予的。磷l b mp s e r i e s6 9 0 是一款斑进的高端l 肄mu n i x 照转器。针对数据中 心掰需豹容黎、牲巍帮胃纛蕊，p s e r i e s6 9 0 主翡p o w e r 4 + 楚矮褥采麓了嚣m p o n a - - c h i p 设诗蘩椽，嚣强大羲逶骥努送凌靛疆怒多资深翁熬澳遥程霹叛双茭它 能膘不那么鞭綮麓懿理瀵襁中诺入冀稳瓷滚。基于激上藤毽，筏稻选择了熬予涟 崽传递模式豁裰粒嶷并嚣撩黎。烫了骚汪爨式数蕊并嚣粪法懿能势，分裂绒粼了 稠应翁基予m p t 释o p e n m p 荠行测试程序，对雅嶷毙这伐蠲耀分弱进行了墩鲜。 潺过对二嚣鞠涟滗虢院竣，验证了瓣狡发并行梅黎的可行往鞠离藏性。 犯) 摄感了嫠予多艨次努区繁跨瓣修东多层次落二分分醚法粒磐歪多艨淡蔻 镶二分势嚣法及葵褰效翳露德缝褥。多瀑蒎算法分必邃袋，分嚣秘透蒙三_ 令瀚段， 蘩中在褪豫除段，本文稳塞了辇予溪患乎衡策戆( v b s ) 鹃瀑台边投重嚣懿嘏纯方 法( m e m ) ；在分区输段，针对谱二分分区法和几何= ：三分分区演，构造了蕊效合理 的存 蠡筵秘；在还漂黪蔽，零文莱羯了k e r n i g h a n * l i n 甍帮凌化箨法，在势瓣其骚 陷避嚣了黪歪瓣墓麓主爨爨了乎餐k l ( b k l ) 霜j 懿谯纯分褒方法。校褥菇上势透臻 他埋谂，本文建立了基予骼疆多层浚潦二分分区法( m m r s b ) 耪耱旋多矮次咒秘二 基于并行计算的金属塑性成形仿真分析中关键技术研究 分分区法( m m r c b ) s b 核心的并行计簿切始化分区系统，并采蚓该系统对不固几 霹 特征模型进行分区测试，同传统分区方法比较，本系统得到了陋理想的分区效果。 ( 3 ) 针对有限元阚格模型酌特点，建立了鏊于单元的并行枥始化分区系统，编 制了分区系统稠板糕成形并行仿真系统的接 = l 程序。通过对s 形导软和汽车顶羞 冲厦成形的过程进行了数值求解对系统的并行效率进行了验证。 ( 4 ) 讨论了基予初始构形的t l 格式和基予当前构形的u l 格式r k p m 无网 梅方法的特点，分别从彩函数的计算、麓戆积分以及裹焱点露节点数搜豢等不霹 方葡对二者进行了分析，选择效率熙高的基于初始构形的t l 格式。并给出了基 于t - l 格式r k p m 驻式无网格数值计算的具体算法，并对该算法进行了编码，建 啻了金属体积残形乏网掺仿真系绫较馋m f sv l ，0 ，并取褥软件著俘权瞧l 家较 牛 登汜号2 0 0 5 s r 0 4 3 6 1 ) 。通过对超弹性和弹塑性等问题的求解可以发现，问有限元 程序相比，该系统对大变形问题的求解有着明显的优势。 f 5 校据秃网捂摸鐾分区爱存在大量共享繁点边界送竣懿特点，疆密了基于背 景积分网格的分区策略。首先对高斯积分点进幸亍分区，分区成再根据每个离期积 分域中包含的节点，形成相应的节点分区。并基于此策略，建立了以多层次分区 为骇心静无网稿拐鲶讫分嚣系统。该系统可戳清除漆斯积分域的边界效应，在并 行数值计算的过程中，每一个迭代步后仅仅对节点边界隧域进行数摄交换，蕊不 涉及相关高斯点信息，大幅度地提商了并行效率。 ( 6 ) 针对无网稽模墼静子送域滴会形减包含大量节点的重热边辨区域的特点， 建立了具有赢效数搬传输能力的数攥结构；根援无网格数值算法的特点，提魄了 无网格并行接触算法，选择了合适的m p i 函数。最终给出了具体实施方案以及实 现代码，建立了金耩体积成形并行无潮格仿真系统p m f sv 1 0 ，并取得软件著作 权f 因家软l 牛登记号2 0 0 5 s r 0 4 3 6 2 ) 。 关键词：金属成形；r k p m 无两格方法；有限元法；接触；并行计算；分区；加 速魄 王i 博十学位论文 a b s t r a c t s h e e tm e t a lf o r m i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s sw i t hu t i l i z i n gt h ep l a s t i c i t yo fm e t a l t ot r a n s f o r mas h e e tm e t a lb l a n ki n t oap a r tw i t hs h e l lc o n f i g u r a t i o nb yd i e s i no r d e r t os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，s o m en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a ls o f t w a r ef i t t i n gf o r s h e e tf o r m i n gs i m u l a t i o np r o c e s sw e r ed e v e l o p e d w i t ht h ec o m p l e x i t yo fg e o m e t r y m o d e l so fb l a n kf o r m i n ga n dr e d u c t i o no ft h es i z eo fi t e r a t i v es t e p ，t h eb l a n km o d e l n e e d sm e s h i n gm o r ef i n ef i n i t ee l e m e n tg r i d s f o ri m p r o v i n gt h ec o m p u t a t i o n e f f i c i e n c y ，t h es i m u l a t i o np r o c e s sw i l lc o s tm u c hm o r ec o m p u t a t i o n a lt i m e i no r d e rt o s o l v el a r g es c a l es h e e t f o r m i n gp r o b l e m s ，w e i n t r o d u c ep a r a l l e l s t r a t e g y w i t h s i m u l a t i o np r o c e s sa n dd e v e l o ps h e e tf o r m i n ge x p l i c i td y n a m i c ss i m u l a t i o ns y s t e m b a s e do nt h em i n d l i n - r e i s s n e rt h e o r ya n dt h eb e l y t s c h k o t s a ys h e l le l e m e n t w e b u i l dt h ei n i t i a lp a r t i t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ff i n i t ee l e m e n tg r i d s a n dp r o g r a m m e dt h ei n t e r f a c ep r o g r a mc o n n e c t i n gt h ef e mp a r a l l e la n dp a r t i t i o n s y s t e m c o m m o n l yb u l kf o r m i n gp r o b l e m ss i m u l a t i o n sa d o p tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h em e s hd i s t o r t i o n sm a y b eo c c u rw h i l el a r g ed e f o r m a t i o np r o b l e m sa r es o l v e db y f e m t h eu n d e r l y i n gs t r u c t u r eo ft h e s em e t h o d sw h i c ho r i g i n a t e sf r o mt h e i rr e l i a n c e o nam e s hi sn o tw e l lf i tf o rt h et r e a t m e n to fd i s c o n t i n u i t i e sw h i c hd on o tc o i n c i d e w i t ht h eo r i g i n a lm e s hg r i d s t h u s ，t h em o s tv i a b l es t r a t e g yf o rd e a l i n gw i t hm o v i n g d i s c o n t i n u i t i e si nm e t h o dw i t hm o v i n gd i s c o n t i n u i t i e si nm e t h o d sb a s e do nm e s h e si s t or e m e s hi ne a c hs t e po ft h ee v o l u t i o ns ot h a tm e s hg r i d sr e m a i nc o i n c i d e n tw i t ht h e d i s c o n t i n u i t i e st h r o u g h o u tt h ee v o l u t i o no ft h ep r o b l e m t h i sc a n ，o fc o u r s e ，i n t r o d u c e n u m e r o u sd i f f i c u l t i e ss u c ha st h en e e dt op r o j e c tb e t w e e nm e s h e si ns u c c e s s i v es t a g e s o fp r o b l e m ，w h i c hl e a d st od e g r a d a t i o no fa c c u r a c ya n dc o m p l e x i t yi nt h ec o m p u t e r p r o g r a m ，n o tt om e n t i o nt h eb u r d e na s s o c i a t e dw i t hal a r g en u m b e ro fm e s h e s c u r r e n t l y , t h ea d a p t i v em e s hg r i d sm e t h o di sl i m i t e df o rt e t r a h e d r o ne l e m e n t ，s ot h e r a p i da n dc r e d i b i l i t yr e m e s hm e t h o di st h eh a r dm i s s i o ni nc o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c s f i e l d s m e s h l e s sm e t h o d sd on o t r e q u i r ec o s t l y m e s h g e n e r a t i o nr e m e s h i n g f u r t h e r m o r e ，m e s h l e s sm e t h o d si m p l e m e n taf u n c t i o n a lb a s i sa n da l l o wa r b i t r a r y p l a c e m e n to fp o i n t s ，t h e r e f o r et h es o l u t i o na n di t sd e r i v a t i v e sm a yb eo b t a i n e d d i r e c t l yw h e r et h e ya r en e e d e da n dw i t hb e t t e ra c c u r a c yt h a nw i t hf i n i t ee l e m e n t m e t h o dw h e r ei n t e r p o l a t i o ni sr e q u i r e d l i m i t a t i o no fm e s h l e s sm e t h o di st h el o w c o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c yd u et oh i g ho r d e ri n t e r p o l a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n gs i z ea n d c o m p l e x i t yo ft h en u m e r i c a ls t r u c t u r a lm o d e l st os o l v e ，t h ea n a l y s i st e n d st ob eav e r y 1 i i 基于并行计算的金属塑性成形仿真分析中关键披术研究 l a r g et i m ea n dc o m p u t a t i o n a lr e s o u r c e sc o n s u m i n g ，f o rt h i sr e a s o n ，t h ep a r a l l e l m e s h l e s sm e t h o dd e c o m p o s e st h ed o m a i ni n t os e v e r a ls u bd o m a i n st os o l v e ；i tc a r l s p e e du pt h em e s h l e s sc o m p u t a t i o ns p e e d a c c o r d i n gt ot h ed i s c u s s i o na n da n a l y s i s ，w es u m m a r yi n n o v a t i v es p o t s ： ( 1 ) e x p l i c i tf e ma n dm e s h l e s sn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o d sp o s s e s s t h e e x c e l l e n tl o c a lc o m p u t a t i o nc h a r a c t e r s ；t h ec o s to fs e r i a l e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t d y n a m i c s ( w i t h o u tc o n s i d e r a t i o n so fm e c h a n i c a lc o n t a c tp r o c e s s ) i sa l m o s tw h o l l y a s s o c i a t e dw i t he l e m e n t s ( i n t e r n a lf o r c ee v a l u a t i o na n dm a t e r i a lu p d a t e s ) t h ei b m p s e r i e s6 9 0i s a n8t o3 2w a ys m ph i g he n du n i xs e r v e re x p l o i t i n gt h ei b m p o w e r 4d u a lp r o c e s s o ro nac h i p ，u s i n ga d v a n c e ds i l i c o n o n i n s u l a t o ra n dc o p p e r t e c h n o l o g i e s ，f o r e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e t h ep s e r i e s 6 9 0s e r v e r s u p p o r t s m i s s i o n c r i t i c a la p p l i c a t i o n so n as i n g l eu n i xs e r v e r ，w i t hd a t a c e n t e r c l a s sr e l i a b i l i t y a n dc o n s o l i d a t i o n d u et oa b o v er e a s o n s ，w es u g g e s tt h ec o a r s eg r a i np a r a l l e l a r c h i t e c tb a s e do nt h em e s s a g ep a s s i n gm o d e i no r d e rt ov a l i d a t et h ea d v a n t a g e so f e x p l i c i ta l g o r i t h mo ff e ma n dm e s h l e s sm e t h o d ，w ep r o g r a mt h ep a r a l l e lb e n c h m a r k c o d e sb ym p ia n do p e n m pi n t e r f a c er e s p e c t i v e l ya n dt h ej a c o b i a ni t e r a t i o np r o b l e m w a ss o l v e db yt w ot y p i c a lp r o g r a m s f i n a l l y ，t h ec o a r s eg r a i np a r a l l e la r c h i t e c ti s p r o v e d t ob eam o r ee f f i c i e n ta n de x e c u t a b l eo n et h r o u g hc o m p a r i s o no ft h e i r s p e e d u p ( 2 ) t h em m r s b ( m o d i f i e dm u l t i l e v e l r e c u r s i v es p e c t r u mb i s e c t i o n ) a n d m m r c b ( m o d i f i e dm u l t i l e v e lr e c u r s i v ec o o r d i n a t eb i s e c t i o n ) p a r t i t i o ns y s t e m b a s e do nt h em u l t i l e v e lp a r t i t i o nt h e o r yw e r es u g g e s t e d t h em u l t i l e v e la l g o r i t h mi s c o m p o s e do ft h r e es t a g e s w ep r o p o s e dn e wc o a r s e na l g o r i t h mm e m ( m i x e de d g e m a t c h i n g ) b a s e do nv b s ( v e r t e xb a l a n c i n gs t r a t e g y ) i nc o n t r a c t i o ns t a g e ；a c c o r d i n g t ot h er s b ( r e c u r s i v es p e c t r u mb i s e c t i o n ) a n dr e b f r e c u r s i v ec o o r d i n a t eb i s e c t i o n ) p a r t i t i o nm e t h o d si np a r t i t i o ns t a g e ，w ec o n s t r u c tr a t i o n a la n dh i g he f f i c i e n c ys t o r a g e o r g a n i z a t i o n ；i nt h er e f i n e m e n ts t a g e ，w eu s ek l ( k e m i g h a n l i n ) l o c a lo p t i m i z a t i o n m e t h o da n dd e v e l o p e db a l a n c e dk la l g o r i t h m t h ep a r t i t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e d b a s e do nt h em m r s ba n dm r s bm e t h o d f i n a l l y , w ei m p l e m e n t e dp a r t i t i o ns y s t e m f o rd i f f e r e n tg e o m e t r yt y p i c a lm o d ea n dg e tm u c hb e t t e rp a r t i t i o nr e s u l t sc o m p a r e dt o t h et r a d i t i o n a lo n e s ( 3 ) a c c o r d i n g 协t h ec h a r a c t e ro ft h ef e mm o d a l ，i n i t i a lp a r t i t i o ns y s t e mb a s e d o ht h ee l e m e n ta n dp r o g r a m m e di n t e r f a c ep r o g r a mo fs h e e tf o r m i n gp a r a l l e l s i m u l a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d t h ess h a p er a i la n dc o p i n go fa u t of o r m i n g p r o c e s s e sw a sa l s oa p p l i e dw i t hs h e e tf o r m i n gp a r a l l e ls i m u l a t i o ns y s t e m i ts h o w e d i v | 尊士学位论文 t h a ts h e e tf o r m i n gp a r a l l e ls i m u l a t i o ns y s t e mh a dg o o dp a r a l l e l s p e e d u pa n dh i g h e r u t i l i z a t i o nf a c t o r ( 4 ) t h el a g r a n g i a nm e t h o dr e f e r r e dt ot h er e f e r e n c ec o n f i g u r a t i o n ( t l ) i s e m p l o y e df o rr k p ms i m u l a t i o no fl a r g ed e f o r m a t i o np r o b l e m i ti sa l s oc o m p a r e d w i t ht h ef o r m u l a t i o nr e f e r r e dt ot h ec u r r e n t c o n f i g u r a t i o nf r o mt h ev i e w p o i n to f m e s h l e s sm e t h o d a n dt h e n ，t h es e r i a lr k p mm e s h l e s sp r o g r a m - - m e t a lb u l kf o r m i n g m e s h l e s ss i m u l a t i o ns y s t e mm f sv 1 0 ( s o f t w a r er e g i s t e r e di d 2 0 0 5 s r 0 4 3 6 1 ) s o l v i n gh y p e r e l a s i ca n de l a s t i c p l a s t i cl a r g ed e f o r m a t i o np r o b l e m sw a sd e v e l o p e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h er k p mm e s h l e s sp r o g r a mp e r f o r m e di n s o l v i n gt h em e s h d i s t o r t i o nh a p p e n e di nf e ma n a l y s i s ( 5 ) d u et o t h es u b z o n eo fm e s h l e s sm o d e lh o l dam o u n to fs h a r e dn o d e si n o v e r l a p p e db o u n d a r yz o n e s ，t h ep a r t i t i o ns t r a t e g yb a s e do nt h eb a c k g r o u n di n t e g r a t i o n c e l l sw a sp r o p o s e d t h eb a c k g r o u n di n t e g r a t i o nc e l l ss h o u l db ep a r t i t i o n e df i r s t ， n o d e sd o m i n a t e di ne a c hc e l lc a nb ea s s i g n e ds e q u e n t i a l l ya n dn o d a ls u b z o n ec r e a t e n a t u r e d l y t h em e s h l e s sp a r a l l e li n i t i a lp a r t i t i o ns y s t e mw i t hm u l t i l e v e lp a r t i t i o n a l g o r i t h mw a sc o m p l e t e da c c o r d i n ga sa b o v es t r a t e g y t h ep a r t i t i o ns t r a t e g yc a n c l i m i n a t et h eb o u n d a r ye f f e c to fb a c k g r o u n di n t e g r a t i o n s t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e o n l yh a p p e n si nn o d a lb o u n d a r i e si ne a c hi t e r a t i o ns t e p f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a r t i t i o n s t r a t e g yc a ni n c r e a s et h ep a r a l l e le f f i c a c yi nl a r g ee x t e n t ( 6 ) d u et oam o u n to fs h a r e dn o d e si nb o u n d a r yd i s t r i c t sb e t w e e ne a c hs u bz o n e ，t h em o u n t c o m m u n i c a t i o ni n c r e a s ea c c o r d i n g l y f o rr e d u c t i o nt h ec o s tt i m eo fc o m m u n i c a t i o na n di d e a lf i n e o fe a c hp r o c e s s ，h i g he f f i c i e n c yd a t as t r u c t u r ew a sd e v e l o p e d a d d i t i o n a lm e s h l e s sp a r a l l e l c o n t a c ta l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fm e s h l e s sn u m e r i c a la l g o r i t h mw a sp r o p o s e d e x p l i c i tm p im e s s a g ep a s s i n gs t a t e m e n t sw e r ee m p l o y e df o r c o a r s eg r a i np a r a l l e lp r o g r a mi n a n a l y s i sp r o c e s s ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i z e so fc o n t a c ts e a r c hp r o b l e m s ，t h ep a r a l l e l c o n t a c t s e a r c ha l g o r i t h mw a sa l s op r e s e n t e d t h em e t a l b u l kf o r m i n gp a r a l l e ls y s t e mp m f sv1 0 ( s o f t w a r er e g i s t e r e di d 2 0 0 5 s r 0 4 3 6 2 ) w a se s t a b l i s h e da n di m p l e m e n t e di n t o3 db u l km e t a l f o r m i n gp r o b l e m s t h es e v e r ed i s t o r t i o nm e s hg r i dp r o b l e mw a ss e t t l e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h ee f f i c i e n c yo ft h es u g g e s t e dp a r a l l e lr k p ma l g o r i t h m k e y w o r d s ：m e t a lf o r m i n g ；r k p mm e s h l e s sm e t h o d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d c o n t a c t ；p a r a l l e lc o m p u t a t i o n ；p a r t i t i o n ；s p e e d u p v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 ， 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 寻缈 日期：2 0 0 6 年3 月1 4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，吮许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者躲影渺 剔隧轹审比 日期：2 0 0 6 年3 月1 4 日 日期：2 0 0 6 年3 月1 4 日 博士学位论文 第1 章绪论 金属塑性成形一般可分为体积成形和板料成形两大类，而且金属塑性变形过 程非常复杂，是一种典型的非线性问题，包含材料非线性、几何非线性和接触非 线性。因此，塑性有限元比线弹性有限元复杂。板料成形是利用模具使板料发生 塑性变形而形成壳体零件的技术。为了缩短模具的开发周期，很多公司推出了非 常适合于模具设计工程师使用的板料成形数值模拟软件。但是随着板料成形的几 何模型日趋复杂，模型需要划分比较细的有限元网格，另外随着迭代步长的减小， 计算时间也随之大量增加。本文采用并行策略对大规模问题进行仿真求解，以自 主开发的壳单元为理论基础的板料冲压成形并行系统c a d e m p 为仿真手段，针 对有限元模型的特点，建立了相关初始化分区系统。对于金属体积成形工艺，当 采用有限元法求解金属塑性体积成形仿真问题时，工件变形到一定程度，将产生 严重的网格畸变，此时，就有必要对有限元模型进行网格重构。但是，网格重构 必须依赖于某种控制准则，不同的控制准则将会产生不同的计算结果，目前并没 有统一的准则可用。另外，力学量在新旧网格之间的转换也会带来新的计算误差。 因此，重构网格会造成精度下降和质量损失。对于较复杂的三维成形件，有限元 网格的自适应也仅仅局限于四面体单元，快速可靠的网格重划分至今仍是世界一 大难题。为此，本文建立了以r k p m 无网格方法为理论基础的金属体积成形并行 仿真系统。 1 1 板料成形数值模拟技术及其当前进展 板料成形是利用模具对金属板料进行冲压加工，以获得质量轻、表面光滑、 造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模 具等领域中占据着重要地位。由于扳料成形是利用板材的变形而得到所需的形状， 长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具设计开发周期，特 别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测其成形的结果，难以预防缺陷的产生， 只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。 某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。板料成形c a e 技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形 性分析以及工艺方案的优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间， 帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。 板料成形包含多个复杂的物理过程，如板料的弹塑性变形，板料与模具的摩 擦磨损，摩擦生热及热传导和冲击声波的传输过程等。这些过程都有一定的相互 基于并行计算的金属塑性成形仿真分析中关键技术研究 关系，只是程度不周。在全部蛇物理过程中，最重要的是扳料躲弹塑性交形过程， 与该过程紧密相关的有：模具与板料的接触与摩擦过程；模具和压扳的运动过程： 压力机的加载过程等。由于在板科成形过程中，模其的刚性通常远远大予板糊的 嬲髅，隧姥模县斡变影糖对投糕的变影来说嚣常，l 、( 可以认先是剐体) ，霹以忽蝮 不计。因此，在冲压成形过程的仿真分析中应考虑的问题可归结如下几方面：板 料的大位移、大转动和大变形条件下的弹塑性变形的描述和计算；板料与模具间 接触力戆诗算；扳龉与模其接皴瑟阙瘁擦戆爨述及摩擦力熬诗赛；模其豹尼褥播 述和运动计算；压力枫加载过程的描述和模拟。 板料冲压成形过程可抽象为一个力学过程，在朗模、凸模、压边圈和板料四 令运动钵中，教精为撵鳖性交澎俸，其余三令捧潮体处毽。力学闫题哥籀述懿f ： 给定凹模、凸模、压边圈和板料的几何特征；凹模的运动特征；压边圈的质量分 布；板料的初始几何特征；板料的弹塑校变形特征；板料与凹、凸模及胍边圈间 翡壤擦将萑。仿龚扳耩翡弹塑往交形过程，必须求癌伟粥在教籽上麓各释努力， 其中包括：压边圈对扳料的作用力；凹模对板料的作用力；凸模对投料的作用力； 上述作用力中又包括法向接触力和切向摩擦力，此外板料还受到重力的作用。求 解这样个复杂的潮俸运动帮板籽弹塑毪变形过程强前凝有效的方法是裔限元方 法，将冲压戏形过程的计算终为魂态问题来处理。 最早的金属板材成形的数值模拟方法是有限差分法，此方法仅限于解决诸如 球形冲头胀形等轴对称问题。有限元方法的应用使得金满成形模拟获得突破，相 继出现了则塑性、辨塑性理论，劳逸嗣遮些理论进簿豹成形摸擞。单元类型以膜 单元和实体单元为主，这些研究工作极大推动了板成形理论的发展，但是由于计 算能力的限制而没有得到广泛的应用。 基予动态爨式算法较锌熬爨瑷标志凌叛楗残形痿真发展窝运矧到实际阗题 中，与此同时，基于静态隐式增量法的软件也进一步发展。经过大约二十几年的 时问，板材成形c a e 技术已经从实验室走向工程应用，并在模具设计中发挥了重 要的箨弼。当藩扳孝孝藏形数_ 篷模掇采溺豹算法分戈显式法稻隐式法强类，萁枣囊还 有步成形法簿。 显式算法靓括动态显式和静态擞式算法。动态媳式算法的最大优点是有较好 的稳定谯。另岁 ，动态纛式算法采糟动力学方程酌中心麓分穆式，不舔短接慕解 切线刚度，不器要进行平餐迭代，计算遮度快，也不存在收敛控制问题。该算法 需要的内存比隐式算法要少。数值计算过程可以很容易地进行并行计算，程序编 稍褶对筒单。禺矫，它 燕有一些不聱j 方灏：显式算法要求质羹矩阵为对角矩阵， 露量只套在单元缀计算尽可能少的情提下速度优势方戆发挥，医惑往往采用减镶 积分方法，但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 基予率形式的平衡方程鲡与e u l e r 前插公式，不需要迭代求解。由于平衡方程式 清圭学链论文 仅需要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，魏掇是必须每步使翅很j 、嚣蠼量，通常一个仿真过稷雾达凡于步。盎于不 需要遥 弋，所以这种方法稳定往妤，但缺点楚效率低。 静态隐式算法也是解决金属成彤问题的一种方法。在静态隐式算法中，每一 增量步内，都需要对静态平衡方程进行迭代求解。理论上这个算法中的增量步可 | 奠镶大，缳是实际运舞中骜要受刭接麓以及露撩等条传豹黻镧。随羞擎元数强懿 增加，计算时间几乎黛平方次增加。由于需要孵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包括收敛问题不容易解决以及当开始起皴失稳时， 在分叉点处雕度矩阵惑瑷奄冥。爨有一耱静态戆式大增量步软斧，瞧鼹予静态隐 式算法。它已做出了菜些改进，粥在些特殊接触条件处瑷上采用大增最步、弯 曲与拉伸变形的非耦求解算法、高精度的自邋应网格划分等。这些专用于金属 薄板成形的特征有时遍得非常有效，但在某些方露不会那么准确。例如，它不能 糖礁模毅镶簸帮聪离缓辍豹过程，无法有效颡 羹| | 起皱失稳麓。 一步成形法只需采用一个对步，通常采用线性应变路径的假定，并殿忽略接 触摩擦过程，可以在缀时间内根据成形后的构形计算出初始坯料的尺寸。如果结 合c a d 软髂与溺格划分功戆，这一方法霹激京设诗懿魏戆泠莰捷供j 鬻毒绥篷 的信息。巍然，结果的准确性通常很低，实质上是一种近似求解。 目前，较多的公嗣都推出了非常适合于模具设计工程师使用的板料成形数值 模掇软绺。国外比较枣名鲍巍她纯扳料成形数僮模拟软 譬有e s i 公司的 p a m s t a m p 、美国e t a