汽车覆盖件成形模拟过程中的网格划分技术.doc

汽车覆盖件成形模拟过程中的网格划分技术 一、引言 汽车覆盖件冲压成形模拟技术是借助于计算机软件对薄板冲压成形过程进行模拟。在汽车薄板冲压成形过程中，材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响等等，都是十分复杂的问题。这使得汽车覆盖件冲压成形工艺和模具设计缺乏系统的、精确的理论分析手段，而是主要地依据工程师长期积累的经验。对于复杂的成形工艺和模具，设计质量难以得到保证；一些关键性的设计参数要在模具制造出来之后，通过反复的调试、修改才能确定。这样就浪费了大量的人力、物力和时间。而借助于模拟方法，则能使人们获得对于塑性成形过程规律的认识，以较小的代价、在工艺设计阶段在较短的时间内找到最优的或可行的设计方案。减少调试、修模，避免工艺设计严重失误导致的报废。 自七十年代以来，随着有限元技术的不断发展和成熟，人们开始越来越多的使用计算机数值模拟来帮助实现更为准确的工艺分析。相应的软件也层出不穷，在汽车覆盖件模具行业CAE软件的应用极大的加速了模具的生产效率，模具工程师在工艺设计的初始阶段可以利用软件的快速成型的功能来检验自己的设计思路，而在工艺设计的后半段，又可以借助CAE软件的标准成型模拟来进行详细的工艺分析。国外已经推出了几个比较成功的薄板冲压模拟CAE软件，例如DYNAFORM, PAM-STAMP, AUTOFORM等薄板成形模拟软件。在我国的汽车模具行业这些软件已经开始的到应用。 不论哪一个软件，它的最重要的一步就是网格划分，网格划分一旦出现问题，所有的结论将出现偏差，合理的网格划分将使模拟的结果更为逼真于真实变形状态。上面列举的软件都有自己的网格划分器，除此之外还有一些通用的网格划分器，例如GSMESHER, HYPERMESH等，它们不但能进行实体的网格划分，还能进行板壳类的网格划分。 二、网格划分的步骤 首先将一般的模具数据模型转换为标准的CAD格式（例如IGES、VDA、STEP等），然后用CAE软件导入，并存储为自己相应的数据格式。在导入的过程中软件会消灭一些几何缺陷，清理几何型面，消灭小曲线和小表面，融合一些接触曲线，处理各个表面间的边界。导入的模型应为凹模，因为当我们把凹模划分网格并修改检查后，就可以直接利用CAE软件的偏置功能拷贝出凸模和压边圈，而不用重新把凸模和压边圈划分网格。 接下来进行模具的网格划分。一般划分网格时，首先建立一个拓扑结构模型。这一步骤是连接分离的型面，使你可以在网格划分的时候得到连续的网格（两个相连的元素在分界线之间共同享用相同的节点）。系统能通过你所定义的公差自动辨认普通表面之间的分界线，以建立我们所说的拓扑模型“topological model”。此步骤可以由用户自己选择，否则划分的网格不会连续。建立好拓扑结构以后，应定义网格划分的参数，并进行网格的自动划分。一般情况下要求用户最少确定四个参数，包括最小元素大小（minimum element size），最大元素大小（maximum element size），两个相连的元素之间的法向夹角（angle），网格的弦高（chord）。最小元素的大小影响着网格划分中最小元素的尺寸。当模型的型面比较平坦时它最大元素的大小则受最大元素参数的影响。两个相连的元素之间的法向夹角所起的作用是规定了两个相连元素之间的最大法向夹角，即当两个元素的夹角大于用户给定的值时，这两个元素会分裂为更多的元素，故它影响着倒角和小圆角部分的网格密度，它的值越小网格则越密。例如：一般我们在划分模具网格时，它的拉延圆角最好有五行元素，这时调整法向夹角的参数就可以达到目的。弦高的大小则影响着大网格半径表面上的网格密度，它的值越大，则网格越少。图（1）为弦高和法向夹角的示意图： 图（1）弦高和法向夹角 在汽车覆盖件模拟中，板料数据一般都是曲线，因此板料的网格划分与模具的划分不一样。通常给定的板料为矩形，划分时设定各个边的节点数，应由计算机划分得到。 在网格划分完成以后，进行网格检查。网格质量的好坏直接影响着模拟的准确程度，因此进行网格检查是至关重要的。网格检查分为以下几项：（1）、检查形状比例，即最长边与最短边的比例，通常要求在810之间；（2）、检查最小内角，不论是矩形还是三角形，它们的内角都应该不小于30度；（3）、检查单个元素的扭曲角，它的最大值不应超过20度；（4）、检查小面积元素，面积太小的话会影响计算时间，用户应根据自己的精度要求决定；（5）、检查重复的元素，在划分网格的过程中出现重复网格的情况是决不允许的，因此应该极为小心；（6）、检查自由节点，在我们修改网格的过程中，删掉网格后会留下一些自由节点，它们位于网格元素的端点处。端点重叠的所有元素在端点处共用一个节点，当在同一位置有两个或两个以上的节点时，网格元素就不会成为一个相连的整体，因此必须删掉多余的节点；（7）、检查元素的法向，任何一个部件的所有的元素的法向必须是一致的，而且凹模的法向必须指向偏置出凸模，压料板的方向；（8）检查边界，任何一个部件的边界线应该只是它的轮廓线。一旦内部出现边界线，说明部件不完全连续，如果不改正，模拟的时候在那个地方会出现裂缝。 检查完网格后，网格划分工作的部分就完成了，这时就可以偏置出凸模，压料板等部件，然后进行参数设定、板料定义等工作了。 三、网格划分中常出现的问题和解决方法 在板料被凸凹模挤压的过程中，它会逐渐变形而与模具的形状相符，这时在板料一些逐渐产生弯曲的部分会明显看出网格过于稀少，这种现象会导致形状失真，并且会在尖端产生穿透，因此必须使它加密。网格自适应技术为这个难题找到了答案，当我们选择网格自适应选项时，计算机会在板料变形的过程中自我评价网格的疏密，并且自动加密网格。从菜单条中选择Analysis-Run LS-DYNA，Analysis Parameters（分析参数）框显示出来，通过在Adaptive mesh框上点击打开自适应网格，在ADAPTIVE CONTROL PARAM.CARD（自适应控制参数卡）中，编辑REFINEMENT LEVEL如下图2 图（2）自适应网格的生成 图中的小圆圈代表网格节点，当它沿着圆角变形的时候，由于网格过于稀少，因此自动增加了网格的密度，如果不使用自适应网格技术，就有可能产生穿透。 图（3）网格被穿透的过程 如图3所示，由于凸模（punch）与板料（sheet）接触的时候，板料上与凸模突出部分相应的位置没有节点，也就是说没有网格线，因此凸模的突出部分穿透了板料（图3的第3个图）。所以我们要求在每一个弯曲圆角上，至少有两个元素，在每一个弯曲周期上，至少有四个元素。这样才能尽量减少穿透的机会。 一般我们都要求在所产生的网格中四边形网格的数目应该多于三角形网格的数目，因为相对于四边形网格，三角形的网格在计算中更为复杂并且易出错。因此在平缓的区域应该尽量采用四边形网格，这样不但可以减少计算的时间，同时可以减少出错的几率。但同时也要注意当四边形网格太大，且流动的方向与网格元素对角线垂直的时候，则可能导致板料流动受阻，在模拟中表现为板料过早的破裂或干脆模拟出现中断。这时可以通过减小网格的尺寸，并用三角形网格代替四边形网格的方法来解决。 当为一个数据模型划分网格的时候，应事先检查一下模具是否存在尖角棱边。尖角棱边一般都是在建立模型的时候没有倒角所遗留下来的，一些软件可以自己对这些圆角进行处理，例如PAM-STAMP可以用fillet选项来完成倒角，但另一些软件例如DYNAFORM无法自动倒角，因此它会把尖角变为平滑过渡的形状，由于这些生成的网格过于复杂，因此经常会造成错误，例如会产生小鼓包或裂纹等现象。对此我们建议最好倒角后再划分网格，这样经过手工处理后，网格划分器就会严格按照模型划分网格，避免了由于划分网格不精确而出现的错误。 另