冲压成形仿真过程中有限元网格模型的建立重点.doc

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 :T G38;O242. 21文献标识码 :B文章编号 :1001-2168(2003 06-0003-04The Esta bl ishment of Finite G in Sta m p in g ForminS HUN J ie 1, YUAN Guo-di n g 1, CHEN Wei 1, J G i a n 1, 1, ZHON G Zhi-g a n g 2 (J ia n g s u U ni ve rsit y , g , J , Chi na ;2. Na n j i n g Die &E q ui p t n j i n g , J ia n g s u 210000, Chi na Abstract :Grid model t he accurac y a nd efficie nc y of s t a m p i n g f or mi n g si mulation. es t n g fi nit e ele me nts g rid model was e x p atiat e d a nd t he i m 2 p r ove me nc y was discours e d i n t e r ms of t he ele me nt size , t he t yp es a nd t he s elf -ada p t a r tition t echnolo gy .K e y words :s t a m p i n g f or mi n g ; g rid ; s elf-ada p t g rid p a r tition1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 CA E 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 :sj 00111163.co m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 23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. 86mm 0. 85mm 模拟时间5min41s18min26s51min8s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 40min41s 51min8s 1h33min23s 最小厚度0. 90mm0. 85mm0. 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 2mm4mm 4mm8mm 8mm 回弹角2. 901. 831. 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 Hu g hes 和 Bel y t schko 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 Hu g hes-Liu 壳单元 (简称 HL 壳单 元 和 Bel y t schko-Tas y 壳单元 (简称 B T 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 Be 2l y t schko-Tsa y 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 J aumann 应力 , 因 此有很高的计算效率 2。 由于 B T 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 , B T种单元 。44. 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 U G 、 Pro /E 等软件对零件的工艺数模进 行三维建模 , 并导出 I GS 文件 。(2 用 D y naform 、 H yp ermesh 等有限元软件读 入 I GS 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 D y naform 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 B T 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 8OD 2 (如模具圆角 , 。( B T 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 :1刘 罡 . 基于回弹控制的提高轿车冲压件成形精度 的方法研究 C .上海交通大学博士论文 ,2001. 2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