1、沖壓成形仿真過程中有限元網格模型的建立 孫 杰 1, 袁國定 1, 陳 煒 1, 姜銀方 1, 余 雷 1, 仲志剛 2(1. 江蘇大學 江蘇鎮江 212013; 2. 南京模具裝備有限公司 江蘇南京 210000摘要 :網格模型對沖壓成形模擬的精度和效率影響極大 , 文中闡述了有限元網格模型建立的方法 , 并從 單元尺寸 、 單元類型 、 自適應網格再劃分技術等方面論述了如何解決精度與效率的問題 。關鍵詞 :沖壓成形 ; 網格 ; 自適應網格劃分中圖分類號 :T G38;O242. 21文獻標識碼 :B文章編號 :1001-2168(2003 06-0003-04The Esta bl is

2、hment 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 o

3、f 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 r

4、id ; s elf-ada p t g rid p a r tition1引 言近年來隨著計算機軟件 、 硬件技術的迅猛發展 以及計算機技術 、 圖形學與力學 、 工藝學的交叉和 結合 , 基于數值模擬的計算機輔助工程 CA E 技術 在沖壓成形研究領域得到了廣泛的應用 。 沖壓成形 數值模擬技術在模擬零件的彎曲 、 拉伸 、 脹形 、 翻邊 等成形工序時已經有相當高的精度 , 在指導沖壓工 藝的制定以及工藝參數的優化方面發揮了很大的 作用 。 目前在工業界 , 沖壓工藝設計除了依靠傳統 的定性分析和物理模擬試驗等手段外 , 采用數值模 擬研究沖壓工藝設計問題已經愈來愈引起人們的 重視 。

5、對于沖壓成形數值模擬 , 人們最關注的是計 算精度和計算效率 , 然而這二者相互矛盾 、 相互制 約 , 如何才能在保證計算精度的同時又有較高的計 算效率 , 建立高質量網格模型是一個非常關鍵的前 提 。 網格質量好不僅是指模擬精度高 , 而且還應該 是計算效率較高 。 本文從單元尺寸 、 單元類型 、 自適 應網格再劃分等方面闡述了如何建立高質量的網格 模型 。2單元尺寸的確定就單元尺寸與計算精度和計算時間的關系而 言 , 一方面 , 單元尺寸越小 , 計算精度就越高 ; 另一方 面 , 單元尺寸越小 , 單元總數就越多 , 計算時間就越 長 。 綜合以上兩方面的因素 , 基于計算精度和計算

6、 效率兼顧的考慮 , 在控制單元總數的前提下 , 應盡量 采用較小的單元尺寸 。2. 1板料單元尺寸的確定一般來說 , 較小的板料單元能夠給出準確的幾 何描述 , 使薄板完全成形以后對模具有理想的貼模 性 , 模擬的結果比較符合實際 , 然而這樣做會增加板 料單元的數量 , 并且使時間步長減小 , 從而大大增加 成形模擬的計算時間 。 以圓筒件拉伸為例 , 由于是 對稱件 , 取其中的 1/4, 見圖 1, 模具單元尺寸不變 , 坯料單元尺寸分別采用 6mm ×6mm 、 3mm ×3mm 、 2mm ×2mm 。 通過計算結果 (見表 1 的比較 , 模型網 格

7、采用較小的板料單元尺寸能夠得到較高的成形模模具 CAD /CAM 收稿日期 :2002-10-21注 :實際最小厚度 0. 82mm 。表 1板料單元尺寸對拉伸計算結果的影響模型類型 模型 1模型 23板料單元尺寸 6mm ×6mm×板料單元數 5053模型總單元數 6301最小厚度 0. 0. 86mm 0. 85mm 模擬時間5min41s18min26s51min8s表 3模具圓角處單元數量對計算結果的影響單元數量 以 3個單元過渡以 5個單元過渡以 10個單元過渡模擬時間 40min41s 51min8s 1h33min23s 最小厚度0. 90mm0. 85mm0

8、. 85mm注 :實際最小厚度為 0. 82mm表 2板料單元尺寸對回彈計算結果的影響模型類型 模型 1模型 2模型 3單元尺寸 2mm ×2mm4mm ×4mm8mm ×8mm 回彈角2. 90°1. 83°1. 02°擬精度 , 模型 3最接近實際 。 然而隨著板料單元尺寸的減小 , 計算時間顯著增加 , 因此要兼顧精度與 效率 , 板料單元尺寸不宜太小 。 一般而言 , 對于小型 零件的模擬 , 最小單元尺寸控制在 2mm ×2mm , 大 型零件的模擬 , 最小單元尺寸控制在 6mm ×6mm 。圖 1圓筒

9、形件拉伸有限元模型 1. 凸模2. 壓邊圈3. 坯料4. 凹模在對沖壓件回彈進行模擬計算時 , 單元尺寸的 大小對回彈量計算結果影響顯著 , 單元尺寸越大 , 回彈量就越小 , 有時甚至會出現負回彈 (與實際相 悖 。 下面以 U 形件為例 (見圖 2 說明板料單元尺 寸對回彈計算結果的影響 , 由于是對稱件 , 取其中 的一半 , 模具單元不變 , 坯料的單元尺寸分別采用 2mm ×2mm 、 4mm ×4mm 、 8mm ×8mm 進行計算 , 板料成形后回彈量的計算結果見表 2, 計算結果表圖 2U 形件彎曲有限元模型 1. 凸模2. 壓邊圈3. 坯料4.

10、凹模明 , 模型 1與實際吻合得較好 。 在計算回彈時 , 板料 單元尺寸最好取 2mm ×2mm 。2. 2模具圓角單元尺寸的確定良好的模具單元劃分是進行板料成形模擬的重 要前提之一 , 面描述的準確性 , , 可以在模, 在變化在型面變化劇烈的模 , , 因此 (尤其是凹模圓角處 的網格劃分情況是 影響模擬計算精度至關重要的因素 。 以圓筒件拉伸 為例 (見圖 1 , 模具圓角分別以 3、 5、 10個單元過 渡 , 對板料成形進行模擬計算 , 得到表 3所列數據 。 通過比較 , 發現模具圓角采用 10個單元過渡的模型 所得到的計算結果比采用 3和 5個單元過渡的模型 的精度要

11、高 。由于模具單元尺寸不影響計算效率 , 僅影響模具型面的描述 , 在進行拉伸模擬時 , 在模具 圓角處應盡量劃分得細致一些 , 一般至少保持 5個 單元以上 。大量的計算表明 , 回彈模擬時 , 模具圓角應劃分 得更為細致 , 模具圓角至少應以 7個單元過渡 , 最好 以 15個單元過渡 1。3單元類型的選擇薄板沖壓成形計算機仿真的關鍵是仿真理論的可靠性和實用性 , 其中殼體理論和殼體單元的適當 選取在很大程度上影響著仿真結果 。 由于基于各種 近似殼體理論的單元不斷出現 , 所以在板料成形有 限元分析中 , 單元的類型非常多 , 而這些單元在實際 的模擬中有不同的計算效率和計算精度 , 選

12、擇合適注 :回彈角為 U 形件直壁與鉛垂線的夾角 , 實際為 3. 5°。的單元類型是達到最佳計算效率和精度的重要手段。 在殼體理論上 , 人們做了大量的研究工作 , 其 中以 Hu g hes 和 Bel y t schko 的工作尤為著名 , 目前 在薄板成形有限元分析中使用得最為普遍和成功 的兩種殼單元是 Hu g hes-Liu 殼單元 (簡稱 HL 殼單 元 和 Bel y t schko-Tas y 殼單元 (簡稱 B T 殼單元 。 HL 殼單元由于采用了退化的實體單元的公 式 , 因而可以適應任意復雜的變形 , 且具有較高的 計算精度 。 但是 , 由于單元公式比較復

13、雜 , 計算量較 大 , 在求解大型復雜的板料成形問題時需要較長的 計 算 時 間 。為 了 提 高 計 算 效 率 , 引 進 了 Be 2l y t schko-Tsa y 殼單元 , 它采用了基于隨動坐標系的 應力計算方法 , 不必計算費時的 J aumann 應力 , 因 此有很高的計算效率 2。 由于 B T 殼單元計算效率 高 , 同時計算精度與 HL 殼單元相差無幾 , 因此在 顯式有限元分析中 , B T種單元 。44. 1(1 , 本著計算效 率與計算精度兼顧的原則 , 恰當地確定模具及板料 的單元尺寸 。(2 由于零件是由大量的曲面組成 , 面與面之 間可能有裂縫 、 交叉

14、 、 重復等缺陷 , 在劃分網格時 , 首先要進行幾何整理 , 消除這些缺陷 。(3 網格模型中無畸變網格 。(4 模具網格的單元法向應指向板料 。4. 2網格模型建立的步驟(1 用 U G 、 Pro /E 等軟件對零件的工藝數模進 行三維建模 , 并導出 I GS 文件 。(2 用 D y naform 、 H yp ermesh 等有限元軟件讀 入 I GS 文件 。(3 對幾何信息進行整理 , 消除面與面之間的裂 縫 、 交叉及重復 。(4 劃分網格 。(5 對劃分好的網格進行單元質量檢查 (如翹曲 、 長寬比 、形態 、交疊等 , 對不合格的單元進行修 改 。(6 翻模 (根據工藝數

15、模的網格模型翻制凸模 、 凹模 、 壓邊圈等 。(7 調整模具單元法向 , 使之指向坯料 。 5自適應網格的劃分對于復雜曲面的模具 , 板料在成形過程中局部 區域會產生劇烈的彎曲變形 , 如圖 3所示 , 如果坯料 網格尺寸太大 , 就不能在模具的圓角過渡處充分成 形 , 這樣就會產生較大的計算誤差 。 如果采用較小 的單元 , 勢必會增加單元的總數 , 降低極限時間步 長 , 增加計算的機時 。 雖然采用局部細分網格可以 盡量節省機時 , 但由于板料大變形和在模具中相對 滑動 , 難以預測局部細分網格在初始狀態板料上的 位置 , 而且局部細分網格在前處理時也有很多麻煩 , 因此采用自適應網格

16、再劃分技術是解決這一問題的 有效手段 。所謂自適應網格劃分 , 就是坯料在接觸過程中 遇到變形較劇烈的地方時自動進行局部區域的網格 細分 , 以此提高有限元計算在這些部位的計算準確 度 , 如圖 4所示 。圖 4自適應網格細分示意圖自適應網格再劃分技術是一個非常有用的工 具 , 它能在保證計算精度的同時 , 極大地提高計算效 率 。 若采用自適應網格再劃分技術 , 可以將初始的 板料單元劃得很大 , 計算時間步長就會大大增加 , 從 而大大減少計算時間 。 在計算過程中 , 它還會根據 計算精度的要求 , 合理細分板料單元 , 因此在進行沖 壓成形模擬時應盡量采用這一技術 。6實 例本文采用

17、D y naform 軟件進行仿真 , 零件選擇 某汽車后輪罩 (見圖 5 , 該零件屬于汽車內覆蓋件 , 形狀比較復雜 。 在工藝設計時 , 采用 5道工序來完 成 , 即落料 、 拉伸 、 修邊沖孔 、 整形翻邊 、 修邊沖孔 , 本 文僅以第 2道工序為例進行說明 。 由于零件尺寸較 大且形狀比較復雜 , 采用自適應網格劃分技術 , 板料 初始單元尺寸為 25mm ×25mm , 凸 、 凹模單元最小 尺寸為 1mm , 最大尺寸為 12mm , 凸 、 凹模圓角以 5個單元過渡 , 單元類型為 B T 殼單元 , 虛擬沖壓速度 為 3000mm/s , 模擬工藝參數按實際工藝

18、參數設 定 。 圖 6為仿真結果厚度分布云圖 , 結合實沖 , 沿圖 示的測量線將模擬與實沖數據進行了比較 , 仿真計 算結果和實沖結果吻合得較好 , 不僅沿著各參考線 上兩者的變化規律基本一致 , 而且大部分區域吻合 度均達到 80%左右 , 限于篇幅 , 本文僅給出部分區 域數據對比圖 , 見圖 7、 圖 8。 圖 5轎車后輪罩 圖 6拉伸工序仿真結果厚度分布及測量線示意 圖 7OA 線厚度實沖與仿真結果對比圖7結束語通過以上研究可以得出以下結論 :(1 為了兼顧計算精度與計算效率 , 板料單元圖 8OD 2 (如模具圓角 , 。( B T 殼單元 。(4 對型面復雜的模具 , 應盡量采用自適應網格再劃分技術 。 參考文獻 :1劉 罡 . 基于回彈控制的提高轎車沖壓件成形精度 的方法研究 C .上海交通大學博士論文 ,2001. 2鐘志華 , 李光耀 . 薄板沖壓成形過程中計算機仿真與 應用 M .北京 :北京理工大學出版 ,1998.3彭穎紅 . 金屬塑性成形仿真技術 M .上海 :上海交通大學出版社 ,1999.4余 雷.基于數值模擬的車身覆蓋件多步沖壓工藝研究 C .江蘇