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1、冲压CAE分析及有限元基础 报告人 陈燕妮 1 CAE的概念及应用CAE ComputerAidedEngineering 是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度 刚度 屈曲稳定性 动力响应 热传导 三维多体接触 弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法 CAE技术的应用范围极其广泛 包括零部件和总成的线性与非线性结构 振动 屈曲 疲劳寿命 动力响应分析和优化设计 水箱 风扇等热交换性能分析 进排气系统 车身空气动力学性能分析 冲压 锻造 铸造等工艺过程仿真和工艺设备设计 CAE应用于车身开发上成熟的方面主要有 车辆碰撞模拟分析 金属板件冲压成型模拟分析
2、疲劳分析和空气动力学分析 刚度 强度 应用于整车 大小总成与零部件分析 以实现轻量化设计 NVH分析 各种振动 噪声 包括摩擦噪声 风噪声等 机构运动分析等 我们的任务 冲压的 2 CAE系统的核心思想是结构的离散化 即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体 实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析 得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析 这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题 其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域 即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体 通过将连续体离散化 把求解连续体的场变量 应力 位移 压
3、力和温度等 问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值 此时得到的基本方程是一个代数方程组 而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组 求解后得到近似的数值解 其近似程度取决于所采用的单元类型 数量以及对单元的插值函数 3 CAE各阶段所用的时间为 40 45 用于模型的建立和数据输入 50 55 用于分析结果的判读和评定 而真正的分析计算时间只占5 左右 针对这种情况 采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型 完成分析数据的输入 通常称此过程为CAE的前处理 同样 CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出 如生成位移图 应力 温度 压力分布的等值线图 表示应力 温度 压力分布的彩
4、色明暗图 以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移 应力 温度 压力等分布的动态显示图 我们称这一过程为CAE的后处理 针对不同的应用 也可用CAE仿真模拟零件 部件 装置 整机 乃至生产线 工厂的运动和运行状态 4 CAE软件按研究对象分为 静态结构分析 动态分析 按研究问题分为线性问题 非线性问题 主要有 Hyperworks 主要做前处理 分单元加载荷加约束 和后处理 看输出结果和仿真 I DEAS 同时也做CADAnsys 很经典的CAE 国内应用最广 客户成熟度最高 尤其是在高校科研领域 Abaqus 强大的非线性复杂动态问题求解器 专门汽车分析模块 LS DYNA 强大的动态问题求解器
5、 专门汽车分析模块 Nastran 线性问题求解器Pamcrash 专门的碰撞研究软件Moldflow 模流分析软件AutoForm 钣金冲压 特别是拉深分析软件Madymo 汽车安全系统 如气囊 安全带整车碰撞性能分析软件 5 冲压CAE分析的内容产品工程设计阶段对工艺数模 铸造数模进行可成型性分析 分析产品的可成型性 是否有冲压缺陷如 是否有冲压负角 6 复杂的产品造型使冲压负角不易被发现 如一些汽车的内板件 解决的办法 用CATIA看断面图 7 更简单的方法 将数模导入软件分析 8 数模修改前版本 数模修改后版本 已在允许的范围内 9 其他冲压缺陷 开裂 减薄起皱 叠料回弹扭曲变形不足
6、刚性不足 表面缺陷最重要的是通过CAE分析出冲压工艺不能解决的问题 10 CAE分析的步骤 方法一 参数化建模 构件的布尔运算 有限元网格的自动剖分 节点自动编号与节点参数自动生成 荷载与材料参数直接输入与公式参数化导入 有限元分析荷载数据的生成 有限元分析数据文件的生成与导出等 步骤 将数模以IGS的格式导入AUTOFORM或DYNAFORM软件中 利用软件特有的模块分别选择合适的冲压方向 自动生成压料面及工艺补充面后 指定合理的冲压参数提交计算 11 CAE分析的步骤 方法二 直接实体建模 利用CATIA或其他CAD软件模面设计1 工艺基准点及冲压方向的设计2 压料面的制作3 凸模轮廓线的
7、制作4 做工艺补充面 12 1 工艺基准点所有制件都要设置基准点 同一个制件上所有工序的基准点要求一致 DL图和模具图上的基准点都用表示 除此以外不使用该标记 原则上基准点设置在零件图上百线的交点处 即取100的整数倍 特殊情况下也可以取50的整数倍 基准点尽量设在拉延模的凸模上 设置在制件的中央 这样模具中心 冲床中心和基准点三者就有可能重合 减少出错的可能 注 对于左右件合并的情况 有两个基准点 13 2 冲压方向 制件转角以及转角顺序各冲压工序都必须有冲压方向 拉延冲压方向选取时考虑 制件在任何地方没有负角 制件在前后左右方向尽可能对称 尽可能减小在冲压方向上的高度差 目的是为了使进料均
8、匀 修边的冲压方向选取时主要考虑的是修边刃口的角度 一般控制在 15度以内 超出这个范围要么改变冲压方向 要么使用斜楔侧修边 制件旋转时以工艺基准点为中心旋转 转角大小及次序最好事先做好记录 制件在X Y Z每个方向上仅限于旋转一次 因此制件最多允许旋转三次 90度或180度的旋转不计算在内 14 3 压料面压料是拉延过程中非常重要的功能 坯料就是沿压料面逐渐流入模具型腔的 因此压料面的设计要有利于材料的流动 保证制件在各个截面上变形均匀 拉延深度一致 压料面设计时优先采用单曲面 以保证压料面的光顺 压料面的形状在DL图上以直线加圆弧的方式表达清楚 不使用样条线 15 4 凸模轮廓线拉延凸模外
9、形轮廓线 在读DL图时要首先找到这条分界线 分界线以里是凸模 分界线以外是压边圈 配合具体的剖面图很快就可以确定零件在凸模上修边 还是在压料面上修边 在DL图上凸模轮廓线是以粗实线加实心原点的方式来表示 以直线和圆弧的方式标出尺寸 5 拉延初始坯料线就是拉延模初次试模时的坯料线 除特殊情况外一般均采用方形 梯形等 以前都是通过取若干截面测量线长的方法确定拉延初始坯料大小 现在可以使用Dynaform反算拉延模的模面得到一个近似形状 再取直为方形坯料 注 拉延模的坯料一般要在模具调试过程中做一些修改 才能作为落料模的设计依据 16 6 拉延筋作用 控制材料流动 其形状跟凸模轮廓线随形 两者距离一
10、般在20 25之间 从形状上分为圆筋 方筋 拉延槛 半方筋 在做拉延模拟分析过程中 为加快计算速度 一般先使用虚拟筋 用一根线来代替 虚拟筋调整好后再设计实体筋 最后加工模具实际生产过程中多使用一体筋 即凸筋在加工凹模时一起加工出 凹筋在加工压边圈时一起加工出来 虚拟筋和实体筋的对应关系是个难点 要靠做大量的实验对比分析 17 18 有限元方法的基本思想是将结构进行有限元离散化 用有限个容易分析的单元来表示复杂的工程结构 各单元之间通过有限元节点相互连接 根据有限元基本理论建立有限元总体平衡方程 然后求解 19 有限元分析理论 基本思想 把连续体视为离散单元的集合体 化整为零 将连续体分解为有
11、限个性态比较简单的 单元 对这些单元分别进行分析 积零为整 将各个单元重新组合为原来的连续体的简化 模型 求解得到基本未知量 位移 在若干离散点的数值解 根据数值解再回到各单元中计算其他物理量 应变 应力 温度等 20 有限元的概念 有限元法 是把实际形状的模型用有限个有限单元的集合体来建立模型 这种模型是把形成各个单元的节点连续地连接起来 也就是 有限元模型 可以这样来考虑 把形状模型用很多个节点 和至今说到的 点 是同样性质 进行置换 这样将几何模型借助于节点把单元连续地连接起来 形成为单元的集合体 作为这样的分析模型 有限元模型 就可使用了 把这种具体的操作称为单元划分或者网格划分 是前
12、处理部分的一个重要功能之一 相对于构成有限元模型的各个单元 设置单元类型和单元特性以及材料特性 对于CAE因为要求产品或结构的变形和应力并对它的强度进行校核为目的 所以一定要设置产品所用的材料特性数据 根据所使用的单元 所设置的材料特性的内容也不同 一般而言 有弹性模量 泊松比 质量密度 线膨胀系数等 对于应力分析 则必须有弹性模量 泊松比 由温度变化来进行应力分析的 还必须有线膨胀系数 质量密度 以重量作为载荷 自重 起作用时或者在特征值分析等等时是必须要有的 21 对线状的几何模型用几个单元和构成单元的节点来形成 有限元 模型 此时 在有限元法中因为是在节点的位置上能够得到模型的位移 所以
13、在想要得到位移的位置上 一定要设置节点 在这种线状模型的情况下 节点数如果不足的话 结果所见到的是与实际现象有出入的变形 因此在模型形成的时候 必须注意单元的划分和节点的数量 节点数和变形形状 这里因为是把搞清构件的整体变形为目的 对于仅用1个或2个节点这样的程度是不够的 将线条十等分 用11个节点来求整体的变形 各个单元 除了端点外借助于节点连续地连接起来 节点之间没有单元的话或有重节点的情况等等 作为有限元模型都是不合适的 具体的制作步骤可以用系统的网格划分功能 自动地形成单元和节点 此时 划分的形状和划分的数量 要根据情况输入到网格划分法中去 22 使用有限元法的软件 也称求解器 是这样
14、来处理的 首先求出1个单元的力和位移的平衡 然后对所有的单元进行同样处理 把它们集合起来 结果就求出了以全体单元所表现出来的整体的力和位移之间的平衡 23 网格划分 24 25 DYNAFORM分析结果 26 材料模型 弹塑性材料模型的本构方程 27 屈服准则 如果知道了材料所处的应力状态和相应的屈服准则 就可以判断是否有塑性应变产生 使用较多的屈服准则 VONMISES屈服准则 认为当材料中的最大剪应力的均方根即应力偏量的第二不变量J2达到临界值时 材料发生屈服VONMISES屈服准则又被称为J2型屈服准则 其表达式为 28 接触类型 接触问题在板料成形的数值模拟中起着十分重要的作用 板料成形过程中 板料上的作用力是通过板料表面与模具表面的接触来传递的 模具表面为主表面 板料表面为从表面 如何正确判定主从表面的接触状态并选择合适的位移约束条件和摩擦边界条件 是数值模拟成败的关键 接触边界处理中的基本问题可概括成如下几个方面 接触点的搜寻 接触力的计算 接触应力的计算等 29 使用软件 Dynaform autoform pan stamp 30 谢谢 31
