dyna软件技术原理课件

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1、2020/10/14,1,NUMISHEET标准考题的发展 为了促进板料冲压成形仿真的研究和应用，国际上发起了定期召开的板料成形三维数值仿真国际会议NUMISHEET（International Conference on Numerical Simulation of 3-D Sheet Forming Process）分别是： OSU标准考题（1988年）、VDI（德国汽车学会）标准考题（1991年）、NUMISHEET93、 NUMISHEET96、NUMISHEET99、 NUMISHEET02、 NUMISHEET05。,2020/10/14,2,NUMISHEET标准考题的发展 O

2、SU标准考题（1988年）,2020/10/14,3,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET93 （1993年）,2020/10/14,4,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET96 （1996年）,2020/10/14,5,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2002 （2002年）,2020/10/14,6,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2002 （2002年）,Forming of Front Fender,2020/10/14,7,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2005 （2005年） BENCHM

3、ARK 1 :,Forming of Front Fender,Springback Prediction of Decklid Inner Panel,2020/10/14,8,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2005 （2005年） BENCHMARK 2 :,Springback Prediction of A Cross Member,2020/10/14,9,NUMISHEET标准考题的发展 NUMISHEET2005 （2005年） BENCHMARK 3 :,Channel Draw/Cylindrical Cup Benchmark,View of Spec

4、imen A before binder closure in Stage 2,View of Specimen B before binder closure in Stage 2,2020/10/14,10,板料成形有限元仿真关键技术的发展 求解算法 动力显式算法（Dynamic explicit algorithm） 静力隐式算法（Static implicit algorithm） 一步逆成形算法（One-step Inverse algorithm） 单元技术 薄膜单元 块单元 壳单元 本构关系 各向同性材料的屈服准则 各向异性材料的屈服准则,2020/10/14,11,求解算法 冲

5、压成形过程是一个大变形的非线性力学过程。,动力显式算法（Dynamic explicit algorithm）,如果考虑速度和加速度的影响，采用对角化的质量矩阵和阻尼矩阵，考虑t时刻的运动方程，由中心差分法可得到在 时刻的节点位移为,2020/10/14,12,上式即为动力显式算法，每个自由度的位移可以独立求出，但该算法是条件稳定的积分算法，为保证计算的稳定性，时间步长应满足,动力显式增量法最初是为冲击、碰撞问题的仿真而开发的,在有限元平衡方程中包含惯性力的成分。它采用中心差分算法,不需要刚度矩阵的集合,不存在收敛性问题,因此特别适合于计算大型车身覆盖件的成形问题。,2020/10/14,13

6、,它有其固有的缺陷,即为了得到显著的计算优势,必须人为地放大真实的凸模速度,为了抵消由此引起的惯性力,就需要用户在网格大小、质量矩阵、阻尼矩阵等计算参数的选用上积累丰富的经验。,代表性商品化软件有：LS-DYNA，PAM2G/AutoStamp,这类软件计算效率较高,但计算结果因人而异的现象比较普遍。另外,它的回弹计算能力较差，所需模拟时间比较长，一般适合在模具设计最后阶段进行校核。,2020/10/14,14,静力隐式算法（static implicit algorithm）,从理论上讲,增量型静力隐式软件最适合车身覆盖件冲压成形这个准静力问题,计算结果也是无条件稳定的。,它存在致命的收敛性

7、问题,由于接触状态的改变,容易引起收敛速度变慢或发散,从而使计算难以进行下去。另外,计算效率低也是它的一个不利因素。,尽管动力显式软件在当今的车身覆盖件冲压仿真中占主流地位,但还是有许多学者在继续从事静力隐式软件的开发、完善工作。,2020/10/14,15,Ford公司的Tang改进了方程组的解法,从而使计算效率得到较大的改善。,韩国的Yang采用分叉理论来计算起皱问题,从而避免了静力隐式软件在压缩失稳时收敛性差的问题。,为了解决静力隐式算法收敛难和计算效率低下的问题，提出了大步长静力隐式算法，这类软件对冲压过程的高度非线性问题进行了特殊的改进,把弯曲效应和拉伸效应进行分离处理,从而可以采用

8、快速的迭代算法,并改善了收敛性。,2020/10/14,16,代表性商品化软件有：AutoForm/Incremental, Pam2G/QuickStamp,由于采用静力隐式算法,因此网格的自适应细化等级没有限制,网格最小可以达到0.5mm,很大的网格和很小的网格可以共存。,但由于对非线性问题进行了近似处理,因此不能准确地模拟节点接触和脱离工具的过程,对起皱和屈曲的预测结果也往往较差。,由于上述的因素，使这类软件计算效率大为提高 ,非常适合在模具设计初期及其优化设计中应用。,2020/10/14,17,一步逆成形算法（One-Step Inverse algorithm）,采用全量理论,整个

9、成形过程是从最终的车身覆盖件到初始板料(实际上是反向模拟),忽略接触变形历史。,一步逆成形有限元方法示意图,2020/10/14,18,代表性商品化软件有：FastForm, DynaForm/MStep, HyperForm, AutoForm/OneStep,这类软件的最大好处是计算效率很高, 但是由于采用了过多的假设和简化，计算精度还有待提高 。,适合于产品的设计阶段，可以给设计人员提供一些定性的参考,传统的车身设计往往注重于它的动力学性能、美观等方面的因素,对其冲压成形性则很少考虑,借助这类软件可以较好地对车身覆盖件的成形性进行预测 。,2020/10/14,19,有限元仿真软件的分类

10、,2020/10/14,20,有限元仿真软件的分类,2020/10/14,21,有限元仿真软件的分类,2020/10/14,22,单元技术 薄膜单元（薄膜理论），C0型单元，构造格式简单，但忽略了弯曲效应，考虑的内力仅为沿薄壳厚度均匀分布的平行于中面的应力，忽略弯矩、扭矩和横向剪切。 块单元（连续介质理论），C0型单元，考虑弯曲效应和剪切效应，格式更简单，但计算时间太长。,2020/10/14,23,壳单元（板壳理论），既能处理弯曲和剪切效应，又不像实体单元那样需要很长的计算时间，因此在车身覆盖件冲压成形仿真分析中常被采用。壳单元大致分为两类：一类是基于经典Kirchhoff板壳理论的壳单元；

11、另一类是基于Mindlin理论的壳单元。BT壳单元就是Belytschko等人基于Mindlin理论开发的计算精度和效率都很高的一种壳单元。,2020/10/14,24,本构关系 在板料冲压成形过程中，板料是唯一的塑性变形体，它的应力和应变关系是影响仿真结果可靠性的最重要因素之一。在什么样的复合应力状态下材料开始屈服，这就需要建立屈服准则 第一类：各向同性材料的屈服准则 屈雷斯卡（Tresca）于1864年提出屈服准则的概念，他认为：当最大剪应力达到某一极限值时，材料即进入塑性状态。屈雷斯卡条件的数学表达式为,2020/10/14,25,由于屈雷斯卡屈服准则不光滑而产生了数学上的困难，为了简化

12、计算，1913年，Mises提出的屈服准则数学表达式为,k2为一常数，可由实验确定。例如，用单拉实验，可得,2020/10/14,26,第二类：各向异性材料的屈服准则 （1）Hill屈服准则 1948年，Hill提出了二次屈服准则，若把各向异性主轴作为局部随体正交坐标轴x，y，z的话，Hill正交各向异性屈服函数可表示为,式中F、G、H、L、M、N是材料的各向异性参数，由实验确定。,2020/10/14,27,该准则在描述r值较高的各向异性时比较合适。其它非二次的屈服准则，如Hill (1979、1990、1993) ，Gotoh（1977）、Budianski（1984）等都可以更好的描述铝

13、合金的屈服行为。 （2）Barlat-Lian屈服准则 1989年，Barlat和Lian提出新的非二次屈服准则，它可以考虑面内剪切应力，其表达式为：,2020/10/14,28,2020/10/14,29,其中， 是等双拉状态的Cauchy主应力； 是单向拉伸状态的Cauchy主应力； 是纯剪切状态时的屈服剪应力； M是非二次屈服函数指数； 是板料轧制方向和面内垂直于轧制方向的各向异性参数； p值可以通过单拉实验的 求出。,2020/10/14,30,该准则可以有效的模拟板料拉深成形过程中突缘的塑性流动规律，可以模拟突缘出现2、4、6个制耳的现象，全面地反映了面内各向异性和屈服函数指数m对板

14、料成形过程中的塑性流动规律及成形极限的影响。只是该准则只能应用于平面应力状态。,2020/10/14,31,1.2 板料冲压成形的物理现象,冲压过程,2020/10/14,32,2020/10/14,33,冲压成形过程作为一个统一的力学过程，在此基础上，可总结出四大重要物理现象： 接触碰撞 接触碰撞现象是十分普遍的物理现象，它是两个物体表面间产生的相互作用的一个过程。接触碰撞过程的计算是最难的工程计算问题之一，因为它涉及一个求解具有未知边界条件的边值问题。,2020/10/14,34,摩擦磨损 摩擦是与接触不可分割的一个物理现象，它表现为两接触表面相对运动的阻碍作用。在板料冲压成形过程中，有时

15、利用摩擦，而有时要避免摩擦以达到控制材料流动的目的。 磨损是摩擦作用的一种反映，它是模具失效的主要形式，磨损的快慢就决定了模具的使用寿命。,2020/10/14,35,大位移、大转动 大变形的出现使线性的应力和应变关系不再有效，大位移和大转动的产生导致物体的构形不断改变，从而需要考虑构形处于变化中的物体的平衡方程。由大位移、大转动引起的非线性问题统称为几何非线性问题。 弹塑性变形 在冲压成形的加载过程中，工件同时发生弹性和塑性变形，卸载后，大部分弹性变形消失，塑性变形得以保留，何时开始产生塑性变形涉及到材料的屈服准则。,2020/10/14,36,拉裂 拉裂是深冲工艺产生的常见缺陷，根据程度不

16、同可将拉裂分为微观拉裂和宏观拉裂两种情况。 消除拉裂方法 降低拉裂区的拉应变值，可采用不同的途径，如调整压边力、改善润滑条件、增加辅助工序等。 成形极限图 成形极限图是用来描述材料在给定状态下所能承受的最大应变的情况，如图2.1所示，成形极限图中曲线以下的区域代表成形安全区，曲线以上的区域代表拉裂区。,1. 3板料冲压成形的常见缺陷及产生原因,2020/10/14,37,成形极限图,2020/10/14,38,起皱 起皱是板料冲压成形中另一种常见缺陷，它产生的原因正好与拉裂产生的原因相反，是由于局部压应力过大引起失稳所致。起皱不仅影响零件的精度和美观性，还会影响下一到工序的正常进行。如果起皱严重就可能导致坯料难以通过凸凹模间隙而被拉断。 消除方法 增加起皱处的法向接触力。,2020/10/14,39,回弹补偿不当 由于冲压件弹性变形的存在，卸载后零件会发生回弹。为了补偿回弹所引起的冲压件的尺寸改变，可以采取调整模具形状和尺寸的方法。 做法如下：首先计算出冲压件的回弹量，然后按照该回弹量反方向修正模具。