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1、华中科技大学硕士学位论文有限元逆算法及其在工艺参数优化中的应用姓名：金涛申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：李志刚;柳玉起20050506华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II摘 要 汽车覆盖件多是尺寸大形状复杂的三维曲面从外观质量到配合精度等要求都很高覆盖件冲压成形过程是几何材料和边界条件三重非线性问题需要用以计算机为基础的数值方法来分析其成形规律但是现有的增量法板料成形有限元方法计算时间长仅适合模拟覆盖件拉延成形过程然而在覆盖件产品设计工艺设计和模具设计初期许多因素都是未知的增量法板料成形有限元方法无法完成模拟而有限元逆算法可以很好地解决这个问题基于形变理论的有限元
2、逆算法只考虑初始构形及最终构形两个形态因而具有快速高效的特点同时它也具有比较高的模拟精度可作为一个设计早期应用的分析工具 本文详细阐述了逆算法的理论和方法采用三角形薄膜单元开发了精度较高的有限元逆算法算法中真实精确地考虑了摩擦压边力拉深筋背压力曲压料面等实际工艺条件 方程组求解引入快速求解算法 比一般的 LDLT 解法快几倍尤其对于大型复杂冲压件问题来说求解效率提高更多 压边力和拉伸筋是覆盖件冲压成形中重要的工艺参数由于逆算法计算速度快计算准备数据量少可以快速地对这些工艺参数进行优化本文在逆算法的基础上以变形后工件的厚度分布和厚向应变为目标函数分别用一维搜索方法和灵敏度分析的方法建立了冲压过程
3、中的压边力和拉伸筋的优化算法并通过实例证明逆算法以及基于逆算法的工艺参数优化的有效性初步探索了逆算法用于工艺参数优化的可行性 本研究得到了国家自然科学基金重点项目(编号50335060)和教育部重点项目(编号03111) 的联合资助 关键词 逆算法 板料成形 工艺参数 优化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIIAbstract The automobile body panel forming technology plays an important role at the sheet forming industry. From the viewpoint of mech
4、anics, it concerns three kinds of non-linear problems, i.e. geometry, material and boundary friction. Therefore, the prediction and analysis of the forming behaviors have to use numerical simulation methods based on computer. But the incremental Finite Elements Method (FEM) requires considerable com
5、putation time, especially at the initial stage of panel die design, since many factors are unknown at this stage which leads to redundant iterations. The finite elements Inverse Approach (IA) can solve this problem well. Only considering the initial and final stage of the parts makes IA method fast
6、and high-effective. So it is a good choice to use this method in the initial stage of the die design. The theories and application of IA method were introduced in this thesis in detail. IA method considerates the parameters such as friction, blank hold forces and drawbead precisely. By using the fas
7、tsolving arithmetic, this method is more effective, especially for the large punch parts. The IA method is applied to the optimization of important process parameters such as the blank holding force (BHF) and drawbeads restraining forces (DBRF) where the objective function is defined to minimize the
8、 error tolerance of thickness distribution on the workpiece. Numerical simulation shows that this method can analyze the deformation of sheet metal forming part qualitatively rapidly, and can be used for the optimization of the process parameters. Keywords : Inverse approach; Sheet metal forming; Pr
9、ocess parameters; Optimization 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果近我所知除文中已标明引用的内容外本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文
10、的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在_年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 日期 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪 论 1.1 引言 板料成形广泛应用于汽车工业钢铁工业等诸多领域从力学角度而言,板料成形是一个同时包含几何非线性材料非线性接触和摩擦不断变化的复杂力学过程板料成形工艺的设计涉及很多因素, 如模具尺寸毛坯形状板料厚度压边力拉伸筋阻力摩擦润滑等等传统加工过程中的工艺分析及模具设计制造还主要依靠设计者的经验,为了避免板料成形过程中出现断裂起皱颈
11、缩等不良现象,就要反复修改成形加工的某些参数或修改模具形状板料成形过程中的材料流动应力应变分布主要通过物理实验获得,因而造成了传统工艺过程耗资巨大,旷日持久随着工业化的日益发展,产品更新换代的周期越来越短,这种设计方法越来越不适应现代工业的发展要求 随着现代制造技术的发展, 板料冲压成形的有限元模拟已成为模具设计与制造的关键技术在西方发达国家,无论是工业界学术界还是政府部门,都把目光投向了板料成形的有限元数值模拟可以毫不夸张地说塑性有限元模拟技术在金属板料成形中的应用是板料冲压工程的一次革命它使传统的依靠定性分析的实际经验的工艺设计和模具设计走上了一条定量预测的道路 在过去的几十年里,有限元数
12、值模拟技术有了突飞猛进的发展,加上各种超级计算机 计算机工作站的性能不断提高,使得计算机模拟成为模具研究及成形优化的强有力的工具通过对板料成形过程进行计算机数值计算可以全面地了解板料在变形过程中的应力应变分布预测成形缺陷的出现给设计者提供进行工艺分析和模具设计的科学依据该技术在减少甚至取消试模过程,缩短产品开发周期,降低产品开发成本方面发挥着越来越重要的作用,已逐渐成为模具设计及优化的重要手段 1.2 课题的目的和意义 随着科技的发展世界汽车工业不断成长带动了一大批相关产业的蓬勃发展华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2在美国,日本和德国等都确立了其在国民经济中的支柱地位我国的汽车
13、工业也得到了迅速的发展正向着国民经济中的支柱地位迈进目前汽车工业面临着世界范围内的严峻挑战即激烈的市场竞争和政府对环保的严格规定与此同时人们对汽车质量性能美观实用舒适环保等方面的要求越来越高为了迎接这一挑战国外汽车界提出了3R 战略即缩短产品的市场化周期降低产品开发费用和减轻汽车的重量其中一个很重要的环节就是降低车身覆盖件模具的制造费用和生产周期 汽车车身是由一些大型覆盖件组成的形状多为轮廓尺寸较大的空间曲面汽车覆盖件对尺寸的精度和表面质最均有较高的要求此外汽车覆盖件还要求具有足够的刚度和稳定性以避免车身产生振动和噪声覆盖件模具是生产汽车覆盖件的重要工艺装备对生产高质量的车身起着决定性的作用汽
14、车覆盖件模具的设计制造质量直接影响汽车车身的质量覆盖件模具设计制造的周期决定着汽车改型的快慢因此汽车覆盖件模具的设计制造对汽车的生产具有举足轻重的意义 覆盖件成形过程中板料要经历很大的塑性变形是一个非常复杂的物理过程有许多因素会直接或间接地影响成形的结果设计人员很难定量地了解和控制该过程如果模具设计不当往往会产生各种各样的成形缺陷从而造成大量的浪费长期以来对于工程师们来说设计或开发一个产品通常所采用的方法是:根据设计者的个人经验和采用一些比较简单的经验公式或设计规则设计产品的工艺方案因此当产品的形状比较复杂和质量要求较高时或需要开发新产品或新工艺时设计人员只能在提出初步的工艺设计方案后用费时费
15、钱的试错方法在试生产中通过反复修改调试方能获得较为满意的结果一般来说模具设计制造和调试会占到整个产品开发周期的60% 所以这是一个周期长 投资大的过程 而研究表明许多关键的决策是在产品设计过程的前期只花费了很少比例的开发经费时做出的并往往决定了产品的最终市场的成败.因此产品开发中早期决策的正确与否至关重要随着经济的发展市场竞争越来越激烈产品更新换代的周期越来越短传统的模具设计方式已无法满足现代工业的发展要求 如今世界范围内激烈的市场竞争使产品开发者们面临着全新的产品设计和生产工艺并且必须在很短的时间内在几乎没有前人经验的情况下进行工作由华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3于产品的
16、更新更加频繁而允许用于进行实物实验的时间被大大地缩短因此必须有效地提高产品开发者们的工作效率以适应市场竞争的需要生产率的高低由诸多因素所决定其中技术是决定性的因素远比任何其它因素重要.为此世界各国尤其是发达国家投入了大量资金开发计算机辅助工程(CAE)软件这 些分析软件使产品开发者们在制造和试验样品之前能准确评价不同的设计从而能选择最佳设计.在进行耗资的实物制造和试验之前各种不同的设计方案的加工过程可以在计算机上进行模拟从而使设计者可以分析工艺参数与产品性能之间的关系观察成形情况以及是否产生内部或外部的缺陷进而修改工艺及模具直至满意状态计算机模拟对于保证产品质量减少材料消耗提高生产率及缩短产品开发周期等方面显示了显著的优越性因此传统的试错法正被现在的新方法所取代 经过几十年的发展覆盖件成形仿真技术已取得了很大的发展12己步入实用阶段通过对板料成形过程进行数值模拟设计人员可以可以考察冲压速度模具参数摩擦系数等因素对成形性能的影响分析和判断冲压件的成形性能模具设计以及冲压工
