《板料数控渐进成形技术 教学课件 ppt 作者 高锦张 第5章 板料数控渐进成形的》由会员分享，可在线阅读，更多相关《板料数控渐进成形技术 教学课件 ppt 作者 高锦张 第5章 板料数控渐进成形的（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 板料数控渐进成形的,5.1 有限元模拟技术发展概述 5.2 板料成形有限元模拟技术 5.3 板料数控渐进成形有限元模拟 5.4 有限元模拟技术应用实例 5.5 ANSYS/LS-DYNA的K文件 5.6 材料力学性能参数的测定实例,5.1 有限元模拟技术发展概述,目前，CAE技术已广泛地应用于核工业、铁路、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工等工业和科学技术领域。采用CAE技术极大地缩短了产品的研发周期，减少了开发费用，且有利于通过优化设计等手段开发出性能更加优越的产品。以国外轿车产品设计为例，以前通过经验设计需要制造200多辆样车才能完成轿车的安全碰撞设计，现
2、在只需80辆就足够了，因为大部分的设计内容都是通过CAE技术在计算机中模拟实现的，这样就可以节约2/3的资金和大量的研制时间。 5.1.1 有限元理论发展历史简述 5.1.2 有限元软件发展历史简述,5.1.1 有限元理论发展历史简述,1960年前后，美国的R.W.Clough教授及我国的冯康教授分别在论文中独立地提出了“有限单元”这一词。 1965年出版的“The Finite Element Method”一书是关于有限元法的第一本教科书，作者为英国的Zikenkiewicz，他为建立有限元法的完备理论体系和计算方法做出了重要贡献。 1970年，Hibbitt、Marcal和Rice基于有
3、限变形理论，应用增量法建立了全Lagrangian格式的大位移、大应变弹塑性有限元法。 1974年，Mc.Meeking和Rice建立了更新的Lagrangian格式的大变形弹塑性有限元法。,5.1.2 有限元软件发展历史简述,伴随着有限元理论的发展，有限元软件也得到了很大的发展。经过了几十年的不断发展和完善，涌现出来了很多著名的通用有限元软件，如MARC，ANSYS，LS-DYNA，ABAQUS，ADINA，SAP等。这些软件都有着他们各自强大的功能，能够适应多种情况下的计算要求。 20世纪60年代，Ed.Wilson发布了有限元的第一个软件，不过并未命名。 第一批关于非线性有限元方法的文章
4、作者主要有Argyris(1965年)、Marcal和King(1967年)。不久之后，发表文章的数量激增，而且相关软件也随之诞生。 20世纪80年代，DYNA首先被法国ESI公司商品化，并被命名为PAMCRASH。它与WHAMS有许多相关的子软件。,5.2 板料成形有限元模拟技术,5.2.1 板料成形有限元模拟发展概述 5.2.2 板料成形主要有限元软件简介 5.2.3 板料成形模拟关键技术 5.2.4 板料成形有限元技术解决的主要问题,5.2.1 板料成形有限元模拟发展概述,1973年，S.Kobayashi提出刚塑性有限元法，并把这一方法用于分析冲压成形的问题，这是第一次使用有限元方法来
5、模拟冲压成形过程。随后，Iseki用弹塑性增量型有限元法模拟了液压胀形过程。 1977年，在美国通用汽车公司召开的一个关于板料成形过程力学分析的研讨会上，S.Kobayashi用刚塑性有限元法模拟了板料液压胀形和半球形凸模作用下的拉深成形过程。,5.2.2 板料成形主要有限元软件简介,1. AutoForm 2. Dynaform 3. PAMSTAMP2G 4. ANSYS 5. ABAQUS,1. AutoForm,AutoForm原来由瑞士联邦工学院开发，之后又成立了AutoForm Engineering公司。它是一款采用静态隐式求解及全Lagrangian格式的弹塑性有限元软件，主要
6、有一步法、增量法、模面设计、液压成形仿真、优化设计、修边线反算、工序安排、报价及后处理等模块。AutoForm可以自动生成和交互修改压料面、工艺补充、拉深肋和板料形状等；完成重力、合拢、拉深、修边、整形翻边和回弹计算，并可以通过回弹结果进行回弹补偿计算；其增量法求解模块可比较准确地模拟冲压成形过程；一步法模块可快速得到近似的成形模拟结果，并可预测板料的形状。,2. Dynaform,Dynaform是由美国ETA(Engineering Technology Associates Inc.)公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件，集成了Dynaform本身强大的前处理功能和
7、ETA-Post的后处理软件，以及LSTC公司开发的有限元动力显式求解器960、970和971。Dynaform前处理功能具有强大的处理能力，能够读入大部分的图形文件格式，如IGES以及UG、Pro/E、CATIA等主流软件的CAD文件。,3. PAMSTAMP2G,1)PAM-AUTOSTAMP模块采用动力显式格式，为用户提供能在实际条件下，如在考虑重力影响、压料、多步成形、深拉深、切边、翻边和回弹等复杂情况下可视化的冲压模拟，能够提供比较精确的成形结果，在公差范围内对模具进行全面的质量控制，解决高成本、高耗时的修模调试问题，同时利用隐式求解技术，快速进行回弹计算和零件刚度分析。 2)PAM
8、-DIEMAKER模块能够在很短的时间内完成模面和工艺补充面的设计和优化，能够快速分析判断零件有无过切(负角)和计算出最佳的冲压方向，能够完成所有的前期模具设计的控制。 3)PAM-QUIKSTAMP模块提供的是一个在精度、时间和计算资源上都已得到很好平衡时的快速成形评估。,4. ANSYS,ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场等分析于一体的大型通用有限元软件。是由世界上最大的有限元分析软件公司之一美国ANSYS公司开发的，它能与大多数CAD软件实现数据的共享和交换，如IGES、UG、Pro/E、CADDS和AutoCAD等，是现代产品设计中比较高级的CAE软件之一。,5. AB
9、AQUS,ABAQUS被广泛地认为是功能最强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够处理非常庞大且复杂的问题和高度模拟非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。优秀的分析能力和模拟复杂系统的高度可靠性使得ABAQUS被各国的生产部门和研究机构广泛应用，其相关产品也在大量的高科技产品开发研究中发挥着巨大的作用。ABAQUS在不断丰富其有限元分析的前后处理模块，也就是建模、分析和仿真的人机交互平台ABAQUS/CAE功能的同时，还与其他的CAD、CAE软件厂商直接合作，开发嵌入式的第三方求解器，如CATIA V5和AV
10、L Excite。,5.2.3 板料成形模拟关键技术,1.单元技术 2.求解格式 3.本构关系,1.单元技术,在板料成形数值模拟的应用早期，用于冲压成形的有限元数值分析的单元有三类：基于薄膜理论的薄膜单元、基于板壳理论的壳单元和基于连续介质理论的实体单元。 实践证明，基于板壳理论的壳单元能处理弯曲和剪切效应，但又不像实体单元那样需要很长的计算时间，并且板壳理论本身就是研究薄板料三维变形行为的理论工具。,2.求解格式,冲压成形是一个大变形的非线性力学过程，其数值分析以增量法为主。建立的有限元格式有两种：完全的Lagrangian格式和更新的Lagrangian格式。实践证明用这两种表达式建立的有
11、限元格式是等效的。 求解格式有静力格式和动力格式两大类，其中又有显式和隐式之分。,3.本构关系,在薄板料的冲压成形过程中，板料是唯一的塑性变形体，因此其应力应变关系是影响模拟仿真结果可靠性的最重要因素之一。对应不同特性的金属有不同的弹塑性本构模型可供选用，通过大量试验，为常用的弹塑性本构模型确定了不同金属的特性参数，如弹性模量、屈服极限、硬化系数、硬化指数及厚向异性指数等。 建立弹塑性本构关系主要解决：在什么样的复合应力状态下材料开始屈服及屈服后材料如何流动，即建立屈服准则和流动规则。,5.2.4 板料成形有限元技术解决的主要问题,1.起皱的预测 2.破裂的预测 3.回弹的预测,1.起皱的预测
12、,解决起皱问题的关键是要准确判断实际成形件的起皱类型。只有有了准确判断，才能找到起皱的主要原因，制定有效的措施来解决起皱问题。若是以压应力为主要原因而引起的起皱，则应采取能够减小压应力如施加面外压力等措施来防止压应力起皱。若是以不均匀拉应力为主要原因而引起的起皱，则应采取能够改变拉应力分布，使拉应力分布比较均匀，如减小最大拉应力等措施防止不均匀拉应力起皱。若是以切应力为主要原因而引起的起皱。则应采取能够减小切应力、减小受切应力作用区和减小拉应力变化梯度等措施防止切应力起,2.破裂的预测,破裂是由于材料的强度或塑性不足，当拉应力超过临界值时发生的现象。对于破裂的判断，现在用得比较多的主要还是成形
13、极限图，包括FLCN(Forming Limit Curves at Neck)以及FLCF(Forming Limit Curves at Fracture)。最大板金率也是主要判据之一，Min Wan等人结合圆柱和圆锥杯形的内在联系，从理论上给出了圆锥杯形极限板金率的判断公式。,3.回弹的预测,在零件成形加工时外力迫使金属板料紧紧地贴着模型，然而，当成形加工的外力卸载后，零件因没有受到压力而变形，这个变形通常被称为回弹。回弹是板料成形后不可避免的现象，回弹现象主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和局部卸载回弹，当回弹量超过允许量后，就成为成形缺陷，影响零件的几何精度。回弹一直是影响、制约模具和
14、产品质量的重要因素。回弹现象随着材料强度、模型间隙、弯曲半径的增加和材料厚度的减小而增加。,5.3 板料数控渐进成形有限元模拟,5.3.1 显式有限元算法基本原理 5.3.2 有限元模型的建立 5.3.3 有限元模拟后处理简介,5.3.1 显式有限元算法基本原理,1.渐进运动方程的表示形式与有限元离散方程 2.本构关系 3.中心差分法 4.中心差分法的稳定条件,1.渐进运动方程的表示形式与有限元离散方程,(1)初始条件 在t=0时，假设板料与成形工具接触的初始接触力为零，板料及成形工具的初始位置已知。 (2)边界条件 (3)接触约束条件 为使接触约束条件的表述简明、直观、方便、规范，考虑如图5
15、-1所示两物体接触系统，显然，这并不影响有关表述的一般性。,1.渐进运动方程的表示形式与有限元离散方程,图5-1 两物体接触系统,2.本构关系,板料成形中广泛采用的是理想弹塑性材料本构关系，由于采用的是U.L.J.表述，其应力及应变度量都只是材料变形的函数，而与材料的刚体运动无关，因而大大简化了强非线性问题本构关系的推导。事实上，Jaumann应力率与速度应变之间的关系，可以直接从小位移材料的本构关系推广而来。,4.中心差分法的稳定条件,解式(5-29)得的两个特征根为 1) DTMS=tcryq，即DTMS的值为正数，则系统中所有单元的材料质量密度均按式(5-39)确定的质量密度处理。 2)
16、 DTMS=-tcryq，即DTMS的值为负数，则只有那些临界时间步长tcr小于预期临界时间步长tcryq的单元，它们的材料质量密度才按式(5-39)确定的质量密度处理。,5.3.2 有限元模型的建立,1.成形过程分析 2.单元选择 3.实常数定义 4.材料模型 5.网格划分 6.接触处理 7.接触面摩擦处理 8.成形路径加载,1.成形过程分析,图5-2 板料数控渐进成形有限元模型 a)无支撑有限元模型 b)有支撑有限元模型,2.单元选择,1)Belytschko-Tsay(简称BT)。 2)Belystchko-Wong-Chiang(简称BWC)：是一种改进单元，采用单点积分，能够正确计算翘曲情况，但计算速度比BT要慢24%。 3)Belystchko-Leviathan。 4)S/R Co-Rotational Hughes-Liu。,2.单元选择,图5-3 SHELL163单元,图5-4 SOLID164单元,3.实常数定义,SHELL163壳单元需要定义实常数，壳单元的实常数包括厚向分布的积分点个数、剪切因子及节点处板料的厚度。为了比较准确地描述板料成形的弯
