摘要： 彎管成型分析方法及注意點(diǎn)，分別采用顯式動(dòng)力學(xué)和隱式動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行彎管成型分析，并對(duì)兩種分析方法進(jìn)行了比較。  

素材來(lái)源：

本文中所引用的案例素材來(lái)源于：錢　峰，潘笑譽(yù)，葉小奔. 基于ＡＢＡＱＵＳ的管件彎曲成型的有限元分析[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,１６７２－６４１３（２０１７）０４－００１９－０３.

案例中彎管模具以及坯料尺寸皆根據(jù)該論文進(jìn)行建模，論文中未提及的尺寸信息，筆者根據(jù)自身過(guò)往經(jīng)驗(yàn)自行設(shè)定。

建 模：

零部件定義：共五個(gè)組件，除坯料外，全部設(shè)置為離散剛體，解析剛體也可，這里以離散剛體為例。

材料屬性：剛體不需要設(shè)置材料，坯料材料屬性需要設(shè)置彈性模量，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)以及密度（采用隱式動(dòng)力學(xué)可不設(shè)置密度參數(shù)）。

關(guān)于應(yīng)力應(yīng)變曲線定義需要注意abaqus程序內(nèi)部對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)的正則化問(wèn)題，顯式動(dòng)力學(xué)算法會(huì)根據(jù)用戶輸入的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行正則化處理，如果數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)多，或者數(shù)據(jù)點(diǎn)間存在突變，則可能會(huì)產(chǎn)生計(jì)算誤差或者直接報(bào)錯(cuò)。

莊茁教授關(guān)于顯示動(dòng)力學(xué)中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的正則化處理的解釋

 

分析步：

隱式動(dòng)力學(xué)設(shè)置如下：

 

顯式動(dòng)力學(xué)設(shè)置如下：

 

關(guān)于顯式動(dòng)力學(xué)中質(zhì)量縮放（Mass scaling）的原理請(qǐng)查閱官方幫助文檔。由于一般的材料加工問(wèn)題都屬于準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，因此采取一定的質(zhì)量縮放可以在損失較少計(jì)算精度的前提下，大幅提高計(jì)算速度，具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，如果能夠通過(guò)采用更大的網(wǎng)格劃分提高計(jì)算速度，那是更好的選擇。在模型調(diào)試階段可以采用較大的質(zhì)量縮放系數(shù)，快速計(jì)算，debug模型，在模型調(diào)整好之后減小質(zhì)量縮放系數(shù)，以獲得精度更高的計(jì)算結(jié)果。

 

輸出設(shè)置：

如何評(píng)價(jià)質(zhì)量縮放系數(shù)對(duì)結(jié)果的影響？？

可以通過(guò)比較分析過(guò)程中整個(gè)模型的動(dòng)能ALLKE和內(nèi)能ALLIE的比值，如果小于1%，結(jié)果非常可靠，如果小于5%，結(jié)果可以接受，如果大于5%，則需要謹(jǐn)慎判斷。

接觸關(guān)系：

1.     建立所有離散剛體（芯棒，滑板，胎模）與坯料的接觸關(guān)系，surface to surface，contact pair，離散剛體作為主面。

接觸屬性中，摩擦系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況采用適當(dāng)大小。法向接觸關(guān)系在顯式動(dòng)力學(xué)算法中采用默認(rèn)即可。如果采用隱式動(dòng)力學(xué)算法，建議采用penalty接觸增強(qiáng)算法，這樣可以在較少損失計(jì)算精度的前提下，提高收斂性。

2.     前卡與坯料的頭部采用綁定約束（Tie）。

3.     剛體約束（Rigid body）。如下圖所示。

將前卡和胎模一起約束到RP-1點(diǎn)，RP-1點(diǎn)位于胎模的圓心位置

 

 

滑板和芯棒可以約束到不在剛體上的任意點(diǎn)位置

 

邊界條件：在step1分析步，固定滑板和芯棒的剛體約束點(diǎn)所有自由度。固定胎模與前卡的剛體約束點(diǎn)除了胎模軸心方向旋轉(zhuǎn)自由度以外的所有自由度，軸心方向的旋轉(zhuǎn)自由度（本例為UR2）設(shè)置為彎管需要的彎曲角度，本例為-1.57弧度。

注意：UR2載荷的幅值曲線采用smooth step，這一點(diǎn)在顯式動(dòng)力學(xué)分析中極為重要，采用smooth step可以平滑載荷的一次導(dǎo)和二次導(dǎo)，以避免引入過(guò)大的慣性效應(yīng)。

 

smooth step 幅值曲線

網(wǎng)格劃分：

離散剛體可以采用R3D4和R3D3單元，坯料建議采用S4R單元，離散剛體的網(wǎng)格大小要大于坯料為宜，建議1.5倍。

計(jì)算結(jié)果對(duì)比：

左邊式顯式動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，質(zhì)量縮放系數(shù)25，計(jì)算時(shí)間0.5小時(shí)；右邊是隱式動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，計(jì)算時(shí)間為3.5小時(shí)。

分別為Mises應(yīng)力，等效塑性應(yīng)變以及厚度分析結(jié)果

編輯 跳轉(zhuǎn)

編輯 跳轉(zhuǎn)

檢查一下顯式動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中內(nèi)能和動(dòng)能，顯然動(dòng)能遠(yuǎn)低于內(nèi)能，分析結(jié)果可以接受。

總結(jié)：顯式動(dòng)力學(xué)和隱式動(dòng)力學(xué)對(duì)于都可以應(yīng)用于求解彎管成型加工問(wèn)題，當(dāng)然也可以用于其他的金屬成型問(wèn)題分析。注意到顯式動(dòng)力學(xué)分析具有較高的計(jì)算效率，且計(jì)算結(jié)果與隱式算法接近，計(jì)算精度完全可以滿足工程需要，并且顯式動(dòng)力學(xué)不存在收斂問(wèn)題，在求解復(fù)雜接觸，大變形等問(wèn)題上具有天然的優(yōu)勢(shì)，因此筆者推薦采用顯式動(dòng)力學(xué)求解材料加工問(wèn)題。但也應(yīng)該注意到，在某些簡(jiǎn)單問(wèn)題上，隱式算法其實(shí)式更加穩(wěn)健的，求解精度更高的，需要大家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。如果需要材料在加工過(guò)程中需要分析折疊，褶皺，開裂等問(wèn)題，顯式動(dòng)力學(xué)算法應(yīng)當(dāng)為唯一選擇。

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