飛機零部件中有大量的沖壓件、鍛件、鑄件，其中沖壓件使用較多，在其加工過程涉及沖擊載荷、幾何非線性、接觸非線性的塑性大變形過程，Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit的非線性分析功能及顯式分析和隱式分析功能的完美結合，可獲得常規方法難以獲得的金屬成型過程中的溫度場、應力場、應變場及回彈量等工藝參數，為提高工件的加工質量、選取設備噸級、制定合理的工藝過程提供依據。

                         
                                幾何模型                        鈑金成型起皺現象的模擬

      以某公司某沖壓件設計實例，傳統的設計流程如下圖所示：

                                   

某沖壓件的傳統設計流程

      其中，主要設計、加工成本如下：

      1. 軟質模具的設計和加工成本為20 萬美元；

      2. 初期生產并修改模具的周期一般不低于 12周；

      3. 硬質模具的設計修改和加工成本為75萬美元；

      4. 最后產品試生產、模具方案的定型、試生產、修正生產流程直至正式生產的周期一般為8－9 個月。

      其中，硬質模具的設計費用包含在前期軟質模具設計費用之中，后期只計算修改模具設計的費用。

采用Abaqus進行數字仿真之后，設計流程如下圖所示：

                      

       修改設計流程之后，主要設計、加工成本如下：

       1. 軟質模具的設計和加工成本為10 萬美元；

        2. 初期生產并修改模具的周期縮短為4周；

       3. 硬質模具的設計修改和加工成本為25萬美元；

       4. 最后產品試生產、模具方案的定型、試生產、修正生產流程直至正式生產的周期一般為3.5－4個月;

       5. 僅設計費用就節約了 2/3，設計周期縮短為原來的1/3。

      航空航天是有限元和CAE技術最早發展和應用的領域，通過幾十年的發展，積累了豐富的計算分析實踐經驗。但隨著生產加工水平的提高，對產品的精度、成本要求也越來越高，過去的依靠經驗+試驗的方法，進行模具制造和加工控制已越來越不能滿足工程需要。引進數字化模擬技術，利用CAE軟件分析和優化生產制造工藝勢在必行。

鈑金成型分析—沖壓成型

     Abaqus具有豐富的彈塑性本構材料模型和各向異性材料模型，后者主要針對板材的各向異性性質。沖頭(沖模)的運動既可以用變形體也可以用剛體來模擬，各種摩擦模型和豐富的接觸算法可用來處理任意復雜的三維接觸面問題。同時，為了處理板材成形過程可能遇到的網格畸變問題，Abaqus還提供了網格自適應算法。
             

鈑金成型分析-蒙皮拉伸成形

      Abaqus提供了強大的處理幾何非線性的功能。可以模擬蒙皮拉伸成型中的局部大位移、大轉動，以及復雜的接觸算法(包括剛體—剛體，剛體—變形體，變形體—變形體，其中剛體表面還可以是解析剛體面)，并可可以實時計算相應的模具反力。

            

鈑金成型分析-想皮囊成型

     Abaqus提供豐富的材料本構模型，僅橡膠材料，就多達16種。同時可以很好模擬橡皮囊成型過程中的非線性問題，強大的接觸算法，能夠模擬任意復雜三維模型的接觸問題，以及復雜的接觸屬性包括摩擦系數，摩擦生熱等等。

          
鈑金成型分析-超塑成型

      目前幾乎在所有的金屬材料中都發現了超塑現象，尤其以鈦合金超塑成型工藝，在航空航天上應用更多。Abaqus提供了多種本構模型適用于對各種超塑材料的研究，如率無關材料、率相關材料、各向異性材料和各向同性材料。

               

              

鈑金成型分析—彎管成型

     彎管成型有冷加工和熱加工兩種，Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能，包括：穩態熱傳導和瞬態熱傳導分析，順序耦合熱固分析，完全耦合熱固分析，強制對流和輻射分析，熱界面接觸，熱電耦合等等。可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復雜材料模型。同時，此類成型涉及模具與加工件之間復雜的接觸關系，并處理由于磨損表面單元的玻璃，以及彎管多次成型問題，都能夠在Abaqus中得到很好的解決方案。

 

 

                   
鈑金成型分析—型材拉彎成型

     Abaqus作為通用有限元軟件，具有豐富的單元類型和本構模型。對于型材拉彎成型，不僅可以建立殼單元模型，同時可以建立實體單元模型。可以模擬拉彎成型過程中，夾具兩端的大變形和大轉動。

       

鈑金成型分析—落錘成型

     落錘工藝復雜，成本高，生產周期長。對于復雜零件，可能還需要制作過渡模。經過多次落錘，退火過程，才能得到用戶需要的零件尺寸。利用Abaqus可以方便模擬整個工藝過程，確定最優化的成型工藝，大大降低生產成本，縮短產品開發周期。

                 

鈑金成型分析—熱成型

       Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能，包括：穩態熱傳導和瞬態熱傳導分析，順序耦合熱固分析，完全耦合熱固分析等等。可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復雜材料模型。

沖壓成型反求切邊線

       此功能由SIMULIA China獨立開發的功能模塊。該模塊能夠將切邊線投影到成形前的毛料上，并根據反求得到的切邊線對毛料進行剖切，使零件特征在粗網格模型中得到保留。配合Abaqus的Submodel功能，快速得到切邊后零件內部的應力、應變及厚度分布。可在后續的分析中考慮成形過程的影響。

          

回彈計算

     由于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit分別是Abaqus系列軟件的隱式積分和顯式積分模塊，它們構建在同一個框架和平臺上，支持彼此之間的數據和結果的傳遞，實現了真正的有機結合。因此，對于回彈問題，Abaqus可以準確計算回彈量，以及回彈后的殘余應力。考慮不同工藝條件下的回彈量，分別進行模擬，確定最佳工藝過程。

                    
回彈修模

     此功能由SIMULIA China獨立開發的功能模塊。零件成形誤差即成形后零件型面與零件設計型面之間的偏差，是一個與空間坐標位置相關的場變量。根據成形誤差調整前一次分析模型中的模具節點坐標，生成新的模具型面；根據調整后的模具型面自動建立新的分析模型。從而實現自動回彈補償修模。

                        

FormingFX模塊

      成型過程(如殘余應力等)極大影響結構后繼分析,如碰撞,疲勞壽命分析等，航空零部件中存在大量的鈑金件，成型后的部件存在顯著的硬化、局部變薄和殘余應力等，考慮成型過程的影響，從而使結構分析更符合實際物理現象。

      目前存在多種有效的仿真工具可以分別模擬鈑金成型和結構分析，幾乎沒有工具可以無縫集成鈑金成型和結構分析(即在結構分析中考慮成型的影響)，通常,成型分析需要非常精細的網格，而后繼結構分析則使用相對較粗糙網格，成型仿真和結構分析（碰撞、疲勞壽命分析、NVH分析等）往往是利用許多不同類型的軟件實現，這就涉及到數據的共享和重復利用，從工程應用角度，各種不同類型的軟件必然會使用不同的網格密度，網格形狀和單元積分公式。

       FormingFX模塊采用高效，健壯的搜索算法和映射技術，可以將保存在Abaqus ODB或DYNAIN文件（源文件）中的成型結果映射到結構分析文件中，源文件中讀出成型分析結果，然后寫入結構分析文件（Abaqus inp文件） 。

                    

結果映射—等效塑性應變

高速加工

      隨著現代飛機高速、高機動性能要求的不斷提高，飛機的結構設計發生了較大的變化。從零件結構上看，為了減輕重量，提高飛機的結構強度和機動性能，新一代戰機盡可能地采用整體結構設計。由于整體結構構件復雜，形狀精度要求很高，其制造過程中最突出問題之一是存在加工變形。引起加工變形的原因很多，其中過大的切削力將直接影響加工工藝系統的變形、刀具磨損、加工精度和加工質量等是引起加工變形的重要因素之一。而在高速切削范圍內，切削力隨切削

      速度的增加而降低，因此高速加工航空整體結構件是減小加工變形的有效手段。但是，高速切削包含復雜的熱力、機械及其耦合現象，是一個復雜的高度非線性問題，如果單純依靠試驗手段，不但耗時費力，增加生產成本，而且加工過程中的溫度、應力、應變等也很難準確實時獲知，而切削加工模擬則可以在計算機中再現工件和刀具相對運動的全過程，動態顯示熱流、相變、溫度和應力等分布，克服了試驗等研究方式的缺陷，成為研究高速切削加工的有效方法。

       采用Abaqus的explicit求解器，支持完全熱固耦合，單元分離準則多樣，能夠模擬各種接觸。

               

 

 

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