板材成形中的虛擬制造技術(shù)

0、引言

隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新的人機(jī)交互系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)等設(shè)備及相應(yīng)的軟件對(duì)真實(shí)的物理世界進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和實(shí)時(shí)交互作用，在虛擬的環(huán)境中，用戶與系統(tǒng)直接而自然地交互，進(jìn)行一定的操作，從而達(dá)到實(shí)際的效果。虛擬技術(shù)已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，如虛擬存儲(chǔ)器、虛擬I/O設(shè)備、高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、機(jī)械制造領(lǐng)域里的虛擬設(shè)計(jì)、制造、裝配、產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬技術(shù)進(jìn)行外科手術(shù)的培訓(xùn)等等，在測試儀表和測控行業(yè)中，用虛擬儀器代替實(shí)際的儀器和控制電路具有較好的發(fā)展前景。

板材沖壓成形技術(shù)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)過程, 在許多領(lǐng)域, 特別是在汽車工業(yè)中占有舉足輕重的地位, 而汽車工業(yè)在世界許多發(fā)達(dá)國家中已成為整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。 從這個(gè)意義上可以說板材沖壓成形技術(shù)是一個(gè)國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志之一。

工業(yè)發(fā)達(dá)國家中板材產(chǎn)量一般占鋼材總量的50%左右,板材年人均消費(fèi)達(dá)200公斤,板材年人均消費(fèi)量已經(jīng)成為社會(huì)繁榮和消費(fèi)水平的標(biāo)志之一。根據(jù)美國的統(tǒng)計(jì),板材經(jīng)過成形后創(chuàng)造了相當(dāng)于原材料價(jià)格十二倍的附加值, 從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。板材成形是投入直接消費(fèi)前的主要深加工方法, 成形性占有突出的重要地位。

在傳統(tǒng)的板材成形過程中，當(dāng)模具設(shè)計(jì)及制造完成后，需要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，才能得到滿意的成形零件。在調(diào)試過程中，一些成形缺陷，如破裂、起皺和回彈等問題，主要憑借模具工程師的經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)反復(fù)試錯(cuò)才能解決。這種方法不但降低了生產(chǎn)效率，而且只有少數(shù)模具工程師經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累才能掌握這一技藝。

今天激烈的市場競爭, 決定板材成形工業(yè)要減小從概念設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)的周期。 因此，為降低成本，縮短研制周期, 提高產(chǎn)品質(zhì)量, 迫切需要解決在板材成形工業(yè)中所遇到的各種各樣的問題。但是傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展的需要，因此促使虛擬制造技術(shù)的迅速發(fā)展。將虛擬制造技術(shù)引入現(xiàn)代板材成形工業(yè)可以使模具設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和調(diào)試，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，這一技術(shù)成為縮短研制周期，提高成形零件質(zhì)量必不可少的工具。

1、LS-DYNA3D簡介
LS-DYNA3D是美國Lawrence livemore國家材料實(shí)驗(yàn)室J.O.Hallquist教授主持開發(fā)的幾何大變形、非線性材料和接觸摩擦滑動(dòng)邊界三重非線性動(dòng)力分析程序，自1976年推出后, 歷經(jīng)數(shù)十版本的不斷擴(kuò)充, 至今已具有很強(qiáng)的功能。LS-DYNA3D采用顯式中心差分算法，當(dāng)今許多著名商業(yè)軟件，如DYTRAN、PAM-STAMP、OPTRIS都是在LS-DYNA3D早期版本DYNA3D基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。LS-DYNA3D 936版本具有十二大類的元素，九十種材料模型(其中包含5種用戶可開發(fā)材料接口,十種狀態(tài)方程)，二十六種接觸--碰撞算法，在美國的兵器、宇航、汽車、核工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。

早期版本的DYNA3D曾采用16節(jié)點(diǎn)和20節(jié)點(diǎn)的高階三維單元、8節(jié)點(diǎn)膜單元，后來在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這些高階單元雖然能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算低頻的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng), 但用于高速碰撞, 考慮應(yīng)力波傳播, 運(yùn)算速度很低。過于昂貴的機(jī)時(shí)費(fèi)用, 使之不能實(shí)用。所以后來DYNA3D采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體元,4節(jié)點(diǎn)(膜)殼單元。雖然LS-DYNA3D起源于動(dòng)力沖擊問題。

但從九十年代后，成功地用在板材成形的分析中。它具彈塑性本構(gòu)材料和各向異性材料模型,可用來分析板材的各向異性性質(zhì)。用剛體材料模型來模擬沖頭(沖模)的運(yùn)動(dòng), 庫侖摩擦和豐富的接觸算法可用來處理任意復(fù)雜的三維接觸面問題。為了處理板材成形問題,LS-DYNA3D具有多種函數(shù)和特性以滿足數(shù)值分析的需要, 如網(wǎng)格自適應(yīng)算法、CAD模型接口（IGS 或VDA文件）、大規(guī)模并行機(jī)(MPP)算法、等效拉深筋模型等。LS-DYNA3D最大特點(diǎn)是它的版本更新速度快,它能將計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的最新進(jìn)展迅速加到程序中, 它是一個(gè)開放式軟件系統(tǒng), 具有五個(gè)用戶可開發(fā)接口, 為用戶進(jìn)行二次開發(fā)提供了極為便利的條件。

２、計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析

（1）汽車底盤彈簧支架沖壓成形的數(shù)值模擬研究

汽車底盤彈簧支架的沖壓成形過程可分成二步來完成，第一步是在凹模和曲面壓邊圈的作用下，毛坯從一個(gè)平直板完成壓彎過程，然后在凹模，壓邊圈和凸模的共同作用下，使彎曲后的毛坯再進(jìn)行一次拉深過程。所以彈簧支架是由彎曲工藝和拉深工藝組合在一起的一個(gè)比較復(fù)雜的成形過程。

在實(shí)際生產(chǎn)中，彈簧支架成形時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)二種缺陷，一種缺陷是在拉深過程中法蘭邊處出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，另一種缺陷是與凸模頂部圓角接觸部分?jǐn)嗔选Ｔ趬毫C(jī)型號(hào)選定的情況下，凹模的位移行程是很難改變的。在工藝中最容易調(diào)整的量就是壓邊圈所受到的壓力，為此本文分別對(duì)壓邊力為96×104 N，120×104N ，144×104N三種工況行了模擬分析。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于第一種工況，壓邊圈的壓力過小，毛坯流入凹模口內(nèi)過多，而在毛坯法蘭邊處產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，對(duì)于第二種工況，壓邊圈的壓力適中、成形時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量較好，對(duì)于第三種工況，壓邊圈的壓力過大，毛坯在與凸模導(dǎo)角接觸部分破裂，所以在彈簧支架沖壓成形過程中，壓邊力應(yīng)取120×104N。

（2）CA488發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼一次拉延成形的數(shù)值模擬研究

CA488發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼是一種成形難度極高的沖壓件，該件各部分變形極不均勻，而且型腔較深，沿制件長度方向深淺相差較大，型腔側(cè)壁沿周錐度不同，在制件兩端分別存在一個(gè)“龍門口”，“龍門口”與側(cè)壁交匯的圓角又很小，這些特點(diǎn)使油底殼沖壓成形具有很大的難度。另外對(duì)該件的工藝要求又很高，一方面，要求法蘭面平整，另一方面，要求“龍門口”沒有皺紋，以保證裝配后不漏油。

為此，我們針對(duì)IF鋼板在油底殼沖壓成形中出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行了研究，得出了該件在拉延過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律和龍門口及其下部側(cè)壁起皺的主要原因，提出了解決這類問題的具體措施。并通過調(diào)整毛坯尺寸確定了合理的坯料形狀、尺寸，成功的模擬出一次拉延成形的油底殼沖壓件（見圖3）。為同類件拉延成形工藝的制定、毛坯的優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)及調(diào)試提供了理論依據(jù)。

圖1 模擬成形有限元網(wǎng)絡(luò)圖，壓邊力為120×104N

３、實(shí)現(xiàn)板材成形數(shù)值模擬的一般步聚

在大量實(shí)例基礎(chǔ)上，我們總結(jié)出板材沖壓成形模擬的一般過程：

（1）從CAD系統(tǒng)接受模具的線、面數(shù)據(jù)或在前處理模塊生成的線、面數(shù)據(jù)。

（2）生成壓邊圈、模具有限元模型,并賦予它們材料和元素特征。

（3）檢查壓邊圈、模具有限元模型,如：法線、導(dǎo)角、重復(fù)單元等。

（4）生成毛坯的有限元網(wǎng)格模型,施加必要的邊界條件。

（5）確定工具和坯料的位置，定義毛坯和模具、壓邊圈之間的接觸面。

（6）寫出LS-DYNA3D輸入文件，最后檢查輸入文件，執(zhí)行數(shù)值模擬。

（7）用后處理模塊處理模擬結(jié)果，提出工藝修改方案。

4、我國CAE應(yīng)用存在的問題及相應(yīng)的對(duì)策

當(dāng)代世界科技發(fā)展的重要標(biāo)志之一，就是計(jì)算機(jī)技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品的研制、開發(fā)和生產(chǎn)中。我國在CAE應(yīng)用主要存在如下問題：

● 由于CAE的使用一般比CAD的要求高，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)CAE的培訓(xùn)，以提高使用人員的水平。

● 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累和繼承不夠，公共數(shù)據(jù)庫缺乏。

● CAE與CAD相對(duì)獨(dú)立，工程分析所需要的數(shù)據(jù)很多還是手工傳遞，傳到分析階段的部件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)不完整，數(shù)據(jù)共享性差，效率低。

● 設(shè)計(jì)的版本管理和變更存在問題，技術(shù)文件種類多，易造成文件不協(xié)調(diào)。

● 設(shè)計(jì)時(shí)工藝、材料、使用等信息不能及時(shí)反饋，易在研制的后期造成大量的修改和返工。

板材成形中的虛擬制造技術(shù)涉及到數(shù)值方法、力學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及塑性加工技術(shù)等多門學(xué)科。為了使這一技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用，必須組成多學(xué)科協(xié)調(diào)小組，加強(qiáng)企業(yè)和院校、研究機(jī)構(gòu)的合作。在管理上采用并行工程的方法，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAE的一體化，加強(qiáng)對(duì)CAD、CAE軟件接口、材料特性數(shù)據(jù)、典型成形件的模型處理方法的工程化管理。不斷積累在CAE應(yīng)用中的可靠性經(jīng)驗(yàn)的積累，使這一技術(shù)在解決實(shí)際問題中得到發(fā)展。

轉(zhuǎn)自： http://www.metals8848.com ;
作者：柳澤 施法中 黃迪民 徐成林