BT殼的案例
沖壓工藝仿真中界面接觸壓力計算精度研究
單元類型的影響
殼單元是基于板殼理論，在厚度方向尺度遠小于其他方向的尺度時，把單元從3D簡化成2D就可以簡化大量預算而獲得比較準確的解。實體單元不引入板殼理論，直接計算位移、變形和力，當結(jié)構(gòu)比較復雜時運算量非常大，但應用實體單元運算更為準確。
表1是在相同條件下工藝過程仿真中常用的BT殼單元和實體單元兩種單元得到的界面接觸壓力仿真數(shù)值，可以看出，兩種不同類型單元得到的結(jié)果幾乎相同。兩種單元得到相同的結(jié)果說明：在薄板仿真中，單元類型的選擇對界面接觸壓力仿真結(jié)果沒有影響。因此工程設計中滿足板殼理論的結(jié)構(gòu)件可以直接采用默認的BT殼單元進行仿真，節(jié)省模型計算時間。
表1 Dynaform單元類型與接觸壓力的關系(單位：MPa)
板料網(wǎng)格大小的影響
圖3是不同板料網(wǎng)格大小情況下板料―凹模圓角界面接觸壓力對比情況，其他條件為壓邊力12MPa,BT殼單元，網(wǎng)格大小為0.25mm，采用5個積分點，虛擬沖壓速度2000mm/s。實踐表明：凹模圓角小于5mm時，先進高強鋼沖壓過程可能過早出現(xiàn)開裂；通過預先計算證明，DP590鋼所需最小壓邊力為12MPa，故本研究采用12MPa。從圖3可以看出，網(wǎng)格板料網(wǎng)格大小對接觸壓力仿真精度影響明顯，呈現(xiàn)出隨著板料網(wǎng)格變大，界面接觸壓力值也隨之增加的規(guī)律。從界面接觸壓力的原始數(shù)據(jù)中還可以看到：即使在平穩(wěn)階段，界面接觸壓力并不連續(xù)，這表明Dynaform仿真結(jié)果并不精確，只能在工程設計中用平均結(jié)果預估磨損情況。
圖3 板料網(wǎng)格大小對接觸壓力的影響
模具網(wǎng)格大小影響
圖4為凹模圓角區(qū)網(wǎng)格大小對界面接觸壓力的影響，其他條件為壓邊力12MPa,BT殼單元，板料網(wǎng)格0.25mm，采用5個積分點，虛擬沖壓速度2000mm/s。
展開 基于LS-DYNA的鋁合金前防撞橫梁結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化
圖2.1 原鋼制前防撞梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2）單元選擇
選擇殼截面，即薄殼單元。薄殼單元的算法選擇2號的Belytschko-Tsay（BT）殼單元。BT殼單元被廣泛應用于各種大變形研究問題，它具有計算速度快的優(yōu)點，那是因為它采用的是單點積分。然后在此基礎上，沿殼的厚度方向選擇4個積分點。
3）網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格是對有限元模型總體的計算時間具有顯著影響的，所以當一個當網(wǎng)格的尺寸太小的時候，就會使整體的計算時間變得很長；而當網(wǎng)格尺寸太大的時候，又會對計算結(jié)果的精度產(chǎn)生不良的影響，所以根據(jù)汽車工程方面的相關經(jīng)驗，防撞梁系統(tǒng)的防撞橫梁、連接板和背板采用5mm尺寸的網(wǎng)格，對吸能盒采用4mm尺寸的網(wǎng)格。其有限元模型如圖2.2所示。
圖2.2 原鋼制前防撞梁系統(tǒng)三點彎曲有限元模型
4）材料模型
LS-DYNA中提供的材料模型種類眾多，在本次仿真分析中，防撞橫梁、吸能盒和連接板均采用24號多線性彈塑性材料模型，背板采用的是20號剛體材料模型。
原鋼制防撞橫梁和連接板材料均采用B340/590DP，其材料參數(shù)如表2.1所示。
表2.1 防撞橫梁與連接板材料B340/590DP參數(shù)
表2.2 吸能盒材料B240/390DP參數(shù)吸能盒材料均采用B240/390DP，其材料參數(shù)如表2.2所示。
表2.2 吸能盒材料B240/390DP參數(shù)
5）連接設置
通過參考一些常規(guī)車型，本次仿真分析原鋼制前防撞梁系統(tǒng)所采用的連接方式為焊接。其中鋼制外板和鋼制內(nèi)板采用點焊的方式進行連接，點焊的一維Spot單元需要賦予100號的材料模型，同理，100號材料模型需要給出密度、泊松比、彈性模量和屈服強度，它們各自的數(shù)值為7800kg/m-3、0.3、210GPa和207MPa。
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圖3.1 原鋼制前防撞梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2）單元選擇
選擇殼截面，即薄殼單元。薄殼單元的算法選擇2號的Belytschko-Tsay（BT）殼單元。BT殼單元被廣泛應用于各種大變形研究問題，它具有計算速度快的優(yōu)點，那是因為它采用的是單點積分。然后在此基礎上，沿殼的厚度方向選擇4個積分點。
3）網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格是對有限元模型總體的計算時間具有顯著影響的，所以當一個當網(wǎng)格的尺寸太小的時候，就會使整體的計算時間變得很長；而當網(wǎng)格尺寸太大的時候，又會對計算結(jié)果的精度產(chǎn)生不良的影響，所以根據(jù)汽車工程方面的相關經(jīng)驗，防撞梁系統(tǒng)的防撞橫梁、連接板和背板采用5mm尺寸的網(wǎng)格，對吸能盒采用4mm尺寸的網(wǎng)格。其有限元模型如圖3.2所示。
圖3.2 原鋼制前防撞梁系統(tǒng)三點彎曲有限元模型
4）材料模型
LS-DYNA中提供的材料模型種類眾多，在本次仿真分析中，防撞橫梁、吸能盒和連接板均采用24號多線性彈塑性材料模型，背板采用的是20號剛體材料模型。
原鋼制防撞橫梁和連接板材料均采用B340/590DP，其材料參數(shù)如表3.1所示。
表3.1 防撞橫梁與連接板材料B340/590DP參數(shù)
表3.2 吸能盒材料B240/390DP參數(shù)吸能盒材料均采用B240/390DP，其材料參數(shù)如表3.2所示。
表3.2 吸能盒材料B240/390DP參數(shù)
5）連接設置
通過參考一些常規(guī)車型，本次仿真分析原鋼制前防撞梁系統(tǒng)所采用的連接方式為焊接。其中鋼制外板和鋼制內(nèi)板采用點焊的方式進行連接，點焊的一維Spot單元需要賦予100號的材料模型，同理，100號材料模型需要給出密度、泊松比、彈性模量和屈服強度，它們各自的數(shù)值為7800kg/m-3、0.3、210GPa和207MPa。
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殼單元
殼單元作為ANSYS LS-DYNA中最為常用的建模方式，其計算效率是實體單元的3倍以上，因此，在可以劃分網(wǎng)格時，首選使用殼單元方式進行建模。殼單元最常用的單元公式有2、16號單元公式。
ID=2，Belytschko-Tsay單元，簡稱BT單元，是縮減積分單元，同時是ANSYS LS-DYNA的推薦單元。
ID=16，具有共旋應力更新的Belytschko-Tsay全積分殼單元，與默認的BT殼單元(ID=2)相比，需多花2.5到3倍的時間成本，此單元會更硬，與實際更貼合。設置沙漏類型8，可適用于翹曲的幾何形狀(可用于解決扭曲的梁)。
總結(jié)
本單元公式的選擇和模型工況有著直接的聯(lián)系，由于ANSYS LS-DYNA推薦的單元都是縮減積分，必然存在沙漏。對于模型的網(wǎng)格劃分，選擇殼還是實體，以及模型中哪些特征是對計算結(jié)果非常重要，哪些可以刪除，即減少網(wǎng)格數(shù)量，也可避免不必要的計算錯誤。另外，計算出現(xiàn)錯誤，如何去debug。
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鋁合金汽車覆蓋件沖壓成形的回彈模擬分析
工具和板料采用BT殼單元進行幾何離散、網(wǎng)格進行自適應劃分，同時假定凸模、凹模、壓邊圈為剛體，板料采用等向指數(shù)強化模型。
在壓邊階段壓邊圈移動速度為3m/s，板料與凹模的摩擦系數(shù)為0.12，板料與壓邊圈的摩擦系數(shù)為0.12，模具間隙為1.32mm。沖壓進程凸模的運動速度為0.5m/s，壓邊力設定為2000kN。板料與凹模、凸模、壓邊圈的摩擦系數(shù)默認為0.12，模具間隙為1.32mm。回彈階段的板料自適應級數(shù)為1級。沖壓成形中，采用的是反向拉延，外板的下料尺寸如圖1所示。
圖1 外板下料尺寸
表1 板材材料性能
回彈仿真分析
回彈分析之前，需要先導入在拉延計算中生成的dynain文件，該文件中包含板料最后階段的變形網(wǎng)格和應力應變數(shù)據(jù)，在外板拉延仿真中考慮到模型對稱性和減少計算規(guī)模，只取一半模型進行計算。設定好約束位置（該位置的選擇應在遠離邊界和應力大的區(qū)域，對稱模型只需要在對稱邊界上選取兩個節(jié)點來進行約束）以排除剛體運動，約束點如圖2所示。
圖2 設定的約束點位置
圖2中分別約束了三個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度，從而約束了整個部件的剛體運動。在約束完節(jié)點，選定粗化網(wǎng)格模式以及選定單步回彈成形或多步回彈成形后，即可進行計算。回彈計算結(jié)果如圖3所示。
圖3 回彈計算結(jié)果云圖
從圖3中可以看出，最大回彈量出現(xiàn)在成形后板料的左右上端邊緣位置，最大回彈值為19.80mm。另外，在成形后板料左右下端邊緣位置也有較大的回彈量，達到了13mm以上。
回彈的影響因素
從以上分析中可以看出，外板回彈量最大位置均出現(xiàn)在成形后板料的左右上端邊緣位置。在不改變模具和沖壓工藝的前提下，研究了不同材料性能對回彈的影響程度，從而分析出對鋁合金回彈影響較大的材料參數(shù)，為廠家的改進提供參考。
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殼單元
殼單元作為ANSYS LS-DYNA中最為常用的建模方式，其計算效率是實體單元的3倍以上，因此，在可以劃分網(wǎng)格時，首選使用殼單元方式進行建模。殼單元最常用的單元公式有2、16號單元公式。
ID=2，Belytschko-Tsay單元，簡稱BT單元，是縮減積分單元，同時是ANSYS LS-DYNA的推薦單元。
ID=16，具有共旋應力更新的Belytschko-Tsay全積分殼單元，與默認的BT殼單元(ID=2)相比，需多花2.5到3倍的時間成本，此單元會更硬，與實際更貼合。設置沙漏類型8，可適用于翹曲的幾何形狀(可用于解決扭曲的梁)。
總結(jié)
本單元公式的選擇和模型工況有著直接的聯(lián)系，由于ANSYS LS-DYNA推薦的單元都是縮減積分，必然存在沙漏。對于模型的網(wǎng)格劃分，選擇殼還是實體，以及模型中哪些特征是對計算結(jié)果非常重要，哪些可以刪除，即減少網(wǎng)格數(shù)量，也可避免不必要的計算錯誤。另外，計算出現(xiàn)錯誤，如何去debug。
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殼單元
殼單元作為ANSYS LS-DYNA中最為常用的建模方式，其計算效率是實體單元的3倍以上，因此，在可以劃分網(wǎng)格時，首選使用殼單元方式進行建模。殼單元最常用的單元公式有2、16號單元公式。
ID=2
Belytschko-Tsay單元，簡稱BT單元，是縮減積分單元，同時是ANSYS LS-DYNA的推薦單元。
