專利名稱：沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的模擬方法，特別是一種沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法。
背景技術(shù)：
模具在金屬塑性成形過程中起著非常重要的作用。為了滿足汽車輕量化的要求，汽車用鋼板的強(qiáng)度等級(jí)越來越高，高強(qiáng)度鋼沖壓時(shí)模具載荷是普通鋼沖壓時(shí)的2-3倍，傳統(tǒng)的覆蓋件沖壓模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不一定能滿足高強(qiáng)度鋼沖壓要求。單純地增大模具的體積和厚度，選用硬度更高的模具材料，必然會(huì)增加模具材料成本和生產(chǎn)中的能耗，而且有時(shí)候并不能起到預(yù)期效果。對(duì)高強(qiáng)度鋼沖壓模具進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核、壽命預(yù)測(cè)以及進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，迫切需要一種定量化的模擬方法。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，韓國的Y.S.Lee等在《Journal of MatrerialProcessing Technology》(材料成形技術(shù)學(xué)報(bào))2004年153-154期1081-1088頁上發(fā)表的“Analysis of the elastic characteristics at die and workpieceto improve the dimensional accuracy for cold forged part”(分析模具和工件的彈性變形以提高冷鍛件的尺寸精度)，該文中提出將工件看成彈塑性體，模具中的凹模視為剛性體，沖頭視為彈性體，用數(shù)值模擬方法研究了冷鍛模的彈性變形，以考慮模具變形對(duì)工件尺寸精度的影響，其不足在于該方法在目前的軟硬件水平下，只能模擬如軸對(duì)稱等簡單零件成形，覆蓋件沖壓模具通常體積大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用此方法難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，使其在當(dāng)前軟硬件水平下為沖壓模具強(qiáng)度剛度校核、壽命預(yù)測(cè)以及進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一種可行、可信的數(shù)值模擬方法，用以指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)和沖壓生產(chǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明具體步驟如下①進(jìn)行板料沖壓成形數(shù)值模擬，從模具三維CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型中提取出模具(凸模、凹模和壓邊圈)的成形表面，導(dǎo)入有限元前處理軟件(如商業(yè)有限元前處理軟件HyperMesh)中，對(duì)模具成形表面進(jìn)行簡化后，采用控制弦高差的方法將工具成形表面離散為殼單元，選用增量法有限元代碼(如商業(yè)有限元求解軟件Ls-Dyna)作為板料成形數(shù)值模擬的求解器，確定坯料尺寸并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格離散，按照求解器的要求設(shè)置完成后，從有限元前處理軟件中導(dǎo)出有限元求解器輸入文件，然后提交給有限元求解器求解，求解完成后，使用后處理軟件(如商業(yè)有限元后處理軟件HyperView)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行觀察，得到變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力；②將模具三維CAD模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，首先對(duì)模具三維CAD模型進(jìn)行簡化，簡化后的模具三維CAD模型要同時(shí)滿足以下A、B、C三點(diǎn)要求A簡化后的模具三維CAD模型要便于對(duì)其進(jìn)行體單元離散，并且離散的體單元要滿足企業(yè)有限元模擬單元質(zhì)量要求，B簡化后的模具三維CAD模型，離散后的體單元數(shù)量要在企業(yè)結(jié)構(gòu)分析有限元軟硬件處理能力內(nèi)，C在滿足以上A、B兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上，減小模具三維CAD模型簡化程度，按照以上A、B、C三條的要求，對(duì)簡化后的模具三維CAD模型進(jìn)行體單元離散，選用于模具結(jié)構(gòu)分析的有限元求解器(如商業(yè)有限元軟件Marc)，按照求解器的要求設(shè)置完成后，導(dǎo)出有限元求解器輸入文件，這時(shí)的有限元模型還沒有包含變形板料和模具成形表面之間的相互作用；③將①步板料沖壓成形數(shù)值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面節(jié)點(diǎn)上，由于板料成形數(shù)值模擬有限元建模時(shí)模具成形表面簡化和網(wǎng)格離散與模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬有限元建模時(shí)模具三維CAD模型簡化和網(wǎng)格離散不同，所以①步板料成形數(shù)值模擬得出的成形板料和模具表面之間的接觸作用力可能不在②步得到的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面上，需要將①步板料成形數(shù)值模擬得出的成形板料和模具表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面節(jié)點(diǎn)上，作為力邊界條件以代替實(shí)際成形過程中板料和模具表面之間的相互作用，具體通過以下A、B、C三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)A將板料成形數(shù)值模擬中模具表面網(wǎng)格上的載荷點(diǎn)移動(dòng)到距其最近的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面，B將移動(dòng)到體單元表面上的載荷插值到體單元表面節(jié)點(diǎn)上，C根據(jù)模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬有限元求解器輸入文件的格式規(guī)范，改寫②步得到的有限元求解器輸入文件，增加作用在體單元表面節(jié)點(diǎn)上的載荷；④將③步補(bǔ)充完成的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的有限元求解器輸入文件提交到用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的有限元求解器求解，求解完成后，采用后處理軟件(如商業(yè)有限元后處理軟件Mentat)對(duì)結(jié)果進(jìn)行觀察分析，如果不符合所需的結(jié)果，找出原因，如果因?yàn)棰俨桨辶铣尚螖?shù)值模擬獲得的載荷錯(cuò)誤，返回到①步，如果因?yàn)棰诓诫x散得到的用于模具結(jié)構(gòu)分析的體單元質(zhì)量過差，返回到②步，如此循環(huán)，直至獲得所需結(jié)果。
本發(fā)明使用板料成形數(shù)值模擬獲得成形過程中板料和模具之間的相互作用力，在進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬時(shí)，將此作用力施加到模具體單元表面，形成節(jié)點(diǎn)載荷以代替變形板料和模具表面之間的相互作用。這種處理方法大大簡化了問題的復(fù)雜度，并且相比于將總體成形載荷作為均布力施加到模具與壓力機(jī)安裝臺(tái)面上的有限元建模方法，該方法模具受力與實(shí)際工況更接近，對(duì)設(shè)計(jì)的雙曲底面盒形件拉深模具用該方法進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，模具上等效應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果誤差不超過15％，表明該方法是目前進(jìn)行復(fù)雜沖壓模具結(jié)構(gòu)分析的一種現(xiàn)實(shí)有效方法。


圖1為本發(fā)明方法流程圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例以一個(gè)底面為雙曲面、直壁部分三側(cè)為平面，一側(cè)為曲面的盒形件拉深模具為例，模擬其應(yīng)力及變形，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)以驗(yàn)證本發(fā)明的有效性。
具體步驟如下①進(jìn)行板料沖壓成形數(shù)值模擬，從模具三維UG(Unigraphics，一種三維CAD軟件)模型中提取出模具的成形表面，導(dǎo)入HyperMesh軟件中，對(duì)模具成形表面進(jìn)行簡化后，采用控制弦高差的方法(最大弦高差0.1mm，最小單元尺寸0.5mm，最大單元尺寸30mm)將工具成形表面離散為殼單元，選用Ls-Dyna軟件作為板料成形數(shù)值模擬的求解器，板料尺寸為240×200mm2，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格離散，按照求解器的要求，設(shè)置好板料的材料性能參數(shù)、板料單元類型和積分方案、工具和坯料之間的接觸關(guān)系以及工具的運(yùn)動(dòng)條件等后，從HyperMesh軟件中導(dǎo)出Ls-Dyna輸入文件，然后提交給Ls-Dyna求解，求解完成后，使用HyperView對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行觀察、分析，目前的商用板料沖壓成形數(shù)值模擬軟件已經(jīng)相當(dāng)成熟，模擬的板料厚度變化與試驗(yàn)得出的工件厚度變化吻合良好，模擬的凸模成形力和在MTS成形機(jī)上采集的沖頭成形力趨勢(shì)一致，并且相對(duì)誤差小于10％；②將模具三維UG模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中，首先對(duì)模具三維CAD模型進(jìn)行簡化，簡化掉模具部件中的倒角、用于裝配的螺釘孔、尺寸小于5mm的加強(qiáng)筋等幾何特征，然后將其離散為六面體單元，95％以上的單元質(zhì)量滿足翹曲小于12.0、雅克比大于0.7、縱橫比小于5.0、偏斜小于60.0，六面體單元總數(shù)為14萬7千，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為15萬4千，單元質(zhì)量滿足一般企業(yè)有限元分析質(zhì)量要求，單元總數(shù)在有限元軟件Marc的處理能力內(nèi)。網(wǎng)格離散后，按照Marc軟件的要求，設(shè)置好工具的材料性能、工具各部件之間的接觸關(guān)系、位移邊界條件、載荷邊界條件和載荷步等后，導(dǎo)出Marc輸入文件；③將①步板料沖壓成形數(shù)值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面節(jié)點(diǎn)上，采用VC(Visual Studio，一種程序開發(fā)工具)編寫的載荷映射工具-LoadMapping(載荷映射，用戶開發(fā)的用于載荷映射的工具)，以板料成形數(shù)值模擬網(wǎng)格信息、模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬網(wǎng)格信息、①步板料成形數(shù)值模擬得到的結(jié)果文件和②步得到的Marc輸入文件為輸入，運(yùn)算、處理得到新的Marc輸入文件，新Marc輸入文件中增加了作用在工具六面體單元成形表面節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)載荷；④將③步得到的Marc輸入文件提交到Marc求解器求解，求解完成后，采用Mentat軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行觀察。
為了驗(yàn)證該方法的有效性，開發(fā)了沖壓模具結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力、應(yīng)變采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括改裝后的雙曲底面盒形件拉深模具，電橋盒，動(dòng)態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀，信號(hào)采集卡和開發(fā)的基于Windows的數(shù)據(jù)采集軟件。進(jìn)行了兩種板料在不同恒定壓邊力下的拉深試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)每一種試驗(yàn)情況，模具上等效應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果誤差不超過15％，該方法具有模型簡單，計(jì)算規(guī)模小的優(yōu)點(diǎn)，是目前軟硬件水平下對(duì)復(fù)雜沖壓模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的一種現(xiàn)實(shí)、有效方法。
本發(fā)明適用范圍不限于沖壓模具結(jié)構(gòu)分析，類似的步驟，可應(yīng)用于如鍛造，擠壓模具(包含，并不限于)結(jié)構(gòu)分析。該方法還用于轎車地板部件沖壓模具結(jié)構(gòu)分析，相同的步驟和操作過程，同樣取得了良好的效果。
權(quán)利要求
1.一種沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征在于，具體步驟如下①進(jìn)行板料沖壓成形數(shù)值模擬，從模具三維CAD模型中提取出模具的成形表面，導(dǎo)入有限元前處理軟件中，對(duì)模具成形表面進(jìn)行簡化后，采用控制弦高差的方法將工具成形表面離散為殼單元，選用增量法有限元代碼作為板料成形數(shù)值模擬的求解器，確定坯料尺寸并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格離散，按照求解器的要求設(shè)置完成后，從有限元前處理軟件中導(dǎo)出有限元求解器輸入文件，然后提交給有限元求解器求解，求解完成后，使用后處理軟件對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行觀察，得到變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力；②將模具三維CAD模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，首先對(duì)模具三維CAD模型進(jìn)行簡化，對(duì)簡化后的模具三維CAD模型進(jìn)行體單元離散，選用于模具結(jié)構(gòu)分析的有限元求解器，按照求解器的要求設(shè)置完成后，導(dǎo)出有限元求解器輸入文件，得到用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面節(jié)點(diǎn)，這時(shí)的有限元模型還沒有包含變形板料和模具成形表面之間的相互作用；③將①步板料沖壓成形數(shù)值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面節(jié)點(diǎn)上，作為力邊界條件以代替實(shí)際成形過程中板料和模具表面之間的相互作用，得到補(bǔ)充完成的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的有限元求解器輸入文件；④將③步補(bǔ)充完成的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的有限元求解器輸入文件提交到用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的有限元求解器求解，求解完成后，采用后處理軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行觀察分析，如果不符合所需的結(jié)果的，找出原因，如果因?yàn)棰俨桨辶铣尚螖?shù)值模擬獲得的載荷錯(cuò)誤，返回到①步，如果因?yàn)棰诓诫x散得到的用于模具結(jié)構(gòu)分析的體單元質(zhì)量過差，返回到②步，如此循環(huán)，直至獲得所需結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述①中提取出模具的成形表面，是指提取凸模、凹模和壓邊圈的成形表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述①中有限元前處理軟件，是指商業(yè)有限元前處理軟件HyperMesh。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述①中選用增量法有限元代碼，是指選用商業(yè)有限元求解軟件Ls-Dyna。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述①中后處理軟件，是指如商業(yè)有限元后處理軟件HyperView。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述②中簡化后的模具三維CAD模型要同時(shí)滿足以下A、B、C三點(diǎn)要求A簡化后的模具三維CAD模型要便于對(duì)其進(jìn)行體單元離散，并且離散的體單元要滿足企業(yè)有限元模擬單元質(zhì)量要求，B簡化后的模具三維CAD模型，離散后的體單元數(shù)量要在企業(yè)結(jié)構(gòu)分析有限元軟硬件處理能力內(nèi)，C在滿足以上A、B兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上，減小模具三維CAD模型簡化程度，按照以上A、B、C三條的要求，對(duì)簡化后的模具三維CAD模型進(jìn)行體單元離散。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述B中，用于模具結(jié)構(gòu)分析的有限元求解器，是指商業(yè)有限元軟件Marc。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述③具體通過以下A、B、C三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)A將板料成形數(shù)值模擬中模具表面網(wǎng)格上的載荷點(diǎn)移動(dòng)到距其最近的用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面，B將移動(dòng)到體單元表面上的載荷插值到體單元表面節(jié)點(diǎn)上，C根據(jù)模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬有限元求解器輸入文件的格式規(guī)范，改寫②步得到的有限元求解器輸入文件，增加作用在體單元表面節(jié)點(diǎn)上的載荷。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，其特征是，所述④中采用后處理軟件，是指采用商業(yè)有限元后處理軟件Mentat。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種沖壓模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法，首先通過板料沖壓成形數(shù)值模擬獲得沖壓過程中變形板料和模具表面之間的接觸力；同時(shí)對(duì)模具三維CAD模型進(jìn)行簡化后，離散為體單元，離散的體單元要保證一定的質(zhì)量和控制總數(shù)量；然后將板料沖壓成形數(shù)值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到用于模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬的體單元表面節(jié)點(diǎn)上，完成模具結(jié)構(gòu)分析有限元模型；最后提交到求解器求解。本發(fā)明模型簡單，計(jì)算規(guī)模小，是目前軟硬件水平下對(duì)復(fù)雜沖壓模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的一種現(xiàn)實(shí)、有效方法。
文檔編號(hào)G01N3/08GK101050960SQ200710040000
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者陳軍, 張貴寶, 陳亮, 湯禹成 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)