專利名稱：確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定板料沖壓成形中模具型面幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，尤其涉及一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
對于ー些成形深度較大的沖壓零件或者壓邊カ不能調(diào)節(jié)的局部凸包成形，一般要分多步成形，從而避免出現(xiàn)開裂和起皺缺陷。在多步成形中，中間構(gòu)型一般根據(jù)最終成形構(gòu)型選取若干參數(shù)進(jìn)行修改獲得。在傳統(tǒng)方法中，中間構(gòu)型幾何參數(shù)的取值依賴于工程師的經(jīng)驗，而且需要通過不斷修改和試錯，才能獲得符合要求的中間構(gòu)型形狀，開發(fā)成本較高。雖然近十年來有限元仿真技術(shù)越來越多地用于模擬板料的成形過程，井能成功預(yù)測成形過程中的起皺和破裂等缺陷，可以減少物理試模，降低成本，但是這種方法只是取代了物理試 模，不能達(dá)到參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。在板料的多步成形過程中，找到ー種確定中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的方法，達(dá)到中間構(gòu)型幾何參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計，對于工程師和技術(shù)人員來講顯得非常關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，解決多步成形中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的取值只能依靠工程師的經(jīng)驗，準(zhǔn)確性差，難以得到中間構(gòu)型幾何參數(shù)的最優(yōu)取值的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特點是包括如下步驟(a)建立板料多步成形的中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的三維CAD參數(shù)化模型。(b)選取需要優(yōu)化的中間構(gòu)型幾何參數(shù)。(c)建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型，并根據(jù)選取的幾何參數(shù)對仿真模型的有限元網(wǎng)格進(jìn)行參數(shù)化處理。(d)確定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件。(e)選取合適的優(yōu)化算法，例如自適應(yīng)響應(yīng)面方法、遺傳算法等)，啟動優(yōu)化過程，獲得優(yōu)化后的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)。(f)根據(jù)優(yōu)化得到的中間構(gòu)型幾何參數(shù)，更新中間構(gòu)型的三維CAD模型。(g)建立多步成形的増量法仿真模型，進(jìn)行驗證，若達(dá)不到成形質(zhì)量要求，則返回重新建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型，重復(fù)優(yōu)化過程，直至滿意為止。進(jìn)ー步的，所述的設(shè)計方法的步驟(a)包括利用UG-NX (西門子公司的三維造型軟件)建立板料多步成形的中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的參數(shù)化模型，并通過偏置操作獲得對應(yīng)的凸凹模型面，然后分別導(dǎo)出零件和模具型面的中間格式igs文件。所述的設(shè)計方法的步驟(C)包括將中間構(gòu)型零件的igs文件導(dǎo)入hypermesh (澳汰爾公司的前處理軟件)中，選擇ー步法radioss-onestep模板,對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇沖壓參數(shù)，建立中間構(gòu)型的ー步法仿真模型。然后利用hypermesh軟件中的hypermorph功能,根據(jù)需要優(yōu)化的幾何參數(shù)，建立中間構(gòu)型零件網(wǎng)格的參數(shù)化模型。進(jìn)ー步的所述的設(shè)計方法的步驟(d)包括利用Keeler-Goodwin成形極限曲線經(jīng)驗公式建立所用材料的成形極限曲線，并依據(jù)成形極限曲線建立材料的質(zhì)量函數(shù)曲線。根據(jù)建立的質(zhì)量曲線函數(shù)，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為所有成形后單元應(yīng)變坐標(biāo)點離質(zhì)量函數(shù)曲線的距離的平方和最小，約束條件為厚度減薄率最大的50個單元的平均減薄率小于25%。所述的設(shè)計方法的步驟(e)包括根據(jù)步驟(b)選定的優(yōu)化參數(shù)和步驟(d)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)以及約束函數(shù)，在、hyperstudy (澳汰爾公司多學(xué)科優(yōu)化軟件)中建立整個優(yōu)化過程，選取自適應(yīng)響應(yīng)面法作為優(yōu)化算法，啟動優(yōu)化過程，獲得優(yōu)化后的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)。進(jìn)ー步的所述的設(shè)計方法的步驟(f)包括根據(jù)步驟(e)得到的中間構(gòu)型幾何參數(shù)，在西門子公司的三維造型軟件UG-NX中對中間構(gòu)型的CAD模型進(jìn)行更新。所述的設(shè)計方法的步驟(g)包括將中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的模具型面的中間格式igs文件導(dǎo)入PAM-STAMP 2G (ESI集団的沖壓成形模擬軟件)中，建立多步成形的増量法仿真模型，進(jìn)行多步成形沖壓過程的模擬，驗證零件的成形效果是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，若達(dá)不到目標(biāo)，則返回步驟(C)，重新建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型，重復(fù)優(yōu)化過程，直至步驟驗證(g)結(jié)果滿意為止。本發(fā)明的有意效果是由于結(jié)合了有限元模擬技術(shù)、基于Keeler-Goodwin成形極限曲線建立的質(zhì)量函數(shù)曲線以及優(yōu)化技術(shù)，提供了一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，解決了現(xiàn)有的僅靠工程師的經(jīng)驗難以獲得較優(yōu)的中間構(gòu)型幾何參數(shù)的問題。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖I為某矩形局部特征零件的CAD模型。圖2為本發(fā)明的一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖。圖3為中間構(gòu)型的CAD模型。圖4為最終構(gòu)型的CAD模型。圖5為多步成形示意圖及相關(guān)尺寸。圖6為矩形局部特征零件ー步法(radioss-onestep)仿真模型。圖7為材料SCEEN5的質(zhì)量函數(shù)曲線。圖8為矩形局部特征零件優(yōu)化前后単元主次應(yīng)變坐標(biāo)點的對比。
具體實施例方式實施例I :圖I為某一矩形局部特征零件的CAD模型，具體輪廓尺寸為長200mm,寬200mm，厚0. 8mm。材料為SECCN5，彈性模量為210Mpa，泊松比為O. 28，硬化指數(shù)n=0. 1825，厚向異性系數(shù)r=l. 662。由于該零件是從某一背板零件中提取的，背板零件在成形過程中壓邊カ不能調(diào)節(jié)，所以該矩形局部特征零件在成形過程中壓邊カ也不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，該零件一歩成形后會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，需要通過多步成形來解決開裂問題。圖2示出了本發(fā)明的一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖。本發(fā)明的確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法包括如下步驟(a)利用西門子公司的三維造型軟件UG-NX建立板料多步成形的中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的參數(shù)化模型，如圖3和圖4所示。通過偏置操作獲得對應(yīng)的凸凹模型面，然后分別導(dǎo)出零件和模具型面的igs文件。(b)選取圓角R1、圓角R2和成形深度H作為需要優(yōu)化的中間構(gòu)型幾何參數(shù)，如圖5所示。
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(c)將中間構(gòu)型零件的igs文件導(dǎo)入澳汰爾公司的前處理軟件hypermesh中，選擇radioss-onestep模板,對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇沖壓參數(shù)，建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型。然后利用hypermesh軟件中的hypermorph功能,根據(jù)需要優(yōu)化的幾何參數(shù),建立中間構(gòu)型零件網(wǎng)格的參數(shù)化模型，如圖6所示。(d)利用Keeler-Goodwin成形極限曲線經(jīng)驗公式建立所用材料的FLC曲線，并依據(jù)FLC曲線建立材料的質(zhì)量函數(shù)曲線，如圖7所示。根據(jù)建立的質(zhì)量曲線函數(shù)，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為所有成形后單元應(yīng)變坐標(biāo)點離質(zhì)量函數(shù)曲線的距離的平方和最小，約束條件為厚度減薄率最大的50個單元的平均減薄率小于25%。(e)根據(jù)步驟(b)選定的優(yōu)化參數(shù)和步驟⑷設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)以及約束函數(shù)，在澳汰爾公司多學(xué)科優(yōu)化軟件hyperstudy中建立整個優(yōu)化過程，選取自適應(yīng)響應(yīng)面法作為優(yōu)化算法，啟動優(yōu)化過程，獲得優(yōu)化后的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)，優(yōu)化有的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)分別為圓角Rl為2. 91mm,圓角R2為4. 07mm,成形深度H為6. 99mm。(f)根據(jù)步驟(e)得到的中間構(gòu)型幾何參數(shù)，在西門子公司的三維造型軟件UG-NX中對中間構(gòu)型的CAD模型進(jìn)行更新。(g)將中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的模具型面的igs文件導(dǎo)入ESI集団的沖壓成形模擬軟件PAM-STAMP 2G中，建立多步成形的増量法仿真模型，進(jìn)行多步成形沖壓過程的模擬，對優(yōu)化后的中間構(gòu)型幾何參數(shù)進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出，利用優(yōu)化后的中間構(gòu)型幾何參數(shù)使零件成形質(zhì)量更優(yōu)，改善了零件起皺和開裂問題，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟 (a)建立板料多步成形的中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的三維參數(shù)化模型； (b)選取需要優(yōu)化的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)； (c)建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型，對于仿真模型劃分網(wǎng)格，并根據(jù)選取所述幾何參數(shù)對仿真模型的有限元網(wǎng)格進(jìn)行參數(shù)化處理； (d)確定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件； (e)選取合適的優(yōu)化算法，啟動優(yōu)化過程，獲得優(yōu)化后的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)； (f)根據(jù)優(yōu)化得到的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)，更新中間構(gòu)型的三維參數(shù)化模型； (g)建立多步成形的增量法仿真模型，進(jìn)行驗證，若達(dá)不到優(yōu)化目標(biāo)，則返回步驟c重新建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型，直至達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。
2.如權(quán)利要求I所述的確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于 所述步驟(a)中利用三維造型軟件UG-NX來建立所述板料多步成形的中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的參數(shù)化模型，并通過偏置操作獲得與其對應(yīng)的凸凹模型面，然后分別導(dǎo)出所設(shè)計的零件以及對應(yīng)的凸凹模型面的中間格式igs文件。
3.如權(quán)利要求I所述的確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于 所述的步驟(C)包括將中間構(gòu)型的零件的中間格式igs文件導(dǎo)入前處理軟件hypermesh中，選擇hypermesh的一步法radioss-onestep模板,對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇沖壓參數(shù)，建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型，然后利用前處理軟件hypermesh軟件中的hypermorph功能,根據(jù)需要優(yōu)化的幾何參數(shù),建立中間構(gòu)型零件網(wǎng)格的參數(shù)化模型。
4.如權(quán)利要求I所述的確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于 所述步驟(d)具體為利用Keeler-Goodwin成形極限曲線經(jīng)驗公式建立所用材料的成形極限曲線，并依據(jù)成形極限曲線建立材料的質(zhì)量函數(shù)曲線，根據(jù)建立的質(zhì)量曲線函數(shù)，所述優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為所有成形后單元應(yīng)變坐標(biāo)點離質(zhì)量函數(shù)曲線的距離的平方和最小，約束條件為厚度減薄率最大的50個單元的平均減薄率小于25%。
5.如權(quán)利要求I所述的確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于 所述步驟(e)包括根據(jù)步驟(b)選定的優(yōu)化參數(shù)和步驟(d)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)以及約束函數(shù)，在多學(xué)科優(yōu)化軟件hyperstudy中建立整個優(yōu)化過程,選取自適應(yīng)響應(yīng)面法作為優(yōu)化算法，啟動優(yōu)化過程，獲得優(yōu)化后的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)。
6.如權(quán)利要求I所述的確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于 所述步驟(f)中在三維造型軟件UG-NX中對中間構(gòu)型的三維參數(shù)化模型進(jìn)行更新。
7.如權(quán)利要求I所述的確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于 所述步驟(g)中，通過將中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的模具型面的中間格式igs文件導(dǎo)入沖壓成形模擬軟件PAM-STAMP 2G中來建立多步成形的增量法仿真模型，進(jìn)行多步成形沖壓過程的模擬，來驗證零件的成形效果是否達(dá)到 優(yōu)化目標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種確定板料多步成形的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，包括建立板料多步成形的中間構(gòu)型和最終構(gòu)型的三維CAD參數(shù)化模型；選取需要優(yōu)化的中間構(gòu)型幾何參數(shù)；建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型并根據(jù)選取的幾何參數(shù)對仿真模型的有限元網(wǎng)格進(jìn)行參數(shù)化處理；確定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件；選取合適的優(yōu)化算法，啟動優(yōu)化過程，獲得優(yōu)化后的中間構(gòu)型的幾何參數(shù)；根據(jù)優(yōu)化得到的中間構(gòu)型幾何參數(shù)，更新中間構(gòu)型的三維CAD模型；建立多步成形的增量法仿真模型，進(jìn)行驗證，若達(dá)不到要求，則返回重新建立中間構(gòu)型的一步法仿真模型，重復(fù)優(yōu)化過程，直至滿意為止。
文檔編號G06F17/50GK102737147SQ20121021716
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者孫光永, 李光耀, 毛麗臣, 郭瑞泉 申請人:湖南大學(xué)