搜索ABAQUS在沖壓成形有限元模擬中的應(yīng)用
2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
一、模擬加工過(guò)程中的成本節(jié)約
加工成形技術(shù)是制造工業(yè)的中一種重要的技術(shù)。當(dāng)前,制造行業(yè)加工工藝正朝著高技術(shù)的方向發(fā)展,越來(lái)越多的公司在產(chǎn)品研發(fā)和制造過(guò)程中開(kāi)始注重仿真技術(shù)的應(yīng)用。
采用ABAQUS進(jìn)行仿真模擬的目的是節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、加快研發(fā)速度和提高產(chǎn)品質(zhì)量。ABAQUS可以針對(duì)不同操作系統(tǒng)(如Unix,Linux和Windows等)進(jìn)行單機(jī)或多機(jī)并行運(yùn)算,節(jié)省更多運(yùn)算時(shí)間。
下面以ABAQUS某汽車(chē)用戶(hù)的車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)為例,說(shuō)明ABAQUS在沖壓成型有限元模擬中的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
圖1 某型號(hào)汽車(chē)車(chē)門(mén)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
其中主要設(shè)計(jì)及加工成本如下:
1.軟質(zhì)模具的設(shè)計(jì)和加工成本為20萬(wàn)美元;
2.初期生產(chǎn)并修改模具的周期一般不低于12周;
3.硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)修改和加工成本為75萬(wàn)美元;
4.最后產(chǎn)品試生產(chǎn)、模具方案的定型、修正生產(chǎn)流程直至正式生產(chǎn)的周期一般為8~9個(gè)月。
其中,硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)費(fèi)用包含在前期軟質(zhì)模具設(shè)計(jì)費(fèi)用之中,后期只計(jì)算修改模具設(shè)計(jì)的費(fèi)用。
采用ABAQUS進(jìn)行數(shù)字仿真之后,設(shè)計(jì)流程如圖2所示。
圖2 引入ABAQUS后某型號(hào)汽車(chē)車(chē)門(mén)的設(shè)計(jì)效果
修改設(shè)計(jì)流程之后,主要設(shè)計(jì)和加工成本如下:
1.軟質(zhì)模具的設(shè)計(jì)和加工成本為10萬(wàn)美元;
2.初期生產(chǎn)并修改模具的周期縮短為4周;
3.硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)修改和加工成本為25萬(wàn)美元;
4.最后產(chǎn)品試生產(chǎn)、模具方案的定型、試生產(chǎn)、修正生產(chǎn)流程直至正式生產(chǎn)的周期一般為3.5~4個(gè)月。
經(jīng)過(guò)以上計(jì)算可以明確看出,僅車(chē)門(mén)的設(shè)計(jì)費(fèi)用就節(jié)約了2/3,而設(shè)計(jì)周期則縮短為原來(lái)的1/3。
二、模擬加工成形過(guò)程中的難點(diǎn)
加工成形過(guò)程的數(shù)值模擬受到材料非線性、幾何非線性和邊界非線性的綜合影響,直接計(jì)算的難度非常大。從力學(xué)本質(zhì)來(lái)看,很多的成形過(guò)程可以簡(jiǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,對(duì)該過(guò)程的有限元模擬通常有兩種方法:靜力隱式方法和動(dòng)力顯式方法。根據(jù)動(dòng)力松弛法的原理,動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解和靜力解是一致的。所以本文所涉及的算例均采用顯式動(dòng)力學(xué)的方法,即使用ABAQUS/EXPLICIT求解器模塊,對(duì)不同的加工成形過(guò)程進(jìn)行模擬。
算例表明,ABAQUS在處理加工成形中可以得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。
三、實(shí)際應(yīng)用
1.普通油箱的沖壓成形
本實(shí)例模擬油箱的沖壓成型過(guò)程。圖3所示為實(shí)際成型時(shí)油箱的一半的形狀?？紤]到在沖壓成型過(guò)程中,油箱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,本文通過(guò)模擬圖3左下所示的結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行模擬分析,達(dá)到分析整個(gè)油箱成型的目的。首先,通過(guò)ABAQUS/CAE完成圖3右側(cè)所示的裝配圖,其中平面鋁板將被沖壓成型為圖3左下的結(jié)構(gòu)。成形的全過(guò)程如圖4所示,模擬結(jié)果跟實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相吻合。其中,圖5所示為整個(gè)過(guò)程中內(nèi)能和動(dòng)能的變化曲線,可以確定模擬過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)。圖6表現(xiàn)的是成型后金屬板的厚度分布云圖。圖7給出了與厚度變化最大處的單元相關(guān)的四個(gè)節(jié)點(diǎn)處的厚度在時(shí)間域內(nèi)的變化曲線。
圖3 油箱的結(jié)構(gòu)模擬圖及裝配圖
圖4 油箱沖壓成形過(guò)程示意圖
圖5 整個(gè)過(guò)程中內(nèi)能和動(dòng)能的變化曲線
圖6 厚度分布云圖
圖7 與厚度變化最大處的單元相關(guān)的四個(gè)節(jié)點(diǎn)處的厚度在時(shí)間域內(nèi)的變化曲線
2.鈦合金板材的沖壓成形
鈦合金板材的沖壓成型ABAQUS模擬過(guò)程如圖8所示。
圖8 沖壓成型的ABAQUS模擬過(guò)程
3.蒙拉成形
蒙拉成型的ABAQUS模擬如圖9所示。
圖9 蒙拉成型的ABAQUS模擬示意圖
圖10 模具應(yīng)力的變化曲線
4.橡皮囊成形及鈑金成形
橡皮囊成形及鈑金成形如圖11、圖12、圖13所示。
圖11 橡皮囊及鈑金成形的示意圖
圖12 第一步成型示意圖
圖13 第二步成型示意圖
5.彎管成形
彎管成形如圖14所示。
圖14 彎管成型ABAQUS模擬示意圖
6.圓錐管成形
圓錐管成形如圖15所示。
圖15 圓錐管成型的ABAQUS模擬示意圖
四、結(jié)論
以上實(shí)例的模擬都是在ABAQUS平臺(tái)下進(jìn)行的。結(jié)果表明,采用ABAQUS處理加工成型過(guò)程中所涉及到的非線性力學(xué)問(wèn)題,能夠得到比較令人滿(mǎn)意的結(jié)果。此外,ABAQUS還提供了種類(lèi)豐富的用戶(hù)子程序接口,用戶(hù)可以根據(jù)需要編寫(xiě)特殊的本構(gòu)關(guān)系曲線、復(fù)雜的載荷和邊界條件以及靈活多樣的用戶(hù)單元等,這些功能目前在研究領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中都取得了廣泛地應(yīng)用。
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