板材沖壓的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

2016-11-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1、前言
沖壓成形是一種歷史悠久的金屬加工工藝,隨著工業(yè)水平的不斷進(jìn)步,沖壓技術(shù)和設(shè)備日益完善,目前日本已經(jīng)制造出3000噸以上級(jí)的重型沖壓機(jī),用于大型沖壓件的加工。當(dāng)前,在汽車、航空、模具等行業(yè)沖壓加工中仍然占據(jù)著重要地位。

眾所周知,汽車的大部分構(gòu)件都是薄板沖壓件,國外各大汽車廠商很早就開始采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用于指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。而隨著市場競爭的加劇和環(huán)保法規(guī)的相繼出臺(tái),汽車工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),3R戰(zhàn)略成為所有汽車制造商的追求目標(biāo):縮短研發(fā)周期、縮短研發(fā)費(fèi)用以及縮小整車重量(提高燃油效率),而3R戰(zhàn)略的實(shí)施則對(duì)諸如CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。

沖壓數(shù)值仿真的發(fā)展主要依賴于各種板成形軟件的涌現(xiàn)和進(jìn)步,這些CAE軟件大多可以利用CAD生成的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝過程仿真,為新產(chǎn)品的開發(fā)提供參考依據(jù)。當(dāng)前,工業(yè)上應(yīng)用板材成形CAE分析的目的可以歸納為以下三個(gè)主要方面:

(1) 節(jié)省時(shí)間:工件是否可制造的早期判斷;縮短開發(fā)周期;減少調(diào)試次數(shù);對(duì)結(jié)構(gòu)修改設(shè)想的快速響應(yīng);
(2) 節(jié)省費(fèi)用:減少模具成本;增強(qiáng)可靠性;
(3) 提高產(chǎn)品質(zhì)量:擇優(yōu)選擇材料;可制造復(fù)雜的零件;各種成形參數(shù)的優(yōu)化。

2.板成形數(shù)值模擬發(fā)展及算法簡介
金屬板材成形的數(shù)值模擬始于20世紀(jì)60年代。最早出現(xiàn)的方法是有限差分法,但此類方法僅限于解決諸如球形沖頭脹形等軸對(duì)稱問題,對(duì)復(fù)雜邊界條件處理存在困難而未能得到廣泛應(yīng)用。

有限元方法的應(yīng)用使得金屬成形模擬獲得突破。相繼出現(xiàn)了剛塑性、彈塑性理論,以及運(yùn)用這些理論進(jìn)行的成形模擬,單元類型以膜單元和實(shí)體單元為主,這些研究工作極大推動(dòng)了板成形的理論發(fā)展,但在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用遠(yuǎn)未成熟。實(shí)際上,相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi),板成形有限元仿真研究多是停留在試驗(yàn)和測試的階段,對(duì)從事沖壓工作的工程師而言,有限元仿真是一件既耗時(shí)又不可靠的工具,他們寧愿采用一些幾何方法和簡單的力學(xué)方法。

基于動(dòng)態(tài)顯式算法的軟件的出現(xiàn)標(biāo)志著板材成形仿真實(shí)際應(yīng)用的真正發(fā)展,與此同時(shí),基于靜態(tài)隱式增量法的軟件也進(jìn)一步發(fā)展。到1989年,因其強(qiáng)大的接觸以及大變形、大平移/轉(zhuǎn)動(dòng)處理能力,顯式有限元算法已經(jīng)在板成形仿真領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?？梢哉f,在二十幾年的發(fā)展過程中,板材成形CAE技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向設(shè)計(jì)室,并在模具設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用。

當(dāng)前板材成形數(shù)值模擬采用的算法分為兩類。顯式法、隱式法。其它還有一步成形法。

(1) 顯式算法
包括動(dòng)態(tài)顯式和靜態(tài)顯式算法。
動(dòng)態(tài)顯式算法的最大優(yōu)點(diǎn)是有較好的穩(wěn)定性。另外,動(dòng)態(tài)顯式算法采用動(dòng)力學(xué)方程的中心差分格式,不用直接求解切線剛度,不需要進(jìn)行平衡迭代,計(jì)算速度快,也不存在收斂控制問題。該算法需要的內(nèi)存也比隱式算法要少。數(shù)值計(jì)算過程可以很容易地進(jìn)行并行計(jì)算,程序編制也相對(duì)簡單。另一方面,它也有一些不利方面。顯式算法要求質(zhì)量矩陣為對(duì)角矩陣,而且只有在單元級(jí)計(jì)算盡可能少時(shí)速度優(yōu)勢才能發(fā)揮, 因而往往采用減縮積分方法,容易激發(fā)沙漏模式,影響應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算精度。動(dòng)態(tài)顯式法還有一個(gè)重要特點(diǎn)是:對(duì)成形過程的仿真需要使用者正確劃分有限元網(wǎng)格和選擇質(zhì)量比例參數(shù)、速度和阻尼系數(shù)。
靜態(tài)顯式法基于率形式的平衡方程組與Euler前插公式,不需要迭代求解。由于平衡方程式僅在率形式上得到滿足,所以得出的結(jié)果會(huì)慢慢偏離正確值。為了減少相關(guān)誤差,必須每步使用很小的增量,通常一個(gè)仿真過程需要多達(dá)幾千步。由于不需要迭代,所以這種方法穩(wěn)定性好,但效率低。

(2)隱式算法
靜態(tài)隱式算法也是解決金屬成形問題的一種方法。在靜態(tài)隱式算法中,在每一增量步內(nèi)都需要對(duì)靜態(tài)平衡方程而迭代求解。理論上在這個(gè)算法中的增量步可以很大,但是實(shí)際運(yùn)算中上要受到接觸以及摩擦等條件的限制。隨著單元數(shù)目的增加,計(jì)算時(shí)間幾乎呈平方次增加。由于需要矩陣求逆以及精確積分,對(duì)內(nèi)存要求很高。隱式算法的不利方面還有收斂問題不容易得到解決以及當(dāng)開始起皺失穩(wěn)時(shí),在分叉點(diǎn)處剛度矩陣出現(xiàn)奇異。
另有一種靜態(tài)隱式大增量步軟件,也屬于靜態(tài)隱式算法,做出了某些改進(jìn),如在一些特殊接觸條件處理上采用大增量時(shí)步,彎曲與拉伸變形的非耦合求解算法,高精度的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分等等。這些專用于金屬薄板成形的特征有時(shí)顯得非常有效,但在某些方面不會(huì)那么準(zhǔn)確。例如,它不能精確模擬接觸和脫離接觸的過程,無法有效預(yù)測起皺失穩(wěn)。

(3)一步成形法
在這種算法中只采用一個(gè)時(shí)步,通常采用線性應(yīng)變路徑的假定,并且忽略接觸摩擦過程,可以在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)成形后的構(gòu)形計(jì)算出初始坯料的尺寸。如果結(jié)合CAD軟件與網(wǎng)格劃分功能,這一方法可以在設(shè)計(jì)的初始階段提供非常有價(jià)值的信息。當(dāng)然,結(jié)果的準(zhǔn)確性通常很低,實(shí)質(zhì)上是一種"近似求解(approximation analysis)"。

3. 板成形CAE軟件的應(yīng)用
基于一步成形方法的軟件在歐洲的汽車制造商中得到了廣泛應(yīng)用,其原因是這種方法反應(yīng)快速和使用方便。相反,日本和美國的公司認(rèn)為,通過一步成形法軟件計(jì)算得到的應(yīng)力分布不夠準(zhǔn)確,不是一種可靠的優(yōu)化工具。

當(dāng)前存在著一種應(yīng)用動(dòng)態(tài)顯式算法的趨勢,在BENCHMARK 的模擬中動(dòng)態(tài)顯式算法的采用越來越多。靜態(tài)隱式算法多用于某些液壓成形問題或與顯式算法結(jié)合計(jì)算回彈。在一些情況下,回彈與殘余應(yīng)力狀態(tài)非常重要,以前需要在整個(gè)板材成形過程的模擬中都采用隱式算法,現(xiàn)在有的板成形分析軟件在原有的顯式基礎(chǔ)上增加了隱式分析功能,因此,在這些程序中可以實(shí)現(xiàn)板成形從沖壓到回彈的完整工藝過程的模擬,顯隱式分析做到無縫轉(zhuǎn)換,從而令板成形仿真更為方便、高效。其中,eta/DYNAFORM就是其中的典型代表。

eta/DYNAFORM是美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合推出的專業(yè)板成形軟件,致力于解決最復(fù)雜板成形工藝,廣泛用于世界各大汽車公司、模具廠和大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)中。

eta/DYNAFORM的求解器是業(yè)界著名的動(dòng)態(tài)顯式有限元分析程序:LS-DYNA,作為顯式有限元程序的鼻祖,LS-DYNA在其固有的強(qiáng)大顯式求解技術(shù)基礎(chǔ)上又增加了隱式分析能力,進(jìn)一步擴(kuò)大了程序的應(yīng)用范圍。對(duì)于縮減積分模式帶來的計(jì)算誤差,LS-DYNA具有多種沙漏控制技術(shù)來克服,在保證分析精度的同時(shí),提高了求解效率。eta公司在與美國三大汽車公司(通用、福特、克萊斯勒)20年的合作中合作,積累了豐富的板成形仿真工程經(jīng)驗(yàn),程序中固化了大量經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的專家經(jīng)驗(yàn), 對(duì)于不同的成形工藝給出了最優(yōu)的仿真參數(shù)如:質(zhì)量比例參數(shù)、速度和阻尼系數(shù)等,大大降低了對(duì)使用者的要求,成為模具及工藝設(shè)計(jì)人員的工具。
eta/DYNAFORM的主要特點(diǎn)如下:

(1) 完全工藝化的風(fēng)格,易學(xué)易用;
(2) 標(biāo)準(zhǔn)的CAD接口(IGES/VDA);
(3) 先進(jìn)的網(wǎng)格生成器,三角形、四邊形網(wǎng)格混合以及網(wǎng)格修改、剪裁功能;成形過程中網(wǎng)格的自適應(yīng)(adaptive)劃分功能;
(4) 方便的拉延筋生成功能,并有DBFP預(yù)報(bào)拉延筋力;
(5) 板材落料尺寸估算器,提高成材率;
(6) 快速的拉延分析功能(無須建立凸模及接觸、載荷曲線);
(7) DFE-模面設(shè)計(jì)模塊,由產(chǎn)品幾何外形生成壓邊和凹模;
(8) 變厚度板料(焊板)成形分析;
(9) 豐富的材料庫(135種金屬及非金屬材料);
(10) 顯隱式無縫轉(zhuǎn)換(回彈分析);
(11) 結(jié)果各變量(應(yīng)力、應(yīng)變、厚度、能量等)歷史曲線、云圖及動(dòng)畫,切取截面顯示(如厚度變化等),FLD圖可以顯示每個(gè)單元的成形狀況等;
(12) 二次開發(fā)功能。

汽車設(shè)計(jì)的瓶頸是車身覆蓋件模具設(shè)計(jì)與制造周期。所關(guān)心的主要問題是由拉裂、減薄、環(huán)狀滑移線、起皺與回彈引起的工件缺陷。汽車裝配質(zhì)量差的主要表現(xiàn)是車輛整體幾何形狀不精確協(xié)調(diào)。

仿真軟件的應(yīng)用,大大減少了試模的次數(shù)。例如,奔馳在采用仿真之前每套模具大致需試模3到4次,現(xiàn)在則1到2次就足以防止起皺和破裂。豐田汽車公司在引入仿真系統(tǒng)以后,減少了模具設(shè)計(jì)和制造過程中46%的試驗(yàn)工作。它們采用的軟件都是eta/DYNAFORM。

在美國和歐洲,幾乎100%的主要車身覆蓋件都經(jīng)過仿真設(shè)計(jì),但在日本大致只有30%是應(yīng)用仿真完成。這是由于日本的模具設(shè)計(jì)師通常更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)模具。數(shù)值仿真只有在使用新材料新造型時(shí)才認(rèn)為是必需的。

4.板成形CAE的未來發(fā)展方向
(l) 提高分析的準(zhǔn)確性
為了繼續(xù)提高分析的準(zhǔn)確性,需要發(fā)展與應(yīng)用新的本構(gòu)方程、破壞準(zhǔn)則和摩擦模型,特別是對(duì)于某些新材料的本構(gòu)模型,為此還需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外,必須提高回彈與殘余應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

(2) 提高分析的能力
隨著仿真技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的的應(yīng)用不斷增加,需要進(jìn)行分析的成形情況也越來越復(fù)雜,對(duì)仿真技術(shù)的能力也提出了越來越高的要求。今后的數(shù)值仿真不僅可以分析剛性模條件下的成形,而且可以分析模具本身的變形(目前eta/DYNAFORM可以實(shí)現(xiàn)),這樣可以提高在接觸區(qū)的起皺預(yù)測水平。

(3) 具有優(yōu)化能力
當(dāng)前的成形模擬還主要用來作為虛擬實(shí)驗(yàn)來代替實(shí)際的模具調(diào)試過程,不能用來作為優(yōu)化工具。借助數(shù)學(xué)上利用敏感度分析實(shí)現(xiàn)多參數(shù)優(yōu)化的方法,可以對(duì)板材成形進(jìn)行優(yōu)化分析,得到最佳的板材形狀,壓邊力,拉伸筋位置等成形參數(shù)。

(4) 有限元模擬與CAD環(huán)境的雙向嵌入是一個(gè)必然的趨勢。

Autoform與Dynaform相比,最根本的不同是其采用了近似的求解方法,這使得其求解速度較快,但是要犧牲一部分精度?？梢哉f,其是一個(gè)不錯(cuò)的模具設(shè)計(jì)前期的快速驗(yàn)證工具,但若用戶若需要比較精確地了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指標(biāo)的數(shù)值分布,它的計(jì)算結(jié)果不適合進(jìn)行定量分析。
從使用角度來講,Autoform與Dynaform都是易用的軟件。由于Autoform需要人為干預(yù)的內(nèi)容更少,有些用戶可能覺得更好用。但是,現(xiàn)實(shí)模具設(shè)計(jì)中,還是有很多可變的選項(xiàng)的,例如,壓力機(jī)的速度與載荷等。Dynaform卻既有默認(rèn)值,也提供了其它的選擇,從而使得計(jì)算機(jī)模擬與現(xiàn)實(shí)更接近,從而得到的結(jié)果更準(zhǔn)確。還有一點(diǎn)需要提出的,使軟件的易用性對(duì)于不同的人在不同的階段感覺是不一樣的。用戶習(xí)慣了哪種軟件后,就會(huì)覺得哪種軟件好用。也許,當(dāng)初學(xué)習(xí)操作軟件時(shí)是2天還是5天并不重要,只要在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)就可以了。這方面Autoform與Dynaform都可以滿足。但是,由于Autoform是適合模具設(shè)計(jì)初步驗(yàn)證的工具,其增強(qiáng)功能方面遠(yuǎn)沒有Dynaform的多。對(duì)于想進(jìn)一步在技術(shù)、工藝等各方面做些改進(jìn)的成熟用戶來講,Autoform肯定顯得力不從心,而Dynaform可以給用戶一個(gè)進(jìn)一步發(fā)揮和提高的空間。
從精度上來講,Autoform雖然也可以預(yù)測起皺、拉裂等趨勢,但在具體的數(shù)值預(yù)報(bào)上,精度明顯與Dynaform的預(yù)測結(jié)果有很大的差距。而Dynaform由于采用了LS-DYNA求解器,其計(jì)算結(jié)果是各種鈑金成型分析軟件中精度最高的。若用戶想精確控制鈑金件的形狀和尺寸,從而使得自己產(chǎn)品在外觀上給人留下質(zhì)量好、檔次高的形象,則宜使用分析結(jié)果精度高的仿真軟件。
從速度上來講,要想較好的使用這2個(gè)軟件,都需要性能良好的計(jì)算機(jī)。而當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件的性能已經(jīng)比以前有了很好的提高。盡管Dynaform的求解速度比Autoform的要低一些,但是當(dāng)前的計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度如此之快,用戶幾乎看不到它們有多大區(qū)別。例如,某Autoform的用戶采用了一臺(tái)雙CPU、主頻是2.4GHz的Dell工作站,計(jì)算一個(gè)普通的鈑金件需要4-5個(gè)小時(shí)。若用Dynaform計(jì)算,也是這個(gè)時(shí)間。當(dāng)然,Dynaform中還可以通過有限元網(wǎng)格的規(guī)模使得這個(gè)時(shí)間縮短或延長。再者,用戶多花一點(diǎn)錢(相對(duì)于軟件)就可以將硬件的性能提高到一個(gè)很高的檔次,因此,計(jì)算速度已經(jīng)不是影響高端CAE軟件使用的問題了。
從功能上來講,由于Dynaform所采用的LS-DYNA求解器具有非常強(qiáng)的求解各種大變形非線性問題的能力,在顯式分析技術(shù)領(lǐng)域居于領(lǐng)導(dǎo)者的地位。特別需要指出的一點(diǎn):LS-DYNA具備專門用于金屬成形分析的接觸算法,其特點(diǎn)是速度快,對(duì)網(wǎng)格的要求低,對(duì)于板成形分析以強(qiáng)有力的算法支持,這是該程序的獨(dú)到之處。Dynaform的軟件的產(chǎn)生和美國三大汽車公司的發(fā)展息息相關(guān),其開發(fā)背景就是基于最復(fù)雜的板成形問題-汽車覆蓋件的模具設(shè)計(jì)和成形工藝,幾十年的發(fā)展奠定了Dynaform在汽車覆蓋件成形分析上的專業(yè)化地位。
從代理商的技術(shù)實(shí)力來看,代理Dynaform的美國Ansys股份有限公司是國際上CAE行業(yè)當(dāng)前Nasdaq市值高踞第一的專業(yè)廠商,在國內(nèi)有4個(gè)辦事處和1個(gè)咨詢公司,專職于CAE軟件的推廣和服務(wù)。同時(shí),Dynaform軟件的開發(fā)商ETA公司和LSTC公司每年還多次派人來華與用戶交流或?yàn)橛脩舴?wù)。無論從技術(shù)能力上、還是從公司的實(shí)力上,這些都能保證用戶在培訓(xùn)、提高、咨詢等各個(gè)階段得到持續(xù)的技術(shù)支持。而Autoform的國內(nèi)代理商是一個(gè)綜合的貿(mào)易公司,負(fù)責(zé)Autoform產(chǎn)品的僅有少數(shù)人員。因此,其技術(shù)深層的技術(shù)服務(wù)能力是國內(nèi)用戶比較擔(dān)心的。盡管其在國內(nèi)的商業(yè)用戶較多,但對(duì)于Autoform產(chǎn)品來講,涉及的技術(shù)層面不是很深,若用戶實(shí)際工作中遇到深層次的問題,還是不容易從別人那兒得到太多的幫助的。
從國內(nèi)外多家Autoform與Dynaform用戶的使用情況來看,Autoform基本是局限在強(qiáng)調(diào)易用性、對(duì)求解結(jié)果精度要求不太高的普通模具廠,特別是初步接觸鈑金計(jì)算機(jī)仿真分析軟件的工廠。其簡單的界面和較快的求解速度很容易吸引住初步接觸此類產(chǎn)品的用戶。而Dynaform不但被應(yīng)用于普通和專業(yè)的模具廠,還被各加工成型研究所、高校等科研機(jī)構(gòu)廣泛采用,使國際做鈑金成型分析領(lǐng)域使用最廣泛的分析軟件和交流平臺(tái)。從我們了解的某些實(shí)例看,若有研究機(jī)構(gòu)有Autoform,則可能是被免費(fèi)贈(zèng)送或?yàn)槟稠?xiàng)目做初步模具設(shè)計(jì)而購買的。其中很多機(jī)構(gòu)在有了Autoform后,往往還要繼續(xù)購買Dynaform。在美洲,沒有哪一家是僅僅使用Autoform的,若有Autoform,其往往是用其做初步設(shè)計(jì)的校驗(yàn),而精確的設(shè)計(jì)分析還是用象Dynaform這樣的高端軟件。當(dāng)然,有很多家是僅使用Dynaform,因?yàn)?Dynaform的功能幾乎全部涵蓋了Autoform,當(dāng)然還有更多。例如底特律某家汽車底盤廠僅有多套Dynaform而無其它仿真軟件(在國外,底盤的許多件是沖壓成型的)。美國三大汽車公司全部有Dynaform。據(jù)說日本某家模具公司僅有Autoform,但是,對(duì)于精確的數(shù)值分析,他們不指望使用Autoform來得到。他們更多的是靠經(jīng)驗(yàn)。倘若他們也有Dynaform的話,他們就可以更加快速且準(zhǔn)確地得到數(shù)值,而不必僅僅依靠某些有豐富經(jīng)驗(yàn)的老員工了。當(dāng)然,經(jīng)驗(yàn)也是經(jīng)過許多的試驗(yàn)和長時(shí)間的積累得到的,不是任何一家模具廠一開始就有的。在對(duì)精度要求較高的飛機(jī)制造領(lǐng)域,有用戶用Dynaform做飛機(jī)覆蓋件的仿真成型分析,但還沒有聽說用Autoform的。
實(shí)際上,Autoform與Dynaform也是互補(bǔ)的產(chǎn)品。若用戶費(fèi)用足夠,可以2者皆買。Autoform用于前期的快速驗(yàn)證,Dynaform用于精確的成型分析。但若用戶費(fèi)用有限的情況下,從各種資料多數(shù)人的建議看,Dynaform是各種軟件中最佳的選擇。在從國際互聯(lián)網(wǎng)上查到的幾篇文章看,都傾向于將Dynaform做為第一選擇。而對(duì)于高級(jí)專業(yè)用戶來講,沒有人會(huì)選擇Autoform。

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