11-12计算机辅助工程试卷

山东交通学院本科生课程论文课程名称：任课教师：成绩专业学号姓名2011年11月30日有限元模拟技术及实例应用摘要：本文介绍有限元模拟技术的发展并阐述了有限元分析软件Dynaform的特点及利用其进行板料成形时的步骤和未来的发展方向，且重点介绍了其在门外板上的应用实例。关键词：有限元法；dynaform；板料成形有限元法的基本前提是：将连续求解域离散为一组有限个单元的组合体，这样的组合体能近似的模拟或逼近求解区域。由于单元能按各种不同的联结方式组合在一起，且单元本身可以具有不同的形状，因此可以模拟形状复杂的求解域，有限元法作为一种数值分析法的另一重要步骤是利用在每一单元内假设的近似函数来表示全求解域上待求的位置场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数在单元各个节点上的数值以及插值函数表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变为离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上的场函数。显然，随着单元数目的增加，亦即单元尺寸的缩小，解的近似程度将不断改进，如果单元是满足收敛性要求的，其近似解最后将收敛于精确解。1.有限单元法发展史：有限单元法最初于1956年由turner和clough等人在分析飞行器结构力学性能时提出，由于这种方法是由矩阵位移法推广应用于弹性力学平面问题，故当时称为直接刚度法。随后，将这种方法命名为有限单元法，2、CAE软件--eta/DYNAFORM的应用eta/DYNAFORM是美国ETA公司和LSTC公司联合推出的专业板成形软件，致力于解决最复杂板成形工艺，广泛用于世界各大汽车公司、模具厂和大学以及研究机构中。eta/DYNAFORM的求解器是业界著名的动态显式有限元分析程序：LS-DYNA，作为显式有限元程序的鼻祖，LS-DYNA在其固有的强大显式求解技术基础上又增加了隐式分析能力，进一步扩大了程序的应用范围。对于缩减积分模式带来的计算误差，LS-DYNA具有多种沙漏控制技术来克服，在保证分析精度的同时，提高了求解效率。eta公司在与美国三大汽车公司（通用、福特、克莱斯勒）20年的合作中合作，积累了丰富的板成形仿真工程经验，程序中固化了大量经过试验验证的专家经验，对于不同的成形工艺给出了最优的仿真参数如：质量比例参数、速度和阻尼系数等，大大降低了对使用者的要求，成为模具及工艺设计人员的工具。eta/DYNAFORM的主要特点如下：（1）完全工艺化的风格，易学易用；（2）标准的CAD接口（IGES/VDA）；（3）先进的网格生成器，三角形、四边形网格混合以及网格修改、剪裁功能；成形过程中网格的自适应（adaptive）划分功能；（4）方便的拉延筋生成功能，并有DBFP预报拉延筋力；（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（无须建立凸模及接触、载荷曲线）；（7）DFE－模面设计模块，由产品几何外形生成压边和凹模；（8）变厚度板料（焊板）成形分析；（9）丰富的材料库（135种金属及非金属材料）；（10）显隐式无缝转换（回弹分析）；（11）结果各变量（应力、应变、厚度、能量等）历史曲线、云图及动画，切取截面显示（如厚度变化等），FLD图可以显示每个单元的成形状况等；（12）二次开发功能。3.1利用eta/DYNAFORM进行板料成形模拟的步骤(1)曲面模型的建立。可通过两种方式建立曲面模型,一种是在Dynaform中直接建立。另一种是通过商品化的Pro/E和UG等软件导入。因第一种方式功能较简单,应用不太方便,所以常用第二种方法。即在Pro/E和UG等软件中建立覆盖件模型,并进行必要的工艺补充,然后建立相应的凸凹模和压边圈模型,提取各自的曲面,然后存为IGES格式,并导入Dynaform软件。也可将外界建立好且经过工艺补充的覆盖件模型导入Dynaform,然后通过偏置等处理生成凸凹模和压边圈模型。(2)单元网格的划分。一般采用先自动划分单元网格后手动划分的方法。如曲面模型形状较复杂或由多重曲面组成,则往往易产生误差或单元面法向不一致,难以划出正确的结果。因此在划分完网格后,要检查凸凹模、压边圈和板料网格的法矢量边界、重复单元、修改网格直至没有错误为止。网格的划分应正确地反映结构的受力和变形情况,网格的粗细稠密选择要适当。网格细密则结果更精确,但计算量也更大,浪费机时;网格太粗则计算量小,但误差较大且不能真实反映变化情况。应在保证计算精度和目的的前提下,选用适当的单元类型,先对预估受力变形剧烈的地方,采用较细密的网格划分,以保证有足够的单元反映该区域的变化情况。(3)分析模型的建立。网格划分完毕并检查正确后,将各单元集分别定义为凸凹模、板料和压边圈。设置好模具、板料和压边圈之间的相对位置,并定义它们之间的接触类型和参数,设置必要的工艺参数,如动模运动曲线、压边圈运动曲线和力曲线以及摩擦系数和材料性能参数。如是多步成形,则要注意不能移动上一步分析的单元信息模型,以免因原有的应力、应变和单元节点数据的不对应而导致错误。前处理后会生成分析计算的输入文件(3.dyn)和有限元模型文件(3.mod)。(4)分析计算。前处理完成后,即可通过Dy2naform接口引入LSDYNA中进行运算,运算结果会生成一个d3plot文件,以供后处理调用。(5)模拟结果后处理。eta/PostGL可读取。（6）d3plot文件进行后处理,以动画形式显示凸凹模、板料和压边圈的运动情况,直观检查其合理性,并给出板料变形、材料流动、应力应变分布、板料厚度变化以及起皱、破裂等情况。还可就材料成形极限图、材料流动图、应力应变图、厚向分布图等进行详细研究。Eta/Graph则可将d3plot文件中各物理量的数据用曲线的形式显示。应用实例门外板模拟实例图1所示零件是某车型门外板模型，板厚为10mm，属于表面浅拉伸件。生产中，为了控制零件成形以后的回弹，使得材料变形充分，在周边加上了拉伸槛。通过标准的数据交换接口，将模具几何模型读入有限元分析系统的网格处理工具，按照汽车覆盖件成形模拟分析的单元划分原则，用(壳单元对几何模型进行离散，建立门外板零件的有限元网格模型，如图2)所示。模拟计算所用材料为36级，工件与模具之间的摩擦因数为0.25，模具间隙为0.5。在模拟计算过程中，采用修正的库仑摩擦定律来计算摩擦应力，同时考虑了静态摩擦因数和动态摩擦因数对成形过程的影响。图3是门外板拉伸成形后的厚度分布，从图中可以看出，在顶部由于拉伸槛的作用，抑制了材料的流动，板料厚度方向的材料向冲压方向转移，变薄比较严重。但是，从成形极限图来看，变薄严重的部位在临界点附近，另外，从冲压工艺上来说，由于拉伸槛靠近内侧的部分是最终成形零件的一部分，凹模圆角的调整比较困难，只有通过调整压边力和摩擦润滑，来控制零件的最终成形。最终的模拟结果，得到生产厂的确认，在实际生产中，在材料性能不稳定的情况下，局部的确有开裂现象。通过成形模拟结果的分析，可以得出以下结论：局部可能出现破裂点，但是通过调整压边力和润滑，可以控制材料的破裂发生；材料的使用属于临界状态，如果材料性能波动比较大，可能出现大批量的报废4．板成形CAE的未来发展方向(l)提高分析的准确性为了继续提高分析的准确性，需要发展与应用新的本构方程、破坏准则和摩擦模型，特别是对于某些新材料的本构模型，为此还需要大量的实验数据。此外，必须提高回弹与残余应力计算的准确性。(2)提高分析的能力随着仿真技术在模具设计中的的应用不断增加，需要进行分析的成形情况也越来越复杂，对仿真技术的能力也提出了越来越高的要求。今后的数值仿真不仅可以分析刚性模条件下的成形，而且可以分析模具本身的变形（目前eta/DYNAFORM可以实现），这样可以提高在接触区的起皱预测水平。(3)具有优化能力当前的成形模拟还主要用来作为虚拟实验来代替实际的模具调试过程，不能用来作为优化工具。借助数学上利用敏感度分析实现多参数优化的方法，可以对板材成形进行优化分析，得到最佳的板材形状，压边力，拉伸筋位置等成形参数。(4)有限元模拟与CAD环境的双向嵌入是一个必然的趋势。3结束语有限元模拟技术在汽车覆盖件制造及模具行业的应用日益广泛,发挥着越来越重要的作用,其与CAD/CAM技术的结合应用已成为企业先进研发模式的首选,经济效益十分显著。在过去的20多年间,有限元数值模拟技术在不断进步,但也存在着需要继续研究的问题,如采用更加简单精确的单元技术和合理高效的网格划分方法;接触和摩擦力模型的处理;各种成形曲线的判别准则和相应曲线的处理;材料特性的判别准则及回弹精度等。技术的进步是永无止境的,相信随着人们研究的深入和外界相关环境的变化,冲压成形有限元模拟技术会日臻完善,也将在模具行业发挥更加重要的作用。五、参考文献1、张海鸥，金属模具快速制造技术，电加工与模具，北京科技出版社2002.62、王伊卿，朱东波，卢秉恒。电弧喷涂制造汽车覆盖件模具北京化学工业出版社2003.93、谢水生，李雷《金属塑性成形的有限元模拟技术及应用》北京；科学出版社，2008.34、刘建生，陈慧琴，郭晓霞《金属塑性加工有限元模拟技术及应用》北京；冶金工业出版社，2003.75、李开泰，黄艾香，黄庆怀，《有限元方法及其应用》北京；科学出版社，2006.2