資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。山東交通學(xué)院本科生課程論文課程名稱:任課教師:成績(jī)專業(yè)學(xué)號(hào)姓名年11月30日有限元模擬技術(shù)及實(shí)例應(yīng)用摘要:本文介紹有限元模擬技術(shù)的發(fā)展并闡述了有限元分析軟件Dynaform的特點(diǎn)及利用其進(jìn)行板料成形時(shí)的步驟和未來的發(fā)展方向,且重點(diǎn)介紹了其在門外板上的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞:有限元法;dynaform;板料成形有限元法的基本前提是:將連續(xù)求解域離散為一組有限個(gè)單元的組合體,這樣的組合體能近似的模擬或逼近求解區(qū)域。由于單元能按各種不同的聯(lián)結(jié)方式組合在一起,且單元本身能夠具有不同的形狀,因此能夠模擬形狀復(fù)雜的求解域,有限元法作為一種數(shù)值分析法的另一重要步驟是利用在每一單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來表示全求解域上待求的位置場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)一般由未知場(chǎng)函數(shù)在單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值以及插值函數(shù)表示。這樣一來,一個(gè)問題的有限元分析中,未知場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值就成為新的未知量,從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變?yōu)殡x散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量,就能夠利用插值函數(shù)確定單元組合體上的場(chǎng)函數(shù)。顯然,隨著單元數(shù)目的增加,亦即單元尺寸的縮小,解的近似程度將不斷改進(jìn),如果單元是滿足收斂性要求的,其近似解最后將收斂于精確解。有限單元法發(fā)展史:有限單元法最初于1956年由turner和clough等人在分析飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)性能時(shí)提出,由于這種方法是由矩陣位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題,故當(dāng)時(shí)稱為直接剛度法。隨后,將這種方法命名為有限單元法,2、CAE軟件--eta/DYNAFORM的應(yīng)用eta/DYNAFORM是美國(guó)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(guó)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(kù)(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圖能夠顯示每個(gè)單元的成形狀況等;(12)二次開發(fā)功能。3.1利用eta/DYNAFORM進(jìn)行板料成形模擬的步驟(1) 曲面模型的建立?？山?jīng)過兩種方式建立曲面模型,一種是在Dynaform中直接建立。另一種是經(jīng)過商品化的Pro/E和UG等軟件導(dǎo)入。因第一種方式功能較簡(jiǎn)單,應(yīng)用不太方便,因此常見第二種方法。即在Pro/E和UG等軟件中建立覆蓋件模型,并進(jìn)行必要的工藝補(bǔ)充,然后建立相應(yīng)的凸凹模和壓邊圈模型,提取各自的曲面,然后存為IGES格式,并導(dǎo)入Dynaform軟件。也可將外界建立好且經(jīng)過工藝補(bǔ)充的覆蓋件模型導(dǎo)入Dynaform,然后經(jīng)過偏置等處理生成凸凹模和壓邊圈模型。(2) 單元網(wǎng)格的劃分。一般采用先自動(dòng)劃分單元網(wǎng)格后手動(dòng)劃分的方法。如曲面模型形狀較復(fù)雜或由多重曲面組成,則往往易產(chǎn)生誤差或單元面法向不一致,難以劃出正確的結(jié)果。因此在劃分完網(wǎng)格后,要檢查凸凹模、壓邊圈和板料網(wǎng)格的法矢量邊界、重復(fù)單元、修改網(wǎng)格直至沒有錯(cuò)誤為止。網(wǎng)格的劃分應(yīng)正確地反映結(jié)構(gòu)的受力和變形情況,網(wǎng)格的粗細(xì)稠密選擇要適當(dāng)。網(wǎng)格細(xì)密則結(jié)果更精確,但計(jì)算量也更大,浪費(fèi)機(jī)時(shí);網(wǎng)格太粗則計(jì)算量小,但誤差較大且不能真實(shí)反映變化情況。應(yīng)在保證計(jì)算精度和目的的前提下,選用適當(dāng)?shù)膯卧愋?先對(duì)預(yù)估受力變形劇烈的地方,采用較細(xì)密的網(wǎng)格劃分,以保證有足夠的單元反映該區(qū)域的變化情況。(3)分析模型的建立。網(wǎng)格劃分完畢并檢查正確后,將各單元集分別定義為凸凹模、板料和壓邊圈。設(shè)置好模具、板料和壓邊圈之間的相對(duì)位置,并定義它們之間的接觸類型和參數(shù),設(shè)置必要的工藝參數(shù),如動(dòng)模運(yùn)動(dòng)曲線、壓邊圈運(yùn)動(dòng)曲線和力曲線以及摩擦系數(shù)和材料性能參數(shù)。如是多步成形,則要注意不能移動(dòng)上一步分析的單元信息模型,以免因原有的應(yīng)力、應(yīng)變和單元節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的不對(duì)應(yīng)而導(dǎo)致錯(cuò)誤。前處理后會(huì)生成分析計(jì)算的輸入文件(3.dyn)和有限元模型文件(3.mod)。(4) 分析計(jì)算。前處理完成后,即可經(jīng)過Dy2naform接口引入LSDYNA中進(jìn)行運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果會(huì)生成一個(gè)d3plot文件,以供后處理調(diào)用。(5)模擬結(jié)果后處理。eta/PostGL 可讀取。(6)d3plot文件進(jìn)行后處理,以動(dòng)畫形式顯示凸凹模、板料和壓邊圈的運(yùn)動(dòng)情況,直觀檢查其合理性,并給出板料變形、材料流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變分布、板料厚度變化以及起皺、破裂等情況。還可就材料成形極限圖、材料流動(dòng)圖、應(yīng)力應(yīng)變圖、厚向分布圖等進(jìn)行詳細(xì)研究。Eta/Graph則可將d3plot文件中各物理量的數(shù)據(jù)用曲線的形式顯示。應(yīng)用實(shí)例門外板模擬實(shí)例圖1所示零件是某車型門外板模型,板厚為10mm,屬于表面淺拉伸件。生產(chǎn)中,為了控制零件成形以后的回彈,使得材料變形充分,在周邊加上了拉伸檻。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換接口,將模具幾何模型讀入有限元分析系統(tǒng)的網(wǎng)格處理工具,按照汽車覆蓋件成形模擬分析的單元?jiǎng)澐衷瓌t,用(殼單元對(duì)幾何模型進(jìn)行離散,建立門外板零件的有限元網(wǎng)格模型,如圖2)所示。模擬計(jì)算所用材料為36級(jí),工件與模具之間的摩擦因數(shù)為0.25,模具間隙為0.5。在模擬計(jì)算過程中,采用修正的庫(kù)侖摩擦定律來計(jì)算摩擦應(yīng)力,同時(shí)考慮了靜態(tài)摩擦因數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)對(duì)成形過程的影響。圖3是門外板拉伸成形后的厚度分布,從圖中能夠看出,在頂部由于拉伸檻的作用,抑制了材料的流動(dòng),板料厚度方向的材料向沖壓方向轉(zhuǎn)移,變薄比較嚴(yán)重?？墒?從成形極限圖來看,變薄嚴(yán)重的部位在臨界點(diǎn)附近,另外,從沖壓工藝上來說,由于拉伸檻靠近內(nèi)側(cè)的部分是最終成形零件的一部分,凹模圓角的調(diào)整比較困難,只有經(jīng)過調(diào)整壓邊力和摩擦潤(rùn)滑,來控制零件的最終成形。最終的模擬結(jié)果,得到生產(chǎn)廠的確認(rèn),在實(shí)際生產(chǎn)中,在材料性能不穩(wěn)定的情況下,局部的確有開裂現(xiàn)象。經(jīng)過成形模擬結(jié)果的分析,能夠得出以下結(jié)論:局部可能出現(xiàn)破裂點(diǎn),可是經(jīng)過調(diào)整壓邊力和潤(rùn)滑,能夠控制材料的破裂發(fā)生;材料的使用屬于臨界狀態(tài),如果材料性能波動(dòng)比較大,可能出現(xiàn)大批量的報(bào)廢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)。另外,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)值仿真不但能夠分析剛性模條件下的成形,而且能夠分析模具本身的變形(當(dāng)前eta/DYNAFORM能夠?qū)崿F(xiàn)),這樣能夠提高在接觸區(qū)的起皺預(yù)測(cè)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,能夠?qū)Π宀某尚芜M(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(shì)。3結(jié)束語有限元模擬技術(shù)在汽車覆蓋件制造及模具行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛,發(fā)揮著越來越重要的作用,其與CAD/CAM技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用已成為企業(yè)先進(jìn)研發(fā)模式的首選,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。在過去的20多年間,有限元數(shù)值模擬技術(shù)在不斷進(jìn)步,但也存在著需要繼續(xù)研究的問題,如采用更加簡(jiǎn)單精確的單元技術(shù)和合理高效的網(wǎng)格劃分方法;接觸和摩擦力模型的處理;各種成形曲線的判別準(zhǔn)則和相應(yīng)曲線的處理;材料特性的判別準(zhǔn)則及回彈精度等。技術(shù)的進(jìn)步是永無止境的,相信隨著人們研究的深入和外界相關(guān)環(huán)境的變化,沖壓成形有限元模擬技術(shù)會(huì)日臻完善,也將在模具行業(yè)發(fā)揮更加重要的作用。五、參考