板料沖壓仿真系統(tǒng)設計

發(fā)布日期:2012-11-18    蘭生客服中心    瀏覽:4285

                          華中理工大學 鄭瑩 董湘懷 李尚健 

  

  摘要 論述板料沖壓成形過程計算機仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn),包括結構化和面向對象方法等。 

  關鍵詞: 板料沖壓 計算機仿真 有限元法 系統(tǒng)設計 

  板料沖壓成形計算機仿真涉及數學、力學、材料科學、沖壓工藝學、計算機科學、計算機圖形學……,需要綜合多學科知識進行研究;其理論性很強、應用性很廣。要開發(fā)出一個計算效率高、適應性強、穩(wěn)定可靠、功能齊全的板料成形過程計算機仿真軟件,必須將沖壓工藝CAE與模具CAD進行集成化,即一方面采用CAD系統(tǒng)為數值分析建立幾何模型,另一方面采用數值分析對CAD設計結果進行評價,優(yōu)化工藝參數和優(yōu)化模具結構。在工程實際中應用板料沖壓成形計算機仿真技術,是從根本上改進現(xiàn)行模具設計模式的一個有力手段,是促進模具工業(yè)技術進步的關鍵因素之一,對于實現(xiàn)工業(yè)生產現(xiàn)代化具有重要意義。 

  1 仿真原理 

  板料沖壓是利用模具使金屬板料發(fā)生塑性變形生產殼體零件的一種成形方法。在板料沖壓中,由于工件變形規(guī)律的復雜性,在沖壓成形中容易產生破裂和起皺等成形缺陷。另外,在沖壓成形中工件產生了與模具載荷相平衡的內應力,沖壓結束模具卸除后,由于內應力釋放從而工件產生回彈,在切除工藝廢料后還要再次發(fā)生回彈,使得工件的最終形狀不易精確控制。采用成形過程仿真能獲得成形過程中工件的位移、應力和應變的分布;通過觀察位移后工件變形形狀能預測可能發(fā)生的起皺;根據各離散點上的主應變值在板料成形極限曲線圖上的位置或利用損傷力學模型進行分析,可以預測成形過程中可能發(fā)生的破裂;將工件所受的外力或被切除部分的約束力解除,可對回彈過程進行仿真,得到工件回彈后的形狀和殘余應力、殘余應變的分布。這樣就能為優(yōu)化沖壓工藝和模具設計提供科學的依據。 

  板料沖壓計算機仿真的核心是應用數值方法來分析和研究金屬板料塑性成形問題。作為數值分析方法中應用最廣并且最具有生命力的一種方法,有限元法成為目前板料成形數值分析最有效的方法[1,2]。對于連續(xù)介質有限變形中的幾何與材料非線性問題,隱式積分方法與顯式積分方法是2種主要算法。隱式算法是由虛功原理建立一個高階非線性方程組,采用牛頓—拉費森(Newton-Raphson)迭代計算求解方程組,計算精確可靠,但在每一增量步中,需要形成大型稀疏剛度矩陣,進行反復迭代計算,計算量大,占用存儲空間多,并存在非常嚴重的收斂問題,特別在像板料成形這樣高度非線性過程的分析中,收斂問題尤為突出,因此,開發(fā)板料沖壓成形過程計算機仿真軟件較少使用隱式算法而更多地采用顯式算法。將準靜態(tài)的板料成形問題虛擬地視為動力過程,采用動力顯式算法來分析,基于時間中心差分格式,使有限元方程的計算顯式化,避免了迭代計算和因非線性引起的收斂問題。采用集中質量矩陣解耦聯(lián)立方程組使其成為獨立的方程列式,可大大簡化計算。顯式算法占用存儲空間小,便于用于大型復雜結構分析,80年代以來,在板料成形分析中得到應用并逐漸取得令人滿意的成果。對于系統(tǒng)動力問題,顯式算法的基本思路是,由虛功原理可得虛功方程


  式中,

  fi為體力密度;ρ為質量密度;ν為阻尼系數;Ti為力邊界Γσ上作用的外力;Tci為接觸邊界上作用的外力。經有限元離散化可得有限元方程

  式中,M為一致質量矩陣;C為一致阻尼矩陣;P為外力向量;F為內力向量。 

  采用集中質量的方法使質量矩陣對角化,在此基礎上對阻尼矩陣也進行對角化處理,采用中心差分法對時間進行離散化,不需經過迭代即可求解相互獨立的多個方程。顯式算法也有自身的問題,如動力效應即虛擬慣性力的影響,另外由于中心差分法的計算穩(wěn)定性對時間步長的限制,若將沖壓件的回彈作為動力系統(tǒng)的過渡過程用動力顯式算法來分析,則使系統(tǒng)達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)所需計算步數很多,代價很大。而隱式算法是無條件穩(wěn)定的,所以可以采用足夠大的時間步長,所需計算步數很少。分別采用顯式算法與隱式算法進行成形過程和回彈的分析能發(fā)揮各自的長處,這是目前較為流行的顯隱式綜合算法。 

  2 系統(tǒng)實現(xiàn) 

  板料沖壓仿真系統(tǒng)的開發(fā)可采用結構化方法或面向對象方法 。 

  2.1 結構化方法 

  70年代中期,結構化系統(tǒng)設計思想得到發(fā)展。用結構化方法設計較復雜的板料沖壓仿真系統(tǒng)在實際軟件開發(fā)中應用得較多。通過系統(tǒng)分析,在系統(tǒng)的設計階段確定沖壓仿真軟件系統(tǒng)的總體結構和模塊間的關系,定義各模塊間的接口,設計全局數據結構,確定系統(tǒng)與其它軟件及用戶之間的界面,并設計功能模塊的具體算法和數據結構之類內部細節(jié)等。 

  結構化的系統(tǒng)設計強調自頂向下的功能分解,將系統(tǒng)逐級向下分解成模塊和子模塊。在對板料沖壓仿真系統(tǒng)劃分模塊時,應盡可能地降低模塊之間的耦合程度,增加每一模塊的內聚性。充分運用好這2個相輔相成的設計原則,盡量提高模塊的獨立性,在修改和維護一個模塊時,就可將修改范圍控制在最小限度內,對其它模塊的影響就會減到最小。 

  2.2 面向對象方法 

  傳統(tǒng)的結構化的軟件工程方法,雖然從一定程度上提高了板料沖壓仿真軟件的開發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護性,但對于軟件的可重用性、可擴充性以及嵌入其它系統(tǒng)的能力方面,仍然提高不大,其原因在于,結構化方法是采用面向任務的觀點,即為某項任務而設計,這種方法論產生了分析與設計階段的鴻溝,導致了分析階段的問題域與設計階段的求解域的不一致。面向對象方法正是為了擺脫這種不一致性而建立起來的新型軟件工程方法,它的指導思想是按人們通常的思維方式建立問題域模型,設計盡可能自然地表現(xiàn)求解方法的軟件,為此必須建立直接表現(xiàn)組成問題域的事物及事物間的相互聯(lián)系的概念,建立適合人們思維方式的描述范式。在面向對象方法中,對象和消息傳遞分別表示事物及事物間的相互聯(lián)系;類和繼承是適應人們思維方式的描述范式;方法是作用于對象上的各種操作:上述概念構成了面向對象方法學的基本內容。對象和類的基本特性在于對象的封裝和繼承性,通過封裝提高了對象的獨立性和信息隱蔽性;通過繼承實現(xiàn)了類與類之間的相互聯(lián)系,由此產生了諸如動態(tài)聚束和實體的多態(tài)性。面向對象方法提高了分析、設計和實現(xiàn)的一致性,使系統(tǒng)具有可重用性和可擴充性。 

  有限元方法及其應用領域日新月異的發(fā)展使得要求以它為核心開發(fā)的軟件具有高度的可重用性和可擴充性,同時有限元軟件日益成為CAD/CAM軟件不可分割的一部分要求其具有更高的可嵌入其它系統(tǒng)的能力,使用傳統(tǒng)方法開發(fā)有限元軟件難以滿足這些要求,發(fā)展面向對象的有限元方法和技術勢在必行,因而面向對象方法逐漸被考慮用來開發(fā)板料沖壓仿真軟件系統(tǒng),這是一種新的嘗試,需要時間來探索。面向對象設計利用已經形式化的分析模型,擴充其構造部分,改進類、對象實體描述,進而構成一個完整的軟件模型。這個軟件模型可以借助于某種程序設計語言提供的解空間對象實現(xiàn),從而得到需要的軟件。使用面向對象方法設計一個板料沖壓成形仿真系統(tǒng)的過程可以概括為,①定義每個對象類的屬性;②確定類與對象、類與類之間的關系;③定義對象間的通信機制,主要是確定對象的消息模式及對象之間的消息傳遞,從而構成系統(tǒng)的控制流和信息流;④確定每個對象的狀態(tài),確定實現(xiàn)各狀態(tài)的方法。 

  2.3 系統(tǒng)實現(xiàn) 

  從本質上說,沖壓仿真就是描述板料在沖頭、凹模、壓邊圈等工具按既定方式運動作用下的約束運動(變形運動〕,因而建立對象模型時即可用圖1所示的聚集樹來描繪沖壓系統(tǒng)的結構,它表明沖壓系統(tǒng)由工具與工件組成,工具通常是沖頭、凹模、壓邊圈、反向沖頭等模具,工件表示板料變形件。在沖壓過程中,各個工具屬性不同作用不同,板料在工具的約束作用下成形。從這里可以看到,對象模型把面向對象的概念與傳統(tǒng)方法中常用的信息建模概念結合起來,從而改進和拓寬了普通的信息模型,增強了模型的可理解性和表達能力。

  板料沖壓仿真系統(tǒng)的模塊構成以及模塊間的調用關系見圖2。前后置處理模塊是信息交換及調度中心,它除完成離散幾何模型形成分析模型及對計算結果進行可視化處理的工作外,還負責信息交匯與傳輸任務,指揮其它幾個模塊工作;幾何造型模塊被用來進行初始設計并根據專家系統(tǒng)對模擬情況的分析結果進行優(yōu)化設計;成形和回彈模擬2個模塊則對經過離散的工件作變形過程數值分析,專家系統(tǒng)模塊根據計算結果對設計作出質量評估,并確定設計或提出修正意見。

  板料沖壓成形仿真系統(tǒng)流程見圖3,各部分功能如下:①幾何造型。建立沖頭、壓邊圈、凹模等工具和板料的幾何模型。②前置處理。網格離散工具/板料,定義材料、接觸等; 工具/板料位置設定,建立分析模型;定義或修正工具的位移/速度/壓力等荷載歷史曲線。③成形模擬。根據輸入數據,對板料做成形模擬(網格自適應于板料變形),從前后置處理器檢查計算結果。④回彈模擬。觀察工件形狀,調整工件網格,修正回彈分析文件, 根據輸入數據做工件回彈模擬,從前后置處理器檢查計算結果。⑤后置處理。畫出工件成形形狀、屬性等值線、行程歷史曲線等并給以動畫顯示。⑥專家系統(tǒng)。根據仿真分析結果, 對初始設計進行質量評估, 通過優(yōu)化分析確定設計或修正設計。 

  3 結束語 

  板料沖壓成形計算機仿真是一項先進技術,它隨著指導理論的發(fā)展而發(fā)展。為能保證開發(fā)出質量可靠的仿真軟件,必須對系統(tǒng)進行盡可能完善的設計。在系統(tǒng)設計過程中必須遵循軟件工程方法,保證文檔齊全、格式規(guī)范,以便于做好系統(tǒng)開發(fā)工作。