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板材成形中的虚拟制造技术 |
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作者：柳泽 施法中 黄迪民 徐成林 |
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0、引言
随着计算机及信息技术的飞跃发展，虚拟现实技术已成为一个非常重要的领域。虚拟现实技术是一种新的人机交互系统，利用计算机等设备及相应的软件对真实的物理世界进行实时仿真和实时交互作用，在虚拟的环境中，用户与系统直接而自然地交互，进行一定的操作，从而达到实际的效果。虚拟技术已渗透到各个领域，如虚拟存储器、虚拟I/O设备、高速网络技术中的虚拟网络服务器、机械制造领域里的虚拟设计、制造、装配、产品开发环境，医疗领域中应用虚拟技术进行外科手术的培训等等，在测试仪表和测控行业中，用虚拟仪器代替实际的仪器和控制电路具有较好的发展前景。
板材冲压成形技术作为一个标准化的生产过程, 在许多领域, 特别是在汽车工业中占有举足轻重的地位, 而汽车工业在世界许多发达国家中已成为整个国民经济的支柱产业。 从这个意义上可以说板材冲压成形技术是一个国家工业化水平的重要标志之一。
工业发达国家中板材产量一般占钢材总量的50%左右,板材年人均消费达200公斤,板材年人均消费量已经成为社会繁荣和消费水平的标志之一。根据美国的统计,板材经过成形后创造了相当于原材料价格十二倍的附加值, 从而获得巨大的经济效益和社会效益。板材成形是投入直接消费前的主要深加工方法, 成形性占有突出的重要地位。
在传统的板材成形过程中，当模具设计及制造完成后，需要经过反复的调试，才能得到满意的成形零件。在调试过程中，一些成形缺陷，如破裂、起皱和回弹等问题，主要凭借模具工程师的经验，通过实验反复试错才能解决。这种方法不但降低了生产效率，而且只有少数模具工程师经过多年的经验积累才能掌握这一技艺。
今天激烈的市场竞争, 决定板材成形工业要减小从概念设计到实际生产的周期。 因此，为降低成本，缩短研制周期, 提高产品质量, 迫切需要解决在板材成形工业中所遇到的各种各样的问题。但是传统的试错方法已无法满足现代工业的高速发展的需要，因此促使虚拟制造技术的迅速发展。将虚拟制造技术引入现代板材成形工业可以使模具设计师在计算机上进行模具的设计和调试，随着计算机硬件技术的迅速发展，这一技术成为缩短研制周期，提高成形零件质量必不可少的工具。
1、LS-DYNA3D简介
LS-DYNA3D是美国Lawrence Livemore国家材料实验室J.O.Hallquist教授主持开发的几何大变形、非线性材料和接触摩擦滑动边界三重非线性动力分析程序，自1976年推出后, 历经数十版本的不断扩充, 至今已具有很强的功能。LS-DYNA3D采用显式中心差分算法，当今许多著名商业软件，如DYTRAN、PAM-STAMP、OPTRIS都是在LS-DYNA3D早期版本DYNA3D基础之上发展起来的。LS-DYNA3D 936版本具有十二大类的元素，九十种材料模型(其中包含5种用户可开发材料接口, 十种状态方程)，二十六种接触--碰撞算法，在美国的兵器、宇航、汽车、核工业部门得到广泛的应用。
早期版本的DYNA3D曾采用16节点和20节点的高阶三维单元、8节点膜单元，后来在工程实践中发现，这些高阶单元虽然能够较准确地计算低频的结构动力响应, 但用于高速碰撞, 考虑应力波传播, 运算速度很低。过于昂贵的机时费用, 使之不能实用。所以后来DYNA3D采用8节点实体元, 4节点(膜)壳单元。虽然LS-DYNA3D起源于动力冲击问题。
但从九十年代后，成功地用在板材成形的分析中。它具弹塑性本构材料和各向异性材料模型, 可用来分析板材的各向异性性质。用刚体材料模型来模拟冲头(冲模)的运动, 库仑摩擦和丰富的接触算法可用来处理任意复杂的三维接触面问题。为了处理板材成形问题, LS-DYNA3D具有多种函数和特性以满足数值分析的需要, 如网格自适应算法、CAD模型接口（IGS 或 VDA文件）、大规模并行机(MPP)算法、等效拉深筋模型等。LS-DYNA3D最大特点是它的版本更新速度快, 它能将计算机技术和有限元方法的最新进展迅速加到程序中, 它是一个开放式软件系统, 具有五个用户可开发接口, 为用户进行二次开发提供了极为便利的条件。
２、计算实例及结果分析
（1）汽车底盘弹簧支架冲压成形的数值模拟研究
汽车底盘弹簧支架的冲压成形过程可分成二步来完成，第一步是在凹模和曲面压边圈的作用下，毛坯从一个平直板完成压弯过程，然后在凹模，压边圈和凸模的共同作用下，使弯曲后的毛坯再进行一次拉深过程。所以弹簧支架是由弯曲工艺和拉深工艺组合在一起的一个比较复杂的成形过程。
在实际生产中，弹簧支架成形时经常出现二种缺陷，一种缺陷是在拉深过程中法兰边处出现起皱现象，另一种缺陷是与凸模顶部圆角接触部分断裂。在压力机型号选定的情况下，凹模的位移行程是很难改变的。在工艺中最容易调整的量就是压边圈所受到的压力，为此本文分别对压边力为96×104 N，120×104N ，144×104N三种工况行了模拟分析。计算结果表明，对于第一种工况，压边圈的压力过小，毛坯流入凹模口内过多，而在毛坯法兰边处产生起皱现象，对于第二种工况，压边圈的压力适中、成形时，产品质量较好，对于第三种工况，压边圈的压力过大，毛坯在与凸模导角接触部分破裂，所以在弹簧支架冲压成形过程中，压边力应取120×104N。
图1 模拟成形有限元网络图，压边力为120×104N
（2）CA488发动机油底壳一次拉延成形的数值模拟研究
CA488发动机油底壳是一种成形难度极高的冲压件，该件各部分变形极不均匀，而且型腔较深，沿制件长度方向深浅相差较大，型腔侧壁沿周锥度不同，在制件两端分别存在一个“龙门口”， “龙门口”与侧壁交汇的圆角又很小，这些特点使油底壳冲压成形具有很大的难度。另外对该件的工艺要求又很高，一方面，要求法兰面平整，另一方面，要求“龙门口”没有皱纹，以保证装配后不漏油。
为此，我们针对IF钢板在油底壳冲压成形中出现的主要问题进行了研究，得出了该件在拉延过程中的金属流动规律和龙门口及其下部侧壁起皱的主要原因，提出了解决这类问题的具体措施。并通过调整毛坯尺寸确定了合理的坯料形状、尺寸，成功的模拟出一次拉延成形的油底壳冲压件（见图3）。为同类件拉延成形工艺的制定、毛坯的优化、模具设计及调试提供了理论依据。
a.有限元网格图
b.有限元光照图
图3．CA488发动机油底壳一次拉延成形的数值模拟结果
３、实现板材成形数值模拟的一般步聚
在大量实例基础上，我们总结出板材冲压成形模拟的一般过程：
（1）从CAD系统接受模具的线、面数据或在前处理模块生成的线、面数据。
（2）生成压边圈、模具有限元模型,并赋予它们材料和元素特征。
（3）检查压边圈、模具有限元模型,如：法线、导角、重复单元等。
（4）生成毛坯的有限元网格模型,施加必要的边界条件。
（5）确定工具和坯料的位置，定义毛坯和模具、压边圈之间的接触面。
（6）写出LS-DYNA3D输入文件，最后检查输入文件，执行数值模拟。
（7）用后处理模块处理模拟结果，提出工艺修改方案。
4、我国CAE应用存在的问题及相应的对策
当代世界科技发展的重要标志之一，就是计算机技术日益广泛的应用于产品的研制、开发和生产中。我国在CAE应用主要存在如下问题：
● 由于CAE的使用一般比CAD的要求高，企业应加强CAE的培训，以提高使用人员的水平。
● 设计经验的积累和继承不够，公共数据库缺乏。
● CAE与CAD相对独立，工程分析所需要的数据很多还是手工传递，传到分析阶段的部件结构数据不完整，数据共享性差，效率低。
● 设计的版本管理和变更存在问题，技术文件种类多，易造成文件不协调。
● 设计时工艺、材料、使用等信息不能及时反馈，易在研制的后期造成大量的修改和
返工。
STEP 21 TIME＝4.3000124E-02
ETA/DVNAFORM CURRENT PART:P000004
STEP 21 TIME＝4.3000124E-02
CURRENT PART:P000004
ETA/DVNAFORM HiddenSurface
板材成形中的虚拟制造技术涉及到数值方法、力学、材料科学、计算机技术以及塑性加工技术等多门学科。为了使这一技术得到更加广泛的应用，必须组成多学科协调小组，加强企业和院校、研究机构的合作。在管理上采用并行工程的方法，实现CAD/CAM/CAE的一体化，加强对CAD、CAE软件接口、材料特性数据、典型成形件的模型处理方法的工程化管理。不断积累在CAE应用中的可靠性经验的积累，使这一技术在解决实际问题中得到发展。(end)
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(9/1/2005) |
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