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优化技术在薄板件工艺可成型性分析中的应用 |
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作者：尤胜超 龚伟权 吴建勋 来源：e-works |
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一、概述
判断薄板件工艺可成型性冲压仿真CAE技术目前在很多企业已得到广泛的应用，在运用此类有限元软件进行工艺可成型性精确分析判断时，我们通常的做法是向CAE软件中导入模面，根据先前估算的板料毛坯进行仿真分析，当发现问题需要进行修正时，比如加大局部圆角、降低高度、增加一定的侧面斜度等，需要在CAD软件中修改好而后再次导入到CAE软件中，如此反复，及其繁琐。对于简单零件局部细节需要在CAD中更改时可能还较为方面，对于复杂模型，可能要花费很大的功夫。本文就我们在做仿真过程中如何运用Hyperworks的morph技术实现对仿真模型（有限元模型）的形状和尺寸改变做简单阐述，并就Hyperstudy对薄板件类零件形状优化技术进行了探讨。
二、Hypermorph技术简介
Hypermorph是一个内嵌在Hypermesh中的网格变形工具，仿真模块Hyperform中也可以自动加载Hypermorph。通过它，可以使用多种交互式的方法来改变网格形状，这些方法包括拖拽handles，改变模型高度、倒角和半径及局部角度等。Morph过程包括将模型分成多个域（domains），这些域的形状由handles来控制。通过移动handles，可以改变domains的形状，以及domain中节点的位置。在局部细节改变的过程中，网格的变形比较合理，能够满足设计的要求。
三、实际应用案例
下图（图一）所示为我公司重装产品零件中的一个大型覆盖件CAD模型，料厚1.5，深度385。此处为节省计算时间，提高模拟效率，成型模面（图二）取工艺数模的1/4进行成型可行性模拟仿真。对此零件，先后采用了几种仿真软件，例如dynaform、hyperform等，并试验了各种模拟仿真条件（同样的材料和厚度），不同的压边力，不同的拉延筋布置，不同的润滑系数等等，都无法得到可以接受的成型仿真结果。这时就需要对产品数模进行改动，以达到成型性要求。我们先期利用Hypermorph技术对凹模面FEA模型进行了几处可行性工艺处理，加大了凹模材料入口处和顶部易拉裂部位的圆角，并降低了成型高度。而后直接利用更改后的模型进行下一步的仿真设置，也可将改后的FEA模型通过Hyperworks与其它CAE软件的接口导入到其它CAE仿真软件中进行下一步的分析。
图一 产品CAD模型
图二 用于仿真分析的凹模面
在仿真分析中一般把凹模面视为刚性体，故可利用R－mesh或adaptive mesh方法对凹模面进行分网。图三中网格是利用R－mesh方法得到的刚性体网格。然后直接加载Hypermorph，先创建domains和handles，此处让软件为所有网格自动创建2Ddomains和handles。见图三和图四自动创建的域和移动handles。对于复杂的模型，需要修改自动创建domains的相关参数，例如domain angle和curve tolerance等，以便生成易于改变模型特征的域和handles。
图三
图四（隐藏网格后）
创建domains和handles后，就可以运用morph技术对网格进行形状和尺寸的改变了。以下几副图片为改变前后的对比。
圆角改变前 圆角改变后
高度降低前 高度降低后（降低100mm）
如果需要再次对不同细节调整，采取同样的办法，很快就能实现。使用Hypermorph工具可以方便地修改模面的特征，极大减少了在CAD中做修改和再次导入数据划分网格所需要的时间。
四、Hyperworks对此类薄板件工艺可成型性优化问题探讨
产品设计的一个重要考虑就是其工艺可成型性，而对一个设计方案提高其工艺可成型性的方法取决于设计本身、材料和加工条件等多种因素。设计人员的经验和与工艺人员的沟通无疑非常重要，但是要对一个产品设计的工艺可成型性进行优化却往往面临以下几种困难：
很难判断一种因素对整体结果的影响程度；
由于多种因素往往互相作用，导致如何在多个因素的各种组合中找到最优解较为困难。
在上面的案例问题中，可以利用morph技术设定优化条件。首先对产品CAD模型做必要的工艺修补，但周边用于压边的工艺面不必做出。然后利用hypermesh常规方法为模型划分网格，此处不宜使用hyperform中R－mesh方法划分。分网后创建domains和handles，利用Morph功能为结构设定各圆角变化及深度变化形状变量，定义各形状变量的初始值和变化范围。同时在hyperform one－step 算法中，可以考虑工艺参数压边力的变化。最后在Hyperstudy中为问题设定优化约束和优化目标，结合hyperform one－step 算法，经过多步迭代计算，可以找到需要的最优解。
我们在几次分析中，尝试采用了Hyperstudy优化分析方法，得到了一定有指导意义的结果。但这种最优解有时过于保守，可以根据实际情况，适当放大最优解。
五、结语
在对薄板件进行工艺可成型性分析过程中，利用hypermorph技术对模具特征进行有效的改变，可以帮助缩短辅助建模的时间，从而加快产品投放市场的周期。在薄板件类产品设计中，通过利用集成在HyperWorks软件包中的HyperStudy和HyperForm所进行的优化分析，可以寻找最优的的设计参数或工艺参数的组合，从而在设计早期完善设计，降低未来对模具和工艺进行修改所需要的成本。(end)
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(11/9/2007) |
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