沖壓CAE分析的有限元基礎(chǔ).ppt

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沖壓CAE分析及有限元基礎(chǔ),報告人：陳燕妮,CAE的概念及應用 CAE(Computer Aided Engineering)是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。 CAE技術(shù)的應用范圍極其廣泛，包括零部件和總成的線性與非線性結(jié)構(gòu)、振動、屈曲、疲勞壽命、動力響應分析和優(yōu)化設(shè)計；水箱、風扇等熱交換性能分析；進排氣系統(tǒng)、車身空氣動力學性能分析；沖壓、鍛造、鑄造等工藝過程仿真和工藝設(shè)備設(shè)計． CAE應用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有：車 輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學分析、剛度、強度（應用于整車、大小總成與零部件分析，以實現(xiàn)輕量化設(shè)計）、NVH分析（各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風噪聲等）、機構(gòu)運動分析等；,我們的任務(wù),沖壓的ＣＡＥ,,CAE系統(tǒng)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，即將實際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。其基本過程是將一個形狀復雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形狀簡單的子區(qū)域，即將一個連續(xù)體簡化為由有限個單元組合的等效組合體；通過將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場變量(應力、位移、壓力和溫度等)問題簡化為求解有限的單元節(jié)點上的場變量值。此時得到的基本方程是一個代數(shù)方程組，而不是原來描述真實連續(xù)體場變量的微分方程組。求解后得到近似的數(shù)值解，其近似程度取決于所采用的單元類型、數(shù)量以及對單元的插值函數(shù)。,CAE各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。針對這種情況，采用CAD技術(shù)來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、壓力等分布的動態(tài)顯示圖。我們稱這一過程為CAE的后處理。針對不同的應用，也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產(chǎn)線、工廠的運動和運行狀態(tài)。,CAE軟件按研究對象分為：靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)分析；按研究問題分為線性問題，非線性問題； 主要有：Hyperworks，主要做前處理（分單元加載荷加約束）和后處理（看輸出結(jié)果和仿真） I-DEAS，同時也做CAD Ansys，很經(jīng)典的CAE，國內(nèi)應用最廣，客戶成熟度最高，尤其是在高?？蒲蓄I(lǐng)域。 Abaqus，強大的非線性復雜動態(tài)問題求解器，專門汽車分析模塊， LS-DYNA，強大的動態(tài)問題求解器，專門汽車分析模塊， Nastran，線性問題求解器 Pam crash，專門的碰撞研究軟件 Moldflow，模流分析軟件 AutoForm，鈑金沖壓，特別是拉深分析軟件 Madymo，汽車安全系統(tǒng)，如氣囊，安全帶整車碰撞性能分析軟件,,沖壓CAE分析的內(nèi)容 產(chǎn)品工程設(shè)計階段對工藝數(shù)模、鑄造數(shù)模進行可成型性分析。 分析產(chǎn)品的可成型性，是否有沖壓缺陷如： 是否有沖壓負角,復雜的產(chǎn)品造型使沖壓負角不易被發(fā)現(xiàn)：如一些汽車的內(nèi)板件,解決的辦法？,用CATIA看斷面圖,更簡單的方法？,,將數(shù)模導入軟件分析,,,數(shù)模修改前版本,數(shù)模修改后版本,已在允許的范圍內(nèi),其他沖壓缺陷,開裂/減薄 起皺/疊料 回彈扭曲 變形不足（剛性不足） 表面缺陷 最重要的是通過CAE分析出沖壓工藝不能解決的問題。,CAE分析的步驟,方法一：參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運算，有限元網(wǎng)格的自動剖分，節(jié)點自動編號與節(jié)點參數(shù)自動生成，荷載與材料參數(shù)直接輸入與公式參數(shù)化導入，有限元分析荷載數(shù)據(jù)的生成，有限元分析數(shù)據(jù)文件的生成與導出等. 步驟：將數(shù)模以IGS的格式導入AUTOFORM或DYNAFORM軟件中，利用軟件特有的模塊分別選擇合適的沖壓方向、自動生成壓料面及工藝補充面后，指定合理的沖壓參數(shù)提交計算。,CAE分析的步驟,方法二，直接實體建模,利用CATIA或其他CAD軟件模面設(shè)計 1.工藝基準點及沖壓方向的設(shè)計 2.壓料面的制作 3.凸模輪廓線的制作 4.做工藝補充面,1.工藝基準點 所有制件都要設(shè)置基準點，同一個制件上所有工序的基準點要求一致。DL圖和模具圖上的基準點都用 表示，除此以外不使用該標記。 原則上基準點設(shè)置在零件圖上百線的交點處，即取100的整數(shù)倍，特殊情況下也可以取50的整數(shù)倍?；鶞庶c盡量設(shè)在拉延模的凸模上，設(shè)置在制件的中央，這樣模具中心，沖床中心和基準點三者就有可能重合，減少出錯的可能。 注：對于左右件合并的情況，有兩個基準點。,2.沖壓方向，制件轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)角順序 各沖壓工序都必須有沖壓方向。拉延沖壓方向選取時考慮：制件在任何地方?jīng)]有負角，制件在前后左右方向盡可能對稱，盡可能減小在沖壓方向上的高度差，目的是為了使進料均勻。修邊的沖壓方向選取時主要考慮的是修邊刃口的角度，一般控制在15度以內(nèi)，超出這個范圍要么改變沖壓方向，要么使用斜楔側(cè)修邊。 制件旋轉(zhuǎn)時以工藝基準點為中心旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角大小及次序最好事先做好記錄，制件在X,Y,Z每個方向上僅限于旋轉(zhuǎn)一次，因此制件最多允許旋轉(zhuǎn)三次，90度或180度的旋轉(zhuǎn)不計算在內(nèi)。,3.壓料面 壓料是拉延過程中非常重要的功能，坯料就是沿壓料面逐漸流入模具型腔的。因此壓料面的設(shè)計要有利于材料的流動，保證制件在各個截面上變形均勻（拉延深度一致）。 壓料面設(shè)計時優(yōu)先采用單曲面，以保證壓料面的光順。壓料面的形狀在DL圖上以直線加圓弧的方式表達清楚，不使用樣條線。,4.凸模輪廓線 拉延凸模外形輪廓線，在讀DL圖時要首先找到這條分界線。分界線以里是凸模，分界線以外是壓邊圈，配合具體的剖面圖很快就可以確定零件在凸模上修邊，還是在壓料面上修邊。在DL圖上凸模輪廓線是以粗實線加實心原點的方式來表示，以直線和圓弧的方式標出尺寸。 5.拉延初始坯料線 就是拉延模初次試模時的坯料線，除特殊情況外一般均采用方形，梯形等，以前都是通過取若干截面測量線長的方法確定拉延初始坯料大小，現(xiàn)在可以使用Dynaform反算拉延模的模面得到一個近似形狀，再取直為方形坯料。 注：拉延模的坯料一般要在模具調(diào)試過程中做一些修改，才能作為落料模的設(shè)計依據(jù)。,6.拉延筋 作用：控制材料流動，其形狀跟凸模輪廓線隨形，兩者距離一般在20～25之間。從形狀上分為圓筋，方筋，拉延檻（半方筋）。 在做拉延模擬分析過程中，為加快計算速度，一般先使用虛擬筋（用一根線來代替），虛擬筋調(diào)整好后再設(shè)計實體筋，最后加工模具 實際生產(chǎn)過程中多使用一體筋，即凸筋在加工凹模時一起加工出，凹筋在加工壓邊圈時一起加工出來。 虛擬筋和實體筋的對應關(guān)系是個難點，要靠做大量的實驗對比分析。,,有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)進行有限元離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的工程結(jié)構(gòu)，各單元之間通過有限元節(jié)點相互連接，根據(jù)有限元基本理論建立有限元總體平衡方程，然后求解。,有限元分析理論,基本思想 – 把連續(xù)體視為離散單元的集合體。 “化整為零”。將連續(xù)體分解為有限個性態(tài)比較簡單的“單元”。 對這些單元分別進行分析。 “積零為整”。將各個單元重新組合為原來的連續(xù)體的簡化“模 型”，求解得到基本未知量（位移）在若干離散點的數(shù)值解。 根據(jù)數(shù)值解再回到各單元中計算其他物理量（應變、應力、溫度 等）,有限元的概念,有限元法，是把實際形狀的模型用有限個有限單元的集合體來建立模型，這種模型是把形成各個單元的節(jié)點連續(xù)地連接起來。 也就是，有限元模型，可以這樣來考慮，把形狀模型用很多個節(jié)點（和至今說到的[點]是同樣性質(zhì)）進行置換。 這樣將幾何模型借助于節(jié)點把單元連續(xù)地連接起來，形成為單元的集合體，作為這樣的分析模型(有限元模型)就可使用了。把這種具體的操作稱為單元劃分或者網(wǎng)格劃分，是前處理部分的一個重要功能之一。 相對于構(gòu)成有限元模型的各個單元，設(shè)置單元類型和單元特性以及材料特性。對于CAE 因為要求產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)的變形和應力并對它的強度進行校核為目的，所以一定要設(shè)置產(chǎn)品所用的材料特性數(shù)據(jù)。根據(jù)所使用的單元，所設(shè)置的材料特性的內(nèi)容也不同，一般而言，有彈性模量，泊松比，質(zhì)量密度，線膨脹系數(shù)等。對于應力分析，則必須有彈性模量，泊松比。由溫度變化來進行應力分析的，還必須有線膨脹系數(shù)。質(zhì)量密度，以重量作為載荷（自重）起作用時或者在特征值分析等等時是必須要有的。,對線狀的幾何模型用幾個單元和構(gòu)成單元的節(jié)點來形成（有限元）模型。 此時，在有限元法中因為是在節(jié)點的位置上能夠得到模型的位移，所以在想要得到位移的位置上，一定要設(shè)置節(jié)點。在這種線狀模型的情況下，節(jié)點數(shù)如果不足的話，結(jié)果所見到的是與實際現(xiàn)象有出入的變形，因此在模型形成的時候，必須注意單元的劃分和節(jié)點的數(shù)量（節(jié)點數(shù)和變形形狀）。 這里因為是把搞清構(gòu)件的整體變形為目的，對于僅用1 個或2 個節(jié)點這樣的程度是不夠的。將線條十等分，用11 個節(jié)點來求整體的變形。 各個單元，除了端點外借助于節(jié)點連續(xù)地連接起來。 節(jié)點之間沒有單元的話或有重節(jié)點的情況等等，作為有限元模型都是不合適的。 具體的制作步驟可以用系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能，自動地形成單元和節(jié)點。 此時，劃分的形狀和劃分的數(shù)量，要根據(jù)情況輸入到網(wǎng)格劃分法中去。,使用有限元法的軟件（也稱求解器）是這樣來處理的，首先求出1 個單元的力和位移的平衡，然后對所有的單元進行同樣處理，把它們集合起來，結(jié)果就求出了以全體單元所表現(xiàn)出來的整體的力和位移之間的平衡。,網(wǎng)格劃分,DYNAFORM分析結(jié)果,材料模型,彈塑性材料模型的本構(gòu)方程,屈服準則,如果知道了材料所處的應力狀態(tài)和相應的屈服準則，就可以判斷是否有塑性應變產(chǎn)生． 使用較多的屈服準則：VON MISES 屈服準則：認為當材料中的最大剪應力的均方根即應力偏量的第二不變量J2達到臨界值時，材料發(fā)生屈服VON MISES屈服準則又被稱為J2型屈服準則，其表達式為：,接觸類型,接觸問題在板料成形的數(shù)值模擬中起著十分重要的作用。板料成形過程中，板料上的作用力是通過板料表面與模具表面的接觸來傳遞的。模具表面為主表面，板料表面為從表面。如何正確判定主從表面的接觸狀態(tài)并選擇合適的位移約束條件和摩擦邊界條件，是數(shù)值模擬成敗的關(guān)鍵。接觸邊界處理中的基本問題可概括成如下幾個方面： 接觸點的搜尋； 接觸力的計算； 接觸應力的計算等。,使用軟件,Dynaform、autoform、pan-stamp,謝謝！,