CN101482403B - 一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法。该方法首先把点云数据转移到几何模型对应位置。其次，把点云数据转化为三角形或四边形网格，并输出为有限元输入格式文件，得到板料的网格；并按实际模具型面建立仿真模型，得到模具型面网格。然后，根据模具和板料网格，建立仿真模型，把回弹后的网格反向压回到回弹前的位置。最后，把有限元中的节点输出，就可得到回弹前这些测量点云的位置。采用该发明可快速准确的确定回弹补偿型面，或确定回弹后零件上的修边线。

Description

一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法

技术领域

本发明涉及一套薄板冲压成型领域，具体为一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法。

背景技术

汽车车身上主要是薄板冲压件。为了提高车身的安全性，减少车身重量，在汽车车身零件上采用越来越多高强度钢，而高强度钢的冲压回弹问题特别突出。所谓回弹，是指零件从冲压模具退出时，冲压件中弹性应力的释放，造成零件的变形。回弹后的零件与模具的几何型面不再吻合，如果按照零件几何模型加工型面，回弹导致冲压后零件的尺寸精度达不到设计尺寸要求。

为了克服回弹问题，需要准确知道各个部位的回弹量，在对应部位修改型面，这样使回弹后的零件刚好达到设计尺寸要求。问题的难点在于如何准确的得到零件各个部位的回弹量。由于有限元仿真精度的限制，对回弹不能准确计算。目前通过仿真方法，还不能准确得到冲压件的回弹量。通过对成型后零件的三维数据扫描，可以得到零件回弹后的形状。与零件设计几何模型对上后，就可以知道各个部位的回弹量，从而对回弹进行补偿。

三坐标测量设备是发现零件尺寸故障的一种有效手段，目前有各种扫描点云的方法，具有比较高的精度，能够检测加工表面的加工精度。通过各工序发生回弹后零件的测量，确定产生回弹的工序，采取措施克服回弹问题。一般是拉延序的回弹补偿不足所导致的。需要根据测量点云数据，对模型做进一步的补偿。一般在点云数据与几何模型对上后，根据点与相应部位的差值，乘一个系数，对零件型面修改，得到补偿型面。由于点数很多，该过程时间长，并且精度没有保证。

本发明是一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法。通过该方法，可根据回弹后的点云与数模的关系，得到回弹补偿面上的点。根据这些点，可快速准确的确定出回弹补偿型面。该方法提供了一种得到精确补偿型面的方法，在工业上有广泛的应用价值。

发明内容

本发明的原理如图1所示，把零件点云转化为三角形或四边形单元，输出回弹后的有限元单元和节点数据，通过模具压到其回弹前的形状，得到回弹前的单元和节点数据。这些节点数据就是回弹前的点云数据。整个过程相当于采用仿真方法把零件压到其在模具退出前的状态，也相当于模拟零件二次冲压。

本发明处理点云的流程如图2所示。首先把点云数据转移到几何模型对应位置。其次，把点云数据转化为三角形或四边形网格，并输出为有限元输入格式文件，得到板料的网格；并按实际模具型面建立仿真模型，得到模具型面网格。然后，根据模具和板料网格，建立仿真模型，把回弹后的网格反向压回到回弹前的位置。最后，把有限元中的节点输出，就可得到回弹前这些测量点云的位置。计算出的回弹前点云数据，可以保持为有限元格式，也可保持为供几何建模软件采用的其它格式。

点云数据既可以是三维测量设备直接或取的数据，也可以是经过点云预处理的数据。点云预处理如去掉噪音点、去掉重复点、光滑处理、点云转化为三角面片、处理边界等。计算出回弹前点云数据，可以保持为有限元格式，也可保持为供几何建模软件采用的其它格式。

采用该发明得到基于测量点云的回弹前后的网格，按适合有限元的回弹补偿方法，得到零件回弹补偿面上的网格，可进一步输出三角面片或数据点，根据这些数据点可对模具重新建模，得到回弹补偿后的型面。

采用该发明得到基于测量点云的回弹前后的网格。通过回弹前位置的修边线，采用网格映射方法可以得到回弹后零件修边线的位置。

以上两个都是高强度钢薄板成型中的关键问题。

附图说明

图1本发明实施原理图

图2本发明处理点云步骤

图3本发明实施实施算例中点云数据与数模的对应

图4本发明实施实施算例中点云的三角化

图5本发明实施实施算例中有限元仿真模型

图6本发明实施算例中得到回弹前后的网格

图7本发明仿真验证中回弹前后对应的网格

图8本发明仿真验证中建立的有限元模型

图9本发明仿真验证中计算的回弹前后点的位置

图10本发明输出为有限元程序能够读取的格式示例

具体实施方式

采用本发明提出的点云数据处理方法，开发了点云数据简化程序、点云数据与数模对应的程序，以及点云三角化程序等，并采用LSDYNA软件以及DYNAFORM软件来完成算例工作。

首先，将点云数据简化，每3mm左右取1个点。把简化后的点云数据与零件几何数模对上。对上的方法如下：在数模中找到三点，如零件上具有明显的几何特征点，如空圆心，凸台，棱角边缘等，这些点在点云中的位置也是可以确定的。根据其中对应的一点，就可把点云放到几何模型附近，然后，通过一条边的重合，零件位置可进一步确定，通过第三个点，就可把点云数据与几何模型数据对上。其数学处理是对点云的平移和旋转。点云与几何模型的对应关系见图3所示。

其次，把点云数据三角化，如图4所示。所谓三角化，就是由点云数据做顶点，把相关的数据点，用三角形一块一块的连接起来，这些三角形要没有重叠，并且三角形的质量要好，三角形的各边长度比较均匀。

点云三角化的目的与传统的三角化是不同的。传统的三角化是为了形成三角形面片，供几何建模软件反求建立精确的几何模型。这里是为了形成供有限元分析用的三角形网格。这些网格由单元、节点构成。

并输出为有限元程序能够读取的格式，对有限元软件LSDYNA的输入文件，需要按其输入文件格式和关键词编写数据，如*NODE，*ELEMENT_SHELL等。对节点数据，由节点号或节点坐标构成。节点号为整数，占8个字节，单元坐标为浮点数，占16个字节。对单元数据，每个单元所在的部件(part)，每个面单元一般由4个节点构成，对三角形，第三个节点与第四个节点为同一节点。单元中数值都为整数，各为8个字节。

然后，把三角化后的零件转入到冲压仿真模型，调整好间隙，板料和模具不要出现穿透，把摩擦系数定义为很小，如：0.005，这样做是为了避免板料顺利进入模腔，不改变零件的局部形状。定义运动和接触边界条件，不要采用自适应网格。建立的零件二次冲压仿真模型如图5所示。首先凹模运动，与压边块接触后，向下移动，在行程模与凸模闭合。

采用有限元方法对采用点云三角化网格的零件冲压仿真模型求解，得到冲压零件前后的位置如图6所示。有限元输出结果中含有单元组成、节点坐标。这些节点就是测量点在回弹前所在的位置。

方法的验证

上面方法中，通过仿真计算的网格是否与回弹前的网格有准确对应关系是最关键的问题，如果仿真计算得到的网格与回弹前的网格有明显的差别，这说明该种方法不可用。在冲压仿真和回弹仿真后，模型中具有了回弹后的网格，这里把回弹后的网格假设为试验数据测量得到的。采用上面的方法，把仿真计算得到的网格与实际回弹前的网格相比较，就可以验证本发明提出的方法。  在零件拉深成型仿真后，继续进行回弹仿真。回弹前后的网格见图7所示(因为显示原因，后面都只取局部)。

在冲压仿真模型中把板料网格更换为回弹后的网格，调整凹凸模位置，可建立零件二次冲压仿真模型，如图8所示。在该模型中，把回弹后的网格压至回弹前的网格。

零件二次冲压仿真模型计算的回弹前网格与实际回弹前的网格的对比见图9所示。从图中可看出，网格基本重合，在法向基本没有误差，切向有少量偏移，最大偏差量在1mm以内。这证明了上节提出方法是可行的。

Claims (3)

1.一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法，其特征在于：首先把点云数据转移到几何模型对应位置；其次，把点云数据转化为三角形或四边形网格，并输出为有限元输入格式文件，得到板料的网格；并按实际模具型面建立第一仿真模型，得到模具型面网格；然后，根据模具型面网格和板料的网格，建立第二仿真模型，把回弹后的网格反向压回到回弹前的位置；最后，把有限元中的节点输出，就得到回弹前这些测量点云的位置；计算出的回弹前点云数据，保持为有限元格式，或保持为供几何建模软件采用的其它格式。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法，其特征在于通过建立薄板冲压第二仿真模型，对转化为有限元格式的点云数据进行冲压仿真模拟，得到这些点云数据在回弹前的位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限元方法的确定薄板冲压件测量点云在回弹前位置的方法，其特征在于采用的点云数据是三维测量设备直接获取的数据，或是经过点云预处理的数据。

Images