CN102201020B - 数值预测金属薄板冲压后表面缺陷的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种数值预测金属薄板冲压后表面缺陷的方法和系统，本发明的一个方面包括，用有限元网格来表示一个冲压后的金属薄板零件。该有限元网格包含多个板翘单元和多个节点。该零件至少有一曲面需要表面缺陷的检测，而该检测结果可用来修改冲压金属薄板成型用的冲压模具。该曲面用一部分的有限元网格的所有节点一组一组地拟和做成。一组的定义包括一个中心单元和它的邻近单元。任何跟中心单元共享同一边的邻近单元都包括在一组。每一组除中心单元以外包括至少三个邻居。如果在同一组中，与中心单元共享一边的邻近单元少于三个，为了满足需要至少三个邻近单元的要求，其他单元会增加到这一组中来满足这一要求。

Description

数值预测金属薄板冲压后表面缺陷的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种冲压后金属零件的数值化模拟，特别是涉及一种数值预测由冲压金属薄板而制成工程零件的表面缺陷的方法和系统。

背景技术

计算机辅助工程长期以来在许多工程作业上用来辅助工程师。比如在一个结构或一个产品的设计过程中，计算机辅助工程分析，特别是有限元分析或者有限元方法，被用来评价在许多不同负载情况下(包含静态及动态)的反应(如应力或位移等)。

有限元分析是一种被广泛地使用在工业界的计算机方法，用来模拟(建模和解析)与复杂产品或系统(如汽车，飞机等)有关的工程问题，比如三维非线性结构的设计和分析。有限元分析，如其名所述，是指所考虑物体的几何形状的定义方法。几何形状是由单元和节点组成，又名有限元网格。单元有许多种类型，比如固体单元用来表示体积或连续体，板翘单元则用来表示曲面，杠杆和构架型单元则用来表示一维的结构物体。

金属薄板成型和冲压过程的数值化模拟，可以用有限元网格中的板翘单元来表示金属薄板在一个冲压作业的初始状态。此金属薄板以液压或机械的方式，在一个冲压模具中被冲模冲压成一个零件。成形后的零件含有回弹，表面的一些部份可能有缺陷(也叫表面凹陷)。油石打磨是普遍用来检测这种缺陷的一种方法。零件制造商希望通过修改冲模来消除这种缺陷。然而，实际调整或修改一个冲模需要花费大量的时间和财力。

因此，如何创设一种方法和系统，用来数值化地预计冲压后金属薄板的表面缺陷，使修改冲模所需花费的时间和财力能达到最低限度。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种数值预测金属薄板冲压后表面缺陷的方法和系统，可准确的模拟一金属薄板冲压后的表面缺陷，并藉由其结果来修整冲模，使修改冲模所需花费的时间和财力达到最低，以节省成本。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种用有限元(FEM)网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其包括以下步骤：(1)用装在计算机中的应用模块获取一用来表示冲压后金属薄板零件的有限元网格，该有限元网格包括多个节点及多个二维有限单元，其中，每一个二维有限单元由多个边角节点及其连接每一对相邻边角节点的边线来定义；(2)用所述的应用模块在有限元网格上来选择一个油石打磨方向，该方向相应于油石打磨过程的某一个打磨方向；(3)用所述的应用模块为每一个跟油石打磨方向相交的二维有限单元建立一组邻接单元；(4)用所述的应用模块，用前一步已建立的邻接单元组一组一组地产生出一个连续光滑的曲面；及(5)用所述的应用模块，来检测和决定在此连续光滑曲面上沿油石打磨方向的截面是否有表面缺陷，并且此截面存储于一存储器内并可根据用户的指令将图像显示到一个显示屏上。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其中所述的二维有限单元由四边形板翘单元所组成。

前述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其中所述的二维有限单元由三角形板翘单元所组成。

前述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其中所建的邻接单元组更进一步地由跟所提到的每一个跟油石打磨方向相交的二维有限单元的所有共享周边的邻接单元所组成。

前述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其更进一步地包含，在共享周边的邻接单元少于三个的情况下，用所述的应用模块将一个或多个共享节点的邻接单元加入该组中。

前述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其中用一组一组的方法所产生的光滑曲面更进一步地包含，用所述的应用模块，用每一组里所有单元的边角节点来拟和产生出此光滑曲面。

前述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其更进一步地包含，用所述的应用模块来完成从一组到另一组的光滑化操作手续。

前述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其中所述的表面缺陷由凹面部份来指出。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一个用有限元网格模型，用数值法来预测在冲压后金属薄板零件上油石打磨操作过程中表面缺陷的一计算器系统，其包含：一主存储器：存储至少一应用模块，其中，该应用模块包含：一有限元网格模型，用来表示冲压后金属薄板零件，包括多个节点及多个二维有限单元，其中，每一个二维有限单元由多个边角节点及其连接每一对相邻边角节点的边线来定义；及一计算模块，用以计算冲压后金属薄板零件上油石打磨操作；至少一处理器：可执行该应用模块，并计算出冲压后金属薄板零件上的表面缺陷；一输入输出介面；一总线：具有多个连接端，该主存储器、该处理器及该输入输出介面分别电性连接于所述多个连接端，使信息得以在主存储器、该处理器及该输入输出介面传送；其中，一使用者可将指令由输入输出介面，经过该总线，传输至主存储器之应用模块；其中，应用模块经过该计算模型所计算出来的图像，可藉由处理器的控制，经过总线，由输入输出介面输出。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的系统，其中建立邻接单元组更进一步地包含，包括所提到的跟油石打磨方向相交的二维有限单元的所有的共享周边的邻接单元。

前述的系统，其更进一步地包含，如果共享周边的邻接单元少于三个，将一个或多个共享节点的邻接单元加入该组中。

前述的系统，其中一个存有指令的计算机可读媒体，用来控制一个计算机系统，用有限元网格模型来数值化地预测冲压后金属薄板零件的表面缺陷。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种用数值分析来预计金属薄板冲压后表面缺陷的方法和系统。本发明的一个方面指出，配置一个有限元网格来描述冲压后金属薄板零件。此有限元网格包含多个板翘单元和多个节点。此件至少有一个表面需要检测缺陷，而该检测结果可用来修改冲压金属薄板用的冲模。该表面的每一个曲面是用一部分有限元网格的所有节点一组一组地拟和做成。每一组定义为包含一个中心单元和它的邻近单元。跟中心单元共享一边的邻近单元都包括在一组。每一组除中心单元以外包括至少三个邻居。为了满足需要至少三个邻近单元的要求，分享节点的单元会加入到这一组。

借由上述技术方案，本发明数值预测金属薄板冲压后表面缺陷的方法和系统至少具有下列优点及有益效果：

1、本发明可根据不同的冲压程序，准确的模拟出一金属薄板冲压后的形状；

2、本发明可藉由其模拟的结果，推算出用于冲压金属薄板的一冲模之最佳形状，使金属薄板在冲压后的表面缺陷降低，以节省成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1A根据本发明的一项实例，是一个典型的有限元网格的二维视图，用来表示个一金属薄板零件冲压后的表面；

图1B是图1A中该有限元网格的一个截面；

图1C是图1A中该有限元网格上沿油石打磨方向来检测表面缺陷的二维视图；

图1D是图1C中沿油石打磨方向无任何缺陷的一个截面示意图；

图1E是图1C中沿油石打磨方向有缺陷的一个截面的示意图；

图2A是根据本发明的一项实例，用典型的邻接单元组来产生曲面的示意图；

图2B是根据本发明的一项实例，用典型的邻接单元组来产生曲面的示意图；

图2C是根据本发明的一项实例，用典型的邻接单元组来产生曲面的示意图；

图2D是根据本发明的一项实例，用典型的邻接单元组来产生曲面的示意图；

图2E是根据本发明的一项实例，用典型的邻接单元组来产生曲面的示意图；

图3是根据本发明的一项实例，来显示一个典型的预计冲压后金属薄板零件表面缺陷的流程图；

图4是可实施本发明一项实例的计算机设备的有关部件的功能示意图；以及

图5是本发明的实施方式的系统示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的数值预测金属薄板冲压后表面缺陷的方法和系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明的实例可通过图1至图4来详细说明。然而，熟悉该项技艺的人士能够从以下详细的图示和阐述中，轻易地了解到这些详细的图示和阐述只是为了解释而已，因这些已超越这里所提的有限的实例。

图1A用来表示一个典型的冲压后金属薄板零件(如车的门板)一部份的一个有限元网格100。此有限元网格100包括若干个翘单元101。由于冲压后金属薄板零件的表面通常是非平面，在此有限元网格100上所切的截面120是一曲线。然而，每个在有限元网格100里的翘单元101是一平面，所以图1B中的截面120不是一光滑的曲线。截面120包括多个在点110a-110g之间的直线段111a-111f，这些点是截面和单元周边相交所致。有限元方法的结果是计算在单元的节点上(比如单元101所属节点101a-101d)。为了用截面120来表示冲压后金属薄板零件的光滑曲面，从所有的节点110a-110g中产生出一独特的光滑曲线122。所有的节点110a-110g都包括在此光滑曲线122中。

有限元网格100可切成无数个截面。在有限元网格100上的某一特定的方向130有一条斜线。这个特定的方向130，如图1C中，是我们所感兴趣的，因为此方向正是用来检测表面是否有任何缺陷的方向。此方向130正是金属冲压过程中油石打磨的方向。为了用有限元方法来数值化地预计任何表面缺陷，用沿方向130的与单元周边相交的点132a-132n来产生一个独特的光滑曲线(图中并未显示，但曲线很像前述的曲线122)。该独特的光滑曲线则用来决定表面是否有任何缺陷。

为了从许多单元周边相交点132a-132n产生出一独特的光滑曲线，我们采用了一种基于至少三个邻接单元的系统化方法。举一个例子，点132a及132b相交于单元141的周边。为了产生一个光滑曲面，三个邻接单元142，152，和153被包括进来。邻接单元的选择可参考图2A到图2E。换句话说，曲面是用单元141，142，152，和153的节点来产生(如图2C所示)。很多著名的方法，如B样条，平滑面块法等可用来完成曲线的拟和。

对于单元142而言，邻接单元是141，143，和153，如图2B所示。而对于单元153而言，图2A用来示意如何选择邻接单元142，163，152及154的方法。

图1D所示的是一个无任何表面缺陷的，典型的光滑曲面172。也就是说，一个弯曲的或一个圆形凸出的曲面172被称为一个凸曲面。而如图1E所示，是一个有表面缺陷的，典型的凹曲面182。其中，夸张的表面缺陷184只是为显示而做。

为了示意的简单化，有限元网格100采用同样尺寸的，排列整齐的四边形单元。实际上，单元组可以由无规则的大小、方位，和/或类型(比如三角形单元)来组成。本发明对于有限元网格中的类型，形状，和/或方向不做任何限制。

虽然有限元网格模型100只包括正方单元，本发明还允许其他类型的翘单元(如三角形单元)。跟三角形单元邻接的单元选择如图2D到图2E所示。

图3是根据本发明中的一个实例，来示意用有限元网格数值化地预计冲压后金属薄板表面缺陷的一个典型过程300的流程图。该过程300较适合实施于计算机软件中。

流程300从在一个计算机系统里取得有限元网格模型的那步302开始。此有限元网格模型用来表示冲压后金属薄板零件。此模型包括多个节点和多个翘单元(如三角形单元，和/或四边形单元)。其次，步骤304是在有限元网格中定义与每一个单元(称为主单元或中心单元)邻接的一组单元。在初始定义中，这组单元包括所有共享周边的单元。换一句话说，此步中此组里的每一个邻居与主单元共享一边。其次，流程300继续到决定306，来检查此组里是否有至少三个邻居。若没有，流程300转到步骤308，将一个或多个共享节点的邻接单元增加到少于三个邻居的组里。否则，流程300沿着决定306的“是”分枝转到步骤310，此步用每组里所有单元的节点来产生一个光滑曲面。光滑曲面就这样一组一组的方法来产生。为了保证组与组之间曲率的连续性，组与组之间做了调整。一旦光滑的曲面产生后，流程300中的步骤312沿一个或多个油石打磨方向的一个截面来决定是否有任何表面缺陷。表面缺陷或表面凹陷可定义为在一凸状的截面中任何一部位存在着有凹洼的截面(如图1E所示)。

根据本发明的一个方面，可由一个甚至多个计算机系统来完成本发明所描述的功能。图4所示的是一计算机系统400的例子。此计算机系统400包括一个或多个处理器，如处理器404。此处理器404与计算机系统的内部通讯总线402连接沟通。各种软件实例是在这样的典型的计算机系统中来描述的。阅读此解释后，任一位熟悉有关技艺的人士，都会明白怎样用其他的计算机系统或计算机结构来实施本发明。

计算机系统400还包括一主存储器408，即随机存取存储器，同时还可能包括一个副存储器410。此副存储器410可能包括，比如说，一个或多个硬盘驱动器412，以及/或者，一个或多个可移除式储存驱动器414，即一个软磁盘驱动器，一个磁带驱动器，和一光碟驱动器等。可移除式储存驱动器414从可移除式储存单元418中以一种通常知道的方式读进和写出。此可移除式储存单元418可能是一个软磁盘，磁带，或光碟等，可用来被可移除式储存驱动器414读进和写出。另外，可移除式储存单元418包括一个能被计算机读取的，存有计算机软件，和/或数据的媒体。

在另种实例里，副存储器410可能包括其它允许计算机程序或其它指令被载入计算机系统400的相同媒介。这种媒介可能包括，比如说，一个可移除式储存单元422和一个介面420。这种例子包括一个程序卡匣和卡匣介面(比如视频游戏中存在的的装置)，一个可移除式存储芯片(如一个可抹可编只读式存储器-EPROM，通用串行总线架构(USB)式快闪存储器，或者PROM)及其相关的插座，以及其他允许软件和数据从可移除式存储单元422传送到计算机系统400的可移除式存储单元422及介面420。一般，计算机系统400由操作系统(OS)软件来控制和调度，此操作系统执行一些如过程次序处理、存储管理、网络、和输入输出装置方面的任务。

另外，可能还会有连接于总线402的通信介面424。通信介面424使软件和数据能在计算机系统400和外接装置之间传送。通信介面424的例子可能包括一个调制解调器、一个网络介面(如以太网络卡)、一个通信接口、一个个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)芯片插座和芯片插卡等等。

此计算机400用一套特别的规定(即协议)通过数据网络来与其他计算机装置沟通。一种常见的协议就是用在英特网上的TCP/IP(传输控制协议/网络协议)。一般，所提的通信介面424负责把一个数据档案组装成较小的包块，用来在数据网络上传送，或将收到包块重新组装成原来的数据档案。另外，此通信介面424还处理每一个包块的地址部分，使得每一个包块能被传送到正确的终址，或着去截取预定送到计算机400的包块。

此文件中的名称，如″可记录式计算机存储媒体″、″可记录式计算机媒体″及″可读式计算机媒体″等，都用来泛指类似可移除式存储驱动器414，以及/或者一个已安装在硬盘驱动器412上的硬盘之类的媒体。这些计算机程序产品是用来把软件提供给计算机系统400的一种手段。本发明就是针对这种计算机程序产品而做的。

计算机系统400还可能包括一个输入输出介面(I/O)430，用来给计算机系统400提供显示屏、键盘、鼠标、打印机、扫瞄仪、及绘图机等等。

计算机程序(也称计算机控制逻辑)以应用模块406的方式储存于主存储器408和/或副存储器410。其中，该应用模块406系包含：一有限元网格模型，用来表示冲压后金属薄板零件，包括多个节点及多个二维有限单元，其中，每一个二维有限单元由多个边角节点及其连接每一对相邻边角节点的边线来定义；及一计算模块，用以计算冲压后金属薄板零件上油石打磨操作；计算机程序也可以通过通信介面424来接收。执行此计算机程序时，会使计算机系统400去完成在此所述的本发明的功能。特别地是在执行此计算机程序时，使得处理器404去完成本发明所述的功能。相应地，这样的计算机程序代表计算机系统400的控制器。

在用软件来实施本发明的一实例里，软件可以用可移除式存储驱动器414、硬盘驱动器412、或通信介面424来存入计算机程序产品，再载入到计算机系统400中。当应用模块406被处理器404执行时，处理器404就会去完成在此所述的本发明的功能。

为完成想要做的任务，主存储器408可以载入一个或多个应用模块406，在无论有否通过输入输出介面430来输入使用者指令的情况下，此模块可以被一个或多个处理器404来执行。在操作时，当至少有一个处理器404执行其中一个应用模块406时，计算便开始，所得结果被存储于副存储器410内(即硬盘驱动器412)。时间前进式的工程模拟的现状便通过输入输出介面430以文字或是图像的方式显示给使用者。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，比如，虽然全域搜寻计谋是用桶排序算法来描述和示意的，它也可以用其它等效的技术来完成。另外，所提的曲面网格虽用了一个圆形的有限元网格来表示，其它类型的曲面网格也可。进一步的说，为了说明简单化起见，虽然此曲面网格用了二维的方式来描述，实际上，此曲面网格可以是一个任意形状的三维立体曲面。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (16)

1.一种用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其包括以下步骤：

(1)用装在计算机中的应用模块获取一用来表示冲压后金属薄板零件的有限元网格，该有限元网格包括多个节点及多个二维有限单元，其中，每一个二维有限单元由多个边角节点及其连接每一对相邻边角节点的边线来定义；

(2)用所述的应用模块在有限元网格上来选择一个油石打磨方向，该方向相应于油石打磨过程的某一个打磨方向；

(3)用所述的应用模块为每一个跟油石打磨方向相交的二维有限单元建立一组邻接单元；

(4)用所述的应用模块，用前一步已建立的邻接单元组一组一组地产生出一个连续光滑的曲面；及

(5)用所述的应用模块，来检测和决定在此连续光滑曲面上沿油石打磨方向的截面是否有表面缺陷，并且此截面存储于一存储器内并可根据用户的指令将图像显示到一个显示屏上。

2.根据权利要求1所述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其中所述的二维有限单元由四边形板翘单元所组成。

3.根据权利要求1所述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其中所述的二维有限单元由三角形板翘单元所组成。

4.根据权利要求1所述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其中所建的邻接单元组更进一步地由跟所提到的每一个跟油石打磨方向相交的二维有限单元的所有共享周边的邻接单元所组成。

5.根据权利要求4所述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其更进一步地包含，在共享周边的邻接单元少于三个的情况下，用所述的应用模块将一个或多个共享节点的邻接单元加入该组中。

6.根据权利要求1所述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其中用一组一组的方法所产生的光滑曲面更进一步地包含，用所述的应用模块，用每一组里所有单元的边角节点来拟和产生出此光滑曲面。

7.根据权利要求6所述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其更进一步地包含，用所述的应用模块来完成从一组到另一组的光滑化操作手续。

8.根据权利要求1所述的用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的方法，其特征在于其中所述的表面缺陷由凹面部份来指出。

9.一个用有限元网格模型来预计冲压后金属薄板零件上的表面缺陷的一计算器系统，其特征在于其包含：

第一装置，用于用装在计算机中的应用模块获取一用来表示冲压后金属薄板零件的有限元网格，该有限元网格包括多个节点及多个二维有限单元，其中，每一个二维有限单元由多个边角节点及其连接每一对相邻边角节点的边线来定义；

第二装置，用于用所述的应用模块在有限元网格上来选择一个油石打磨方向，该方向相应于油石打磨过程的某一个打磨方向；

第三装置，用于用所述的应用模块为每一个跟油石打磨方向相交的二维有限单元建立一组邻接单元；

第四装置，用于用所述的应用模块，用前一步已建立的邻接单元组一组一组地产生出一个连续光滑的曲面；及

第五装置，用于用所述的应用模块，来检测和决定在此连续光滑曲面上沿油石打磨方向的截面是否有表面缺陷，并且此截面存储于一存储器内并可根据用户的指令将图像显示到一个显示屏上。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于其中建立邻接单元组更进一步地包含，包括所提到的跟油石打磨方向相交的二维有限单元的所有的共享周边的邻接单元。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于其更进一步地包含，如果共享周边的邻接单元少于三个，将一个或多个共享节点的邻接单元加入该组中。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于其中所述的二维有限单元由四边形板翘单元所组成。

13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于其中所述的二维有限单元由三角形板翘单元所组成。

14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于其中用一组一组的方法所产生的光滑曲面更进一步地包含，用所述的应用模块，用每一组里所有单元的边角节点来拟和产生出此光滑曲面。

15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于其更进一步地包含，用所述的应用模块来完成从一组到另一组的光滑化操作手续。

16.根据权利要求9所述的系统，其特征在于其中所述的表面缺陷由凹面部份来指出。