CN104182561B - 一种在钣金零件的深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于在深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的方法。金属板坯和导向销的计算机模型被创建。第一计算机模型中的节点子集被定义为父节点。然后确定第一和第二特征长度。使用基于第一和第二特征长度之间的比率的公式，在每对父节点之间创建一个或多个子节点。通过执行重力加载阶段的计算机模拟，可以获得在金属板坯的自身重量遭受创建的侧向约束的情况下金属板坯的变形配置，侧向约束是在检测到子节点与表示一个所述导向销的外表面的一部分的特定有限元之间的接触时被创建并添加到子节点的父节点处的。

Description

一种在钣金零件的深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金 属板坯与导向销接触的影响的方法和系统

技术领域

本发明涉及机械计算机辅助工程(CAE)分析的计算机模型的创建，更具体地说，涉及在深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的系统和方法。

背景技术

金属板材成型已经在工业中被使用多年，用于从金属板坯形成金属零件，例如，汽车制造商和他们的供应商使用金属板材成型来生产许多零件。一种最常用的金属板材成型工艺是深冲压(deep drawing)，其利用液压机或机械压力机将特定形状的冲头推入匹配的模具中，在冲头和模具之间放置一张金属板坯。由该工艺制造的示例产品包括但不限于汽车引擎盖、挡泥板、门、汽车燃料槽、厨房水槽、铝罐等等。在模具的某些区域，被加工的零件或产品的深度通常大于其直径的一半。因此，坯料被拉伸并由此因零件或产品的几何形状而在不同的位置变薄。该零件或产品仅在没有材料破坏之类的结构缺陷(例如破裂、撕裂、起皱、缩颈等)时是良好的。

图1A示出了示范性的深冲压加工机构，其中金属板坯或坯料120(即在成型之前的未成型的金属板)被置于上模具110和冲头130之间的坯料支撑件108上。当模具110沿冲压轴线方向(箭头140所示)下压到冲头130上时，坯料120被成型为钣金零件。模具110包括产品设计部分102、压料面(binder)部分106a-b和工艺补充面(addendum)部分104a-b。多个导向销或导向柱122被配置用于精确地导向坯料120。图1B示出了示范性的金属板坯160和导向销120的平面图。金属板坯160可以在导向销162的位置所定义的周界内侧向移动。为了简洁说明，以椭圆形示出金属板坯160。本技术领域的人员将会明白，图1C所示的金属板坯170可以有任何随意的形状。金属板坯170被多个导向销172所包围。

为了成功地制造钣金零件，现在很多制造商使用计算机或数字模拟(例如，计算机辅助工程设计分析(CAE))来帮助他们实现这样的目标。一种有用的计算机模拟基于有限元分析(FEA)，其是计算机处理的方法，广泛用于工业中以建模并解决与复杂系统相关的工程问题。有限元分析的名称源于对所关注的物体的几何特征进行描述的方式。随着现代数字计算机的出现，FEA已在FEA软件中实现。FEA软件可分为两个基本类型，即隐式FEA软件和显式FEA软件。隐式FEA软件使用隐式方程解算器求解线性耦合方程系。该软件通常用于模拟静态或准静态问题。显式FEA软件并不求解耦合方程而是假定这些方程没有耦合而直接求解每个未知数。显式FEA软件通常使用中心差分时间积分，其需要非常小的时间步距以使得该方法稳定且精确。显式FEA软件通常用于模拟其中动态特性很重要的短周期事件，如撞击类型的事件。

在对钣金零件的深冲压加工进行模拟的过程中，可以执行多种不同类型的模拟。图2列出了这样的模拟的示范性系列。该示范性系列是金属成型模拟(例如，从金属板材成型汽车零件)。金属成型模拟包括多个阶段：1)重力加载202；2)压料面包裹204；3)冲头降下206；4)压料面释放以回弹208；以及5)边缘翻卷并折边(edge flanging and hemming)210。

本发明涉及深冲压加工的重力加载阶段202的数字模拟。特别地，与金属板坯接触的导向销的影响在模拟中被考虑并建模。在重力加载阶段，金属板坯120被放置在坯料支撑件108之上。金属板坯120可以侧向移动而不受约束，直至它与一个或多个导向销122接触。

现有技术的方法已经要求急剧改变金属板坯的计算机模型(即细化FEA网格)，以便金属板坯与导向销之间的接触可以被检测。细化金属板坯的FEA网格的缺点是不仅冗长，而且对工时和计算机资源(即更大的存储器、更长的执行时间等)的耗费也很大。

因此，期望有更有效的在深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的系统和方法。

发明内容

这部分用于总结本发明的一些方面，并简洁介绍一些优选的实施例。此处的这部分、以及摘要和标题中可能会进行简化或者省略，以避免使这部分的目的不清晰。这样的简化或省略并不用于限制本发明的范围。

本申请公开了一种用于在深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的系统和方法。根据本发明的一方面，表示金属板坯的第一计算机模型和表示导向销的外表面的第二计算机模型被定义并在计算机系统中接收。第一和第二计算机模型中的每一个都包含由有限元连接的多个节点。第一计算机模型中的节点的子集被定义为父节点组。

在第一和第二计算机模型中分别确定第一和第二特征长度。第一特征长度是每对相邻父节点之间的距离。第二特征长度是第二计算机模型中有限元的最短尺寸。使用基于第一和第二特征长度之间的比率的公式，在每对父节点之间创建多个子节点。

然后通过执行重力加载阶段的计算机模拟，可以获得在金属板坯的自身重量遭受创建的侧向约束的情况下金属板坯的变形配置，侧向约束是在检测到子节点与表示导向销的外表面的特定有限元之间的接触时被创建并添加到子节点的父节点处的。

通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。

附图说明

参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：

图1A是示范性的用于钣金零件的深冲压加工的冲压模具机构的正视截面图；

图1B是根据本发明的一个实施例的可以被数字模拟的第一示范性金属板坯和周围的导向销的平面示意图；

图1C是根据本发明的一个实施例可以被数字模拟的设置在冲压模具中的第二示范性金属板坯和周围的导向销的平面示意图；

图2是钣金零件的相关深冲压加工模拟的示范性系列步骤的示意图；

图3A是根据本发明的一个实施例的金属板坯的示范性计算机模型的示意图；

图3B是根据本发明的一个实施例的导向销的示范性计算机模型的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的父节点和子节点的示范性方案的示意图；

图5A-5D是根据本发明一个实施例在深冲压加工模拟的重力加载阶段因与导向销接触而为表示金属板坯的计算机模型创建侧向约束的示范性方案的示意图；

图6是根据本发明的一个实施例在钣金零件的深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的示范性方法的流程图；

图7是示例的计算机的主要部件的功能框图，可在其中执行本发明的一个实施例。

具体实施方式

在以下的描述中，列出了许多特定的细节，以便透彻理解本发明。但是，对于本技术领域的人员来说，很明显，可实施本发明而不需要这些特定的细节。此处的描述和表示是本技术领域那些最有经验或最熟练的人员所常用的手段，以最有效地将它们的作用的实质传达给本技术领域的其他人员。在其他的例子中，已知的方法、程序和组件没有被详细描述，以避免不必要地使本发明的各方面变得不明显。

此处的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例相关的特定特点、结构、或特征可以被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中许多地方出现的短语“在一个实施例中”并不必指的是相同的实施例，也不是相互排除其他实施例的单独的、或选择性的实施例。此外，表示本发明的一个或多个实施例的过程流程图或图表中的方框的顺序并不固有表示任何特定的顺序或者暗示本发明中的任何限制。

以下将参照图3A-图7讨论本发明的实施例。但是，本技术领域的人员将会理解，此处参照附图的详细描述用于解释性的目的，本发明可以延伸到这些限制的实施例以外。

首先参照图6，示出了在钣金零件的深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的示范性方法600的流程图。方法600优选地在软件中实施，并结合其他附图尤其是图3A-图5B进行理解。

方法600开始于步骤602，在计算机系统(例如，图7的计算机系统700)中接收表示金属板坯的第一计算机模型和表示导向销的外表面的第二计算机模型。第一和第二计算机模型可以是在钣金零件的深冲压加工的计算机模拟中使用的有限元分析模型(例如，由通过二维壳体单元连接的节点所定义的FEA网格)。

图3A示出了表示金属板坯的示范性第一FEA网格模型302，图3B示出了表示导向销的外表面的示范性第二FEA模型312。需要注意的是，两个示范性模型302-312不是采用相同的比例进行图示的。在这个例子中，第一FEA模型302比第二FEA模型312采用更小的比例绘制。此外，第一FEA模型302可以有任意的形状(例如，图1B和1C所示的椭圆形和非规则形状)。第二FEA模型312可以有不同数量的壳体单元来表示外表面(即不同于图3B所示的六个壳体单元)。

第一计算机模型的沿着金属板坯的周界的节点的子集被定义或者指定为父节点组，该父节点用于创建子节点，子节点被配置用于检测与导向销的接触。示范性的父节点304在图3A中示出。父节点可以由用户或者其它机制来定义/指定/规定(例如，应用模块内的默认定义)。

在步骤604，确定第一和第二特征长度。第一特征长度是每对相邻父节点之间的距离306，第二特征长度是第二FEA模型312中有限元的最短尺寸316。

接下来，在步骤606，在每对相邻父节点之间创建至少N个子节点。子节点的位置沿着第一FEA模型的有限元的边缘。N是第一特征长度除以第二特征长度之后四舍五入而确定的正整数。图4示出了在本发明的一个实施例中使用的父节点和子节点的示范性方案。图4示出了表示金属板坯的示范性第一FEA分析模型400的一部分、以及表示导向销的示范性第二FEA模型410的一部分的俯视图。第一FEA模型400的一个典型的有限元401具有沿周界的两个父节点404a-404b。第一特征长度405是父节点404a和父节点404b(即一对相邻父节点)之间的距离。第二FEA模型410包含表示导向销的外表面的有限元412。第二特征长度415是第二FEA模型410内的有限元的最短尺寸。在父节点404a-404b之间创建N个子节点408。

最后，在步骤608，通过执行钣金零件的深冲压加工的重力加载阶段的计算机模拟，获得在金属板坯的自身重量并遭受导向销的侧向约束的情况下金属板坯的变形配置。当检测到子节点和第二FEA模型的特定有限元之间的接触时，创建所述侧向约束。相应的侧向约束被添加给该子节点的父节点。图5A-图5B示出了添加侧向约束的示范性顺序。

如图5A所示，检查子节点508是否与导向销(由第二FEA模型表示)510的外表面接触。当检测到子节点508和第二FEA模型510的特定有限元之间有接触时，在子节点508处创建与该特定有限元正交或垂直的侧向约束力520。接下来如图5B所示，将侧向约束力520转换为相应各个父节点504a-504b处的两个等效约束力522a-522b。这种转换可以采用许多现有的技术来实现，例如静力平衡。

在图5C-图5D所示的另一个示范性方案中，检测到了两处接触：一个位于第一子节点508处，另一个位于第二子节点509处。因此，针对侧向约束创建两个约束力520-530。然后，将约束力520-530的合力转换为父节点504a-504b处的等效侧向阻力542a-542b。

在显式有限元分析中，表示侧向约束或阻力的弹力被添加到接触位置，与表面正交。在隐式有限元中，代替阻力，将侧向刚性项添加到各个父节点。当检测不止一处的接触时，可通过将所有的接触阻力进行平均，来确定父节点处的侧向约束力。

根据一方面，本发明涉及一个或多个可执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统700的例子在图7中示出。计算机系统700包括一个或多个处理器，例如处理器704。处理器704连接到计算机系统内部通信总线702。关于该示范性的计算机系统，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关技术领域的人员将会明白如果使用其它计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。

计算机系统700还包括主存储器708，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器710。辅助存储器710包括例如一个或多个硬盘驱动器712和/或一个或多个可移除存储驱动器714，它们代表软磁盘机、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器714用已知的方式从可移除存储单元718中读取和/或向可移除存储单元718中写入。可移除存储单元718代表可以由可移除存储驱动器714读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元718包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。

在可选实施例中，辅助存储器710可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统700。这样的机制包括例如可移动存储单元722和接口720。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移动存储芯片(例如可擦除的可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元722和允许软件和数据从可移动存储单元722传递到计算机系统700的接口720。通常，计算机系统700由操作系统(OS)软件控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。

可能还设有连接到总线702的通信接口724。通信接口724允许软件和数据在计算机系统700和外部设备之间传递。通信接口724的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。计算机700基于一组特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)。通常，通信接口724将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口724处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机700的数据包。在这份文件中，术语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器714和/或设置在硬盘驱动器712中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机系统700的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统700还包括输入/输出(I/O)接口730，它使得计算机系统700能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描器、绘图机、以及类似设备。

计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块706存储在主存储器708和/或辅助存储器710中。也可通过通信接口724接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机系统700执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器704执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统700的控制器。

在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移动存储驱动器714、硬盘驱动器712、或者通信接口724加载到计算机系统700中。应用模块706被处理器704执行时，使得处理器704执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器708可被加载一个或多个应用模块706，所述应用模块706可被一个或多个处理器704执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口730输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器704执行一个应用模块706时，结果被计算并存储在辅助存储器710(也就是，硬盘驱动器712)中。

虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，虽然只有一个导向销在图5A-图5B所示的示例中给予图示和描述，但是也可以有一个以上的导向销。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及后附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种在钣金零件的深冲压加工模拟的重力加载阶段内加入金属板坯与导向销接触的影响的方法，其特征在于，所述方法包括：

在其上安装有有限元分析应用模块的计算机系统中接收表示金属板坯的第一有限元分析模型和表示导向销的外表面的第二有限元分析模型，所述第一和第二有限元分析模型中的每一个都包含连接多个有限元的多个节点，所述第一有限元分析模型的沿着所述金属板坯的周界的节点子集被定义为父节点组；

确定第一和第二特征长度，所述第一特征长度是每对相邻父节点之间的距离，所述第二特征长度是所述第二有限元分析模型中所有有限元的最短尺寸；

沿着相应有限元的边缘在所述每对父节点之间创建至少N个子节点，N是通过第一特征长度除以第二特征长度得到的正整数；以及

通过执行钣金零件的深冲压加工的重力加载阶段的计算机模拟，获得在金属板坯的自身重量并遭受导向销的侧向约束的情况下金属板坯的变形配置，所述侧向约束在检测到子节点和所述第二有限元分析模型的特定有限元之间的接触时创建，其中各个侧向约束被添加到所述子节点的父节点处。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述父节点组位于沿所述第一有限元分析模型的周界处。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述计算机模拟使用显式有限元方案，所述在检测到子节点和第二有限元分析模型的特定有限元接触时创建的侧向约束，通过在所述子节点的对应父节点处添加等效侧向力来实现，所述等效侧向力从所述子节点和所述特定有限元之间检测到的接触力得到。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述等效侧向力从所述接触力按比例分配得到。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每一所述接触力被建模为所述第一有限元分析模型中的附加弹力，所述每一接触力的方向与通过所述子节点的所述特定有限元正交，其中所述特定有限元表示一个所述导向销的外表面的特定部分。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述计算机模拟使用隐式有限元方案，所述在检测到子节点和第二有限元分析模型的特定有限元接触时创建的侧向约束，通过在所述子节点的对应父节点处添加等效侧向刚性来实现，所述等效侧向刚性从所述子节点和所述特定有限元之间检测到的接触力得到。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，每一所述接触力的方向与通过所述子节点的所述特定有限元正交。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述等效侧向刚性是基于所有所述接触力的平均值的项，并被添加给所述第一有限元分析模型的正则刚性矩阵。

9.一种用于创建用于钣金零件的深冲压加工模拟的计算机模型的系统，其特征在于，所述系统包括：

输入和输出接口；

存储器，用于存储有限元分析应用模块的计算机可读代码；以及

与所述存储器相连的至少一个处理器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的计算机可读代码，使得所述有限元分析应用模块执行以下操作：

接收表示金属板坯的第一有限元分析模型和表示导向销的外表面的第二有限元分析模型，所述第一和第二有限元分析模型中的每一个都包含连接多个有限元的多个节点，所述第一有限元分析模型的沿着所述金属板坯的周界的节点子集被定义为父节点组；

确定第一和第二特征长度，所述第一特征长度是每对相邻父节点之间的距离，所述第二特征长度是所述第二有限元分析模型中所有有限元的最短尺寸；

沿着相应有限元的边缘在所述每对父节点之间创建至少N个子节点，N是通过第一特征长度除以第二特征长度得到的正整数；以及

通过执行钣金零件的深冲压加工的重力加载阶段的计算机模拟，获得在金属板坯的自身重量并遭受导向销的侧向约束的情况下金属板坯的变形配置，所述侧向约束在检测到子节点和所述第二有限元分析模型的特定有限元之间的接触时创建，其中各个侧向约束被添加到所述子节点的父节点处。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，如果所述计算机模拟使用显式有限元方案，所述在检测到子节点和第二有限元分析模型的特定有限元接触时创建的侧向约束，通过在所述子节点的对应父节点处添加等效侧向力来实现，所述等效侧向力从所述子节点和所述特定有限元之间检测到的接触力得到。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，每一所述接触力被建模为所述第一有限元分析模型中的附加弹力，所述每一接触力的方向与通过所述子节点的所述特定有限元正交，其中所述特定有限元表示一个所述导向销的外表面的特定部分。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，如果所述计算机模拟使用隐式有限元方案，所述在检测到子节点和第二有限元分析模型的特定有限元接触时创建的侧向约束，通过在所述子节点的对应父节点处添加等效侧向刚性来实现，所述等效侧向刚性从所述子节点和所述特定有限元之间检测到的接触力得到。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，每一所述接触力的方向与通过所述子节点的所述特定有限元正交，其中所述特定有限元表示一个所述导向销的外表面的特定部分。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述等效侧向刚性是基于所有所述接触力的平均值的项，并被添加给所述第一有限元分析模型的正则刚性矩阵。