CN105279303A - 用于回弹补偿的有限元模拟中的应力释放 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于回弹补偿的有限元模拟中的应力释放。本发明公开了一种有限元分析模拟器，该模拟器可以模拟对原材料执行的形成对象的对象设计的预弯操作以产生模拟的预弯结果、调节模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自模拟的预弯结果的残余弹性变形并且使用调节的模拟的预弯结果完成原材料的对象模拟。

Description

用于回弹补偿的有限元模拟中的应力释放
技术领域
本发明整体上涉及解决模拟对象中弯曲应力的释放的改善的有限元分析模拟。
背景技术
车辆制造商在实施更轻、更强的材料(比如铝合金)以满足燃料经济性目标、减少制造成本并减小车辆重量同时符合要求越来越高的安全标准。满足这些相互冲突的目标的一种方法是将高强度铝合金液压成形成重量较轻的液压成形的车辆部件。为了建立液压成形部件设计的产品可行性，设计师可以利用有限元分析(FEA)来模拟制造工艺的模型。
发明内容
在第一说明性实施例中，系统包括存储有限元分析模拟器的存储器以及处理器，该处理器配置用于执行有限元分析模拟器以模拟对原材料执行的形成对象的对象设计的预弯操作以产生模拟的预弯结果、调节模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自模拟的预弯结果的残余弹性变形并且使用调节的模拟预弯结果完成原材料的对象模拟。
在第二说明性实施例中，计算机执行的方法包括通过处理装置执行的原材料的液压成形模拟器来模拟对原材料执行的形成对象的对象设计的预弯操作以产生模拟的预弯结果；通过液压成形模拟器调节模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自模拟的预弯结果的残余弹性变形；以及使用调节的预弯结果完成液压成形模拟。
在第三说明性实施例中，非瞬态的计算机可读媒介存储有有限元分析模拟器的指令，当通过至少一个处理器执行时该指令配置用于使至少一个处理器模拟对原材料执行的形成对象的对象设计的预弯操作以产生模拟的预弯结果；通过有限元分析模拟器调节模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自模拟的预弯结果的残余弹性变形；以及使用调节的模拟预弯结果完成有限元分析模拟。
附图说明
图1说明用于执行制造工艺的预弯(pre-bending)操作的示例系统；
图2说明通过改善的预弯残余弹性变形补偿来执行有限元分析的示例系统；以及
图3说明通过改善的预弯残余弹性变形补偿来执行有限元分析的示例流程。
具体实施方式
根据需要，本说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应理解公开的实施例仅为本发明的示例，其可以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可以放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。
可以使用液压成形将原材料制造成机动车部件，比如制成车底组件、车顶纵梁、前纵梁和发动机架。为了将原材料成型成希望的部件，液压制造工艺可以对原材料执行预弯、预成形以及液压成形操作。其它制造工艺也可以包括随后有进一步的制造操作的预弯步骤。
图1说明用于执行制造工艺的预弯操作的示例系统100。在预弯操作期间，可以将原材料104的中心线102调节为与待成形的所得部件的中心线106一致的形状。在很多情况下，原材料104可以是挤压铝制品(aluminumextrusion)(例如有或没有内壁或臂)，但是在其它情况下原材料104可以是另一种韧性金属(ductilemetal)(比如黄铜、低合金钢或不锈钢)。在很多情况下，原材料104可以是管状或具有相对较圆的截面以便于原材料104在多个方向、方位和角度上的成形，但是在其它示例中也可以利用具有非圆形截面的原材料104。
在一个示例中，可以使用计算机数字控制(CNC)折弯机执行旋转拉伸弯曲(例如如说明的用于相对较紧的折弯)或推滚弯曲(pushrollbending)(例如对更柔和的折弯有用的)的来完成预弯操作。折弯机可以包括保持原材料104的直线或切线部分的随动器108；使原材料104绕折弯模112旋转的夹具110；围绕折弯而支持管道内部的芯轴114；以及刚好在内径的切点之前接触原材料104的防皱块(wiperdie)116，刮擦原材料104以防止可以形成在折弯的内径上的折皱。
原材料104可能通过预弯操作而遭受显著量的残余弹性变形(即回弹)。如说明的，示例中心线118说明原材料104在从折弯器卸载之后发生的弹性恢复之后的中心线。由于变形量可能根据很多变量(比如原材料104的成分和厚度以及折弯工具的几何形状)而变化，可能难于模拟或以其它方式预测原材料104经历的精确的残余弹性变形量。然而，在制造期间可以通过执行指定量的过弯曲(overbending)来补偿回弹，这样当原材料104回弹时它恢复至希望的角度。虽然可能难于精确地模拟使用的过弯曲的量，但是可以通过折弯机的操作者精密调整并且按需求重新调节过弯曲的量(比如针对新的一批原材料104)。
一旦预弯完成，可以对原材料104执行进一步的制造操作。在液压成形的情况下，可以执行液压成形工艺的预成形和液压成形操作。在预成形期间，可以改变预弯的原材料104的形状使得它可以正确地位于液压成形模腔内(比如以避免在模具关闭期间预弯的原材料104周围的顶伤(pinching)或者将原材料104的物质重新分配至相对较高局部展开的区域)。在液压成形期间，通过内部压力和轴向供给的组合措施可以迫使预弯的预成形原材料104形成模腔的形状。例如，预弯预成形的原材料104可以设置在液压成形模腔中，并且通过处于相对较高水平压力的流体从每端填充以根据模腔使预弯预成形的原材料104形成希望的部件的形状。
由于制造工艺(比如液压成形工艺)的复杂性，可以利用有限元分析(FEA)建立产品的可行性。FEA是通过数学计算用于微分方程式的边值问题的数值解以估算物理对象或经受外部负荷的对象的响应的技术。在FEA中，将要成形的分析的部件的几何形状被离散成或近似成在有限元的网格中连接在一起的一组点或节点。一旦被离散，可以利用微分方程式将对象的几何形状近似成一组有限大小的矩阵方程式，其中矩阵方程式可以描述时间上特定时刻处应力、速度和加速度场之间的关系。
图2说明执行用于制造模拟的FEA的示例系统200。该系统包括处理装置202，该处理装置配置用于利用FEA模拟器204接收用于将要模拟的部件的对象设计212、模拟预弯、使用对象设计212模拟任何进一步的操作并且确定指示模拟的对象设计212的可行性和其它方面的模拟的结果214。对于液压成形工艺，这些进一步的操作可以包括预成形和液压成形或者可能是没有预成形的液压成形。随后可以将模拟的结果214存储并且经由显示器216显示给操作者。
处理装置202可以包括多种计算机设备，比如计算机工作站、服务器、台式计算机、笔记本电脑、膝上计算机或手持式计算机或者一些其它计算机系统和/或装置。计算装置(比如处理装置202)通常包括可以将计算机可执行的指令保存在其上的存储器206，其中可以通过处理装置202的一个或多个处理器208执行指令。可以使用各种已知的计算机可读媒介存储这些指令和其它数据。计算机可读的媒介210(也称为处理器可读的媒介210或存储器210)包括参与提供可以通过计算机(例如通过处理装置202的处理器208)读取的数据(例如指令)的任何非瞬态(例如有形的)媒介。总之，处理器208(例如经由计算机可读的存储媒介210等从存储器206)接收指令并且执行这些指令，从而执行一个或多个程序，包括本发明描述的一个或多个程序。可以通过使用各种编程语言和/或技术(例如但不限于Java、C、C++、C#、Fortran、Pascal、VisualBasic、JavaScript、Perl、PL/SQL等中的一者或其组合)的计算机程序来编译或解释计算机可读的指令。
FEA模拟器204可以是处理装置202的存储器210中包括的一个应用程序。FEA模拟器204可以包括当载入存储器206并且通过处理装置202执行时使处理装置202对将要分析的部件的对象设计212执行制造模拟(比如FEA液压成形模拟)的指令。更特别地，FEA模拟器204可以配置用于以对象设计212规定的在制造期间执行的顺序对用于制造部件或其它对象的每个操作数学建模。例如，FEA模拟器204可以执行预弯模拟、可以将预弯模拟的输出应用至预成形模拟并且可以将预成形模拟的输出应用至液压成形模拟而产生模拟的结果214。在另一个示例中，FEA模拟器204可以执行预弯模拟并且可以将预弯模拟的输出应用至液压成形模拟而产生模拟的结果214。通过FEA模拟器204确定的模拟结果214随后可以用于识别根据模拟的对象设计212产生的部件的问题，比如易形成折皱的区域、可能会分裂的地方或者在可能经历形状和位置公差超过设计要求的区域。
由于FEA模拟的后期阶段可能取决于早期阶段的结果，FEA模拟早期阶段的误差可能对非常不精确的模拟结果214作出贡献。液压成形的FEA方法不能对制造精确地建模的一方面是关于预弯操作期间和之后的残余弹性变形计算。因为模拟的和实际的回弹之间的差异，对象设计212通常存在两个折弯计划：意欲说明独立于机加工的原材料104的特定特性的希望的部件设计的设计折弯计划，以及折弯机处理原材料104特性而实际使用的回弹补偿折弯计划。
一些FEA包会配置用于根据设计的折弯计划建模。所以，回弹之后的模拟部件可能具有不正确的几何形状和尺寸。在这样的包中，可以在部件的除实际折弯区域之外的几乎每个地方设置刚性约束，防止预弯期间回弹。然而，在下一操作期间当约束去除时回弹随后释放，导致用于预成形和液压成形操作的不正确的模拟数据，产生不精确的模拟结果214。
在其它FEA包中，可以在后续的回弹步骤中建立回弹补偿的折弯计划的模型。然而，回弹补偿的折弯计划可能不能处理通常需要折弯机操作者调节的批与批之间原材料10之间的差异。此外，在很多情况下FEA预测的回弹可能仍然不能很好地匹配回弹，这可能导致FEA模拟需要更进一步的回弹补偿计划来执行FEA；然而，有限的工具可用于辅助这类特定任务(task-specific)计划的创建。
为了解决这些不足，FEA模拟器204可以配置用于利用根据设计的对象设计212的折弯计划对预弯操作建模，并且在这些预弯操作期间可以在除实际折弯区域之外的每个地方对部件施加刚性约束。预弯操作完成之后，FEA模拟器204可以配置用于重置用于离散的部件的每个元的每个积分点(integrationpoint)的应力张量的分量(例如设置为零)，有效地去除了预弯操作的FEA模拟中任何关联的残余弹性变形。
FEA模拟器204可以进一步配置用于保存FEA预弯模拟的其它元变量，比如应变张量和累积的有效塑性应变分量。通过使用预弯操作的调节的模拟结果执行液压成形FEA的剩余部分，与当前使用的其它液压成形FEA模拟方法相比FEA模拟器204可以配置用于显著地产生更精确的结果并且相应地缩短模拟的周转时间(turnaroundtime)。
图3说明通过调节的折弯后的(post-bending)的残余弹性变形来执行FEA的示例程序300。例如，可以通过处理装置202执行的FEA模拟器204来执行液压成形模拟而执行程序300。
在操作302处，FEA模拟器204接收用于在将原材料104成形成制造的对象中使用的对象设计212。例如，对象可以是机动车组件或部件，比如车底结构组件、车顶纵梁、前纵梁或发动机架。例如，原材料104可以是矩形的挤压铝制品。对象设计212可以包括对原材料104执行规定的折弯的实际折弯计划以及指示在折弯后执行进一步制造操作(比如顺序地执行的以将原材料104成形为希望的对象的预成形和液压成形操作)的信息。
在操作304处，FEA模拟器204离散对象设计212指定的对象。例如，FEA模拟器204可以配置用于将对象的几何形状近似成在有限元的网格中连接在一起的一组节点或节点。
在操作306处，FEA模拟器204模拟对象设计212的预弯操作。预弯操作可以包括一个或多个折弯步骤。例如，FEA模拟器204可以根据对象设计212的实际折弯计划利用FEA计算出信息(比如有限元风格的每个元处的应力、应变和累积的塑性应变)。
在操作308处，FEA模拟器204调节模拟的预弯结果的应力张量分量以去除折弯后的残余弹性变形。例如，FEA模拟器204可以配置用于重置用于离散的部件的每个元的每个积分点的应力张量的分量(例如设置为零)，有效地去除了预弯操作的FEA模拟中任何关联的残余弹性变形。
在操作310处，FEA模拟器204完成对象设计212的模拟。例如，FEA模拟器204可以对在操作308中确定的调节的模拟预弯结果执行FEA以模拟根据对象设计212对预弯原材料104执行的任何预成形操作而产生的几何形状、应力和应变。这些模拟的操作可以包括执行的用于允许原材料104正确地位于液压成形模腔内(比如以避免在模具关闭期间预弯管周围的顶伤或者将材料重新分配至相对较高局部展开的区域)的变化。FEA模拟器204可以进一步模拟对象设计212的液压成形操作。例如，液压成形模拟器可以对在操作310中确定的模拟的预成形结果执行EFA以模拟根据对象设计212对预弯和预成形的原材料104执行的液压成形操作而产生的几何形状、应力和应变。
在操作312处，FEA模拟器204提供模拟的结果214。例如，FEA模拟器204可以提供指示从制造工艺产生的模拟应力的模拟结果214至显示器216和/或至存储器210。模拟结果214可以指示用于模拟的对象的对象设计212的可行性的多个方面，比如所得的对象是否通过原材料104的最大塑性变形极限的确认，或者所得的对象是否遭受形成过度折皱、分裂的问题或者包括部分区域遭受形状和位置公差超过多个设计要求的其它方面。操作312之后，程序300结束。
从而，通过在预弯操作之后重置中间模拟结果的应力张量以解决通过折弯机操作者执行的过弯曲精密调整，FEA模拟器204可以配置用于更加精确地模拟实际制造的部件的几何形状、液压成形后的(post-hydroform)回弹和应变以及应力分布而不需要开发回弹补偿的折弯计划以及在FEA中执行额外的折弯后的回弹模拟步骤。虽然本发明公开的很多示例涉及液压成形，应注意前面提到的技术可以应用到随后有进一步操作的模拟的折弯的(比如在折弯之后的冲压、剪切成形或喷砂)的金属成形的其它类型的FEA模拟。
尽管上文描述了示例实施例，并非意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限定性，并且应理解不脱离本发明的精神和范围可以作出各种改变。此外，可以组合各种执行实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。

Claims (14)

1.一种有限元分析模拟系统，包含：
存储有限元分析模拟器的存储器；以及
配置用于执行所述有限元分析模拟器的处理器以：
模拟对原材料执行的形成对象的对象设计的预弯操作以产生模拟的预弯结果，
调节所述模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自所述模拟的预弯结果的残余弹性变形，以及
使用所述调节的模拟的预弯结果完成所述原材料的对象模拟。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述原材料是管状韧性金属和挤压成形制品中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器进一步配置用于执行所述有限元分析模拟器以：
根据所述调节的模拟的预弯结果来模拟所述对象设计的预成形操作以产生模拟的预成形结果；以及
根据所述模拟的预成形结果来模拟所述对象设计的液压成形操作以产生模拟的液压成形结果。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器进一步配置用于执行有限元分析模拟器以根据所述调节的模拟的预弯结果模拟所述对象设计的液压成形操作以产生模拟的液压成形结果。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器进一步配置用于执行所述有限元分析模拟器以：
将所述对象的几何形状离散成连接在一起作为近似所述对象的所述几何形状的网格的有限元节点组；
模拟所述预弯操作以产生用于所述有限元节点组中每者的模拟的预弯结果；
调节与所述有限元节点组中每者关联的所述模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自所述模拟的预弯结果的所述残余弹性变形。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器进一步配置用于执行所述有限元分析模拟器通过将所述模拟的预弯结果的所述应力张量分量重置至基本上可以忽略的应力量以去除来自所述模拟的预弯结果的所述残余弹性变形。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述基本上可以忽略的应力量是零。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，与在从原材料制造所述对象期间执行的过弯曲量作出的调节一致而重置所述基本上可以忽略的应力量。
9.一种计算机可执行的方法，包含：
通过处理装置执行的原材料的液压成形模拟器模拟对原材料执行的形成对象的对象设计的预弯操作以产生模拟的预弯结果；
通过所述液压成形模拟器调节所述模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自所述模拟的预弯结果的残余弹性变形；以及
使用所述调节的模拟的预弯结果完成所述液压成形模拟。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包含：
根据所述调节的模拟的预弯结果模拟所述对象设计的预成形操作以产生模拟的预成形结果；以及
根据所述模拟的预成形结果模拟所述对象设计的液压成形操作以产生模拟的液压成形结果。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包含：
将所述对象的几何形状离散成连接在一起作为近似所述对象的所述几何形状的网格的有限元节点组；
模拟所述预弯操作以产生用于所述有限元节点组中每者的模拟的预弯结果；
调节与所述有限元节点组中每者关联的所述模拟的预弯结果的应力张量分量以去除来自所述模拟的预弯结果的残余弹性变形。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包含执行所述液压成形模拟器通过将所述模拟的预弯结果的所述应力张量分量重置为基本上可以忽略的应力量以去除来自所述模拟的预弯结果的残余弹性变形。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述基本上可以忽略的应力量是零。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，与在从所述原材料制造所述对象期间执行的过弯曲量作出的调节一致而在所述对象的所述对象设计之外重置所述基本上可以忽略的应力量。
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