CN106547999B - 基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，分析方法的步骤如下：步骤一构建拉延仿真模型：利用软件UG导出凸模、凹模、压边圈和板料的stp格式；步骤二利用Hypermesh对凹模、凸模、压边圈进行表面网格划分再自动生成四面体实体网格，板料划分成四边形网格；步骤三将凹模、凸模、压边圈和板料均设定为弹塑性体，并定义材料、属性、边界条件、接触类型和输出卡片；步骤四用Hypermesh完成冲压过程的有限元仿真，将受力分析结果分多步输出，查看板料成型结果并确定冲压工艺参数，以输出冲压过程最后时刻为极限工况，对凸模、凹模和压边圈进行结构强度分析；步骤五对凸模进行疲劳分析，利用后处理模块查看疲劳寿命和损伤结果云图。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具结构的仿真分析方法，尤其涉及一种基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法。
背景技术
随着高强度钢板的广泛应用，冲压模具，尤其是汽车覆盖件模具的设计、生产、应用都产生新的一系列问题。由于高强钢板的屈服强度在270MPa以上，比起普通钢板其硬度也提升了3、4倍，正由于这些特点导致了其模具受到的载荷增加很多，模具结构更容易出现结构破坏、疲劳破坏等现象。因此模具强度和结构设计面临着前所未有的挑战。由于在设计模具结构时工程师往往凭借经验，并未有通用的规范。因此会通过采用一定的安全系数来确保所设计的模具在现在生产中的使用寿命。这种方法不仅仅会造成模具质量上升，同时还增加了生产成本。
目前一些研究者对这一领域的模具结构进行了研究。张贵宝、李洲等利用载荷映射的方法，先通过Dynaform进行板料成形数值模拟得到板料变形对模具的作用力，将每一步作用力连起来形成一条载荷曲线，然后通过VC++编的程序将载荷力映射模具的有限元模型上，代替板料对模具的作用力对模具进行结构分析，这种方法有效地用变形板料和模具之间的相互作用力代替它们之间复杂的接触非线性作用，在一定程度上较真实地反映模具受力情况。但这种方法需要运用多个软件相结合，需要对Dynaform、编程软件(VS++或VS++)、hypermesh和Ls-Dyna等软件均熟练掌握，难度非常大。
湖南大学吴任、范乐通过在DYNAFORM环境中将模具视为刚体进行板料成形仿真，导出LS-DYNA求解器接口的K文件；模具结构的受力分析在ANSYS/LS-DYNA环境中进行，模具采用弹性有限元模型。由于Dynaform分析板件成形性时把模具视为刚体，因此无法进行模具的结构受力分析，需要修改LS-Dyna关键字的方法将模具弹性体化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接在前处理软件Hypermesh中进行整个冲压过程仿真的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法。
本发明提供的这种基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，分析方法的步骤如下：
步骤一构建拉延仿真模型：利用软件UG导出凸模、凹模、压边圈和板料的stp格式；
步骤二利用Hypermesh对凹模、凸模、压边圈进行表面网格划分再自动生成四面体实体网格，板料划分成四边形网格；
步骤三将凹模、凸模、压边圈和板料均设定为弹塑性体，并定义材料、属性、边界条件、接触类型和输出卡片；
步骤四利用Hypermesh完成冲压过程的有限元仿真，将受力分析结果分多步输出，查看板料成型结果并确定冲压工艺参数，以输出冲压过程最后时刻为极限工况，对凸模、凹模和压边圈进行结构强度分析；
步骤五对凸模进行疲劳分析，利用后处理模块查看疲劳寿命和损伤结果云图。
作为优选，在所述步骤一中将凸模、凹模、压边圈的材质选用为HT300；板料的材质选用为DP780，厚度为1.2mm。
作为优选，在所述步骤二中对凹模、凸模、压边圈进行表面网格划分时指定表面三角形网格尺寸按最大10mm，最小0.5mm划分，再自动生成四面体实体网格；将板料的网格单元大小指定为10mm。
作为优选，在所述步骤三中将凹模、凸模、压边圈的材料选用为各项同性弹塑性材料MAT12，这是一个低耗等向塑形模型，适合于三维实体，需设置其密度、剪切模量、屈服强度、切线模量和体积模量；板料选用为切向各项异性弹塑性材料MAT37，这个模型可以模拟各项异性板料成型过程，需设置其密度、泊松比、弹性模量、屈服强度和剪切模量和厚向异性指数。
进一步的，在所述步骤三中设置板料属性时需控制其壳单元的公式，选择2号Belytschko单元，此单元能最快的显示动力学壳单元；设置厚度方向3个积分点。
进一步的，在步骤三中边界条件为限定凸模底面所有节点的六个自由度，凸模和压边圈除Z方向的位移其余自由度全约束；初步定义凹模的运动速度为1mm/ms,设置压边力110T。
进一步的，在所述步骤三中上模与板料、压边圈与板料、下模与板料的接触形式为双面接触，接触关系为自动接触，上模、压边圈和下模均为主接触部件，板料为从接触部件，设置其摩擦系数为0.125，同时设置粘性阻尼系数VDC＝20来消除高频震荡。
进一步的，在所述步骤三需输出卡片有：ONTRO_ACCURACY；CONTRO_ADAPTIVE；CONTRO_BULK_VISCOSITY；CONTRO_CONTACT；CONTRO_ENERGY；CONTRO_HOURGLASS；CONTRO_OUTPUT；CONTRO_PARALLEL；CONTRO_RIGID；CONTRO_SOLID；CONTRO_TERMINATION；CONTRO_TIMESEPT；CONTRO_ABINARY_D3PLOT；CONTRO_OPTION。
作为优选，在所述步骤四中设置D3Plot文件输出间隔设为10ms，整个冲压行程分33步输出，经过反复调整冲压工艺后，最终得到满意的板料拉延后所处的状态，最终确定工艺参数：定义凹模运动速度为2mm/ms,设置压边力120T。
作为优选，在所述步骤五中在凸模的表面创建覆盖实体单元的壳网格，将冲压成型中最后一步模面的节点载荷信息提取出来，加载到optistruct模型中相应的节点上；定义疲劳分析参数、疲劳单元和材料、载荷时程曲线后进行疲劳分析，应用应力疲劳分析方法，设置疲劳缺口系数Kf＝1，存活率为0.5，材料拉伸极限为300MPa，采用Goodman理论。
本发明直接在前处理软件Hypermesh中将板料和模具均设置为弹塑性体，根据实际情况设置接触、模具速度、约束等边界条件，即可进行计算。本方法通过校核模具强度和疲劳寿命不仅仅可以分析出板料成形性效果，有效地保证模具结构设计的合理性，同时掌握起来也较简单，可以应用到实际模具设计中进行指导，从而缩短制造周期。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的流程示意图。
图2为本发明中凸模的网格划分示意图。
图3为本发明中压边圈的网格划分示意图。
图4为本发明中凹模的网格划分示意图。
图5为本发明中板料的网格划分示意图。
图6为板料拉延后成型极限图。
图7为板料拉伸时Z方向载荷变化图。
图8为凹模受力云图。
图9为压边圈受力云图。
图10为凸模受力云图。
图11为HT300的S-N曲线疲劳特性曲线。
图12为载荷时程曲线。
图13为凹模疲劳寿命云图。
具体实施方式
本实施例提供的这种基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，主要包括以下步骤：1、构建拉延仿真模型：利用软件UG导出模型(凸模、凹模、压边圈和板料)的stp格式；2、利用Hypermesh对凹模、凸模、压边圈进行表面网格划分再自动生成四面体实体网格，板料划分成四边形网格；3、将凹模、凸模、压边圈和板料均设定为弹塑性体，并定义材料、属性、边界条件、接触类型和输出卡片；4、利用Hypermesh完成冲压过程的有限元仿真，将受力分析结果分多步输出，查看板料成型结果并确定冲压工艺参数，以输出冲压过程最后时刻为极限工况，对凸模、凹模和压边圈进行结构强度分析；5、对凸模进行疲劳分析，利用后处理模块查看疲劳寿命和损伤结果云图。
以高强钢DP780左右中柱中部支撑板拉延模具为例：使凹模、凸模和压边圈的本体材质为HT300；板料材质为DP780，厚度为1.2mm。按下表设置模具和板料的材料性能
模具最终拉延完后处于闭合状态，因此需将各部件移动到相应的位置。将凸模固定不动，压边圈往上抬130mm，凹模往上抬330mm。整个冲压分为两个阶段：
Closing阶段：凸模不工作，压边圈保持不动，凹模往下走200mm，最终板料被压边圈和凹模压紧。
Drawing阶段：凸模保持不动，凹模和压边圈保持压紧板料一起往下走130mm，最终完成拉延。
首先在Hypermesh中对模具进行网格划分，指定模具表面三角形网格尺寸按最大10mm，最小2mm划分，根据划分好的表面网格自动生成体网格，共生成节点178473个，网格815411个，如图2—4所示；板料网格单元大小为10mm，如图5所示；模具选用各项同性弹塑性材料MAT12、板料选用切向各项异性弹塑性材料MAT37，设置材料属性时控制其壳单元的公式，选择2号Belytschko单元，此单元能最快的显示动力学壳单元；设置厚度方向3个积分点。定义边界条件：对凸模底部所有节点的六个自由度全部限制，凹模和压边圈只允许有Z方向的位移。初步定义凹模运动速度为1mm/ms,设置压边力110T。接触关系：模具各零部件间接触形式为双面接触，设置接触关系为自动接触，(*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)，分别为上模与板料、压边圈与板料、下模与板料,其中模具各部件均为主接触部件，板料为从接触部件，设置其摩擦系数为0.125，同时设置粘性阻尼系数VDC＝20来消除高频震荡。激活以下控制卡片CONTRO_ACCURACY；CONTRO_ADAPTIVE；CONTRO_BULK_VISCOSITY；CONTRO_CONTACT；CONTRO_ENERGY；CONTRO_HOURGLASS；CONTRO_OUTPUT；CONTRO_PARALLEL；CONTRO_RIGID；CONTRO_SOLID；CONTRO_TERMINATION；CONTRO_TIMESEPT；CONTRO_ABINARY_D3PLOT；CONTRO_OPTION。计算参数设置：设置D3Plot文件输出间隔设为10ms，即整个冲压行程分33个步输出。
其次经过反复调整冲压工艺后，最终得到满意的板料拉延后所处的状态如图6所示，最终确定工艺参数：定义凹模运动速度为2mm/ms,设置压边力120T。在冲压进行到不同阶段，各部件等效应力分布也有所不同，通过Hyperview后处理模块可以输出每一步各部件应力云图。板料拉伸阶段Z方向的载荷随模具行程的变化曲线如图7所示。根据图7可知在成型终止时，其Z方向成型力达到最大。当板料压到底时，各结构应力分布如图8—10所示。分别将其最大应力与材料允许的屈服强度进行比较，判断模具强度是否合理。从图8—10可知凹模所受等效应力达到207.5MPa，位置为拉延筋处，此位置也是凹模发生疲劳失效的危险位置。
最后根据上述分析结果可知，板料在压到底时凹模受的应力最大，因此对凹模进行疲劳分析。同时应力主要集中在模具结构的成型面上，因此在凹模的表面创建了覆盖实体单元的壳网格，并将冲压成型中最后一步模面的节点载荷信息提取出来，加载到optistruct模型中相应的节点上。在按以下步骤进行疲劳分析：
1)定义疲劳单元和材料：HT300的S-N曲线疲劳特性曲线如图11所示。
2)疲劳分析相关参数：应用应力疲劳分析方法；设置疲劳缺口系数Kf＝1；存活率为0.5；材料拉伸极限为300MPa；采用Goodman理论；
3)定义如图12所示载荷时程曲线；
4)疲劳寿命计算结果，凹模疲劳寿命云图如图13所示。
根据该模具要求，该凸模至少需要满足40万次的冲压次数.根据有限元分析结果可知该凹模疲劳寿命最少有61万次，满足要求。
在本实施例将板料和模具均设置为弹塑性体，根据实际情况设置接触、模具速度、约束、边界条件等即可进行计算。通过校核模具强度和疲劳寿命不仅仅可以分析出板料成形性效果，有效地保证模具结构设计的合理性，同时掌握起来也较简单，可以应用到实际模具设计中进行指导，从而缩短制造周期。
Claims (10)
1.一种基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：分析方法的步骤如下：
步骤一构建拉延仿真模型：利用软件UG导出凸模、凹模、压边圈和板料的stp格式；
步骤二利用Hypermesh对凹模、凸模、压边圈进行表面网格划分再自动生成四面体实体网格，板料划分成四边形网格；
步骤三将凹模、凸模、压边圈和板料均设定为弹塑性体，并定义材料、属性、边界条件、接触类型和输出卡片；
步骤四利用Hypermesh完成冲压过程的有限元仿真，将受力分析结果分多步输出，查看板料成型结果并确定冲压工艺参数，以输出冲压过程最后时刻为极限工况，对凸模、凹模和压边圈进行结构强度分析；
步骤五对凸模进行疲劳分析，利用后处理模块查看疲劳寿命和损伤结果云图。
2.根据权利要求1所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤一中将凸模、凹模、压边圈的材质选用为HT300；板料的材质选用为DP780，厚度为1.2mm。
3.根据权利要求1所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤二中对凹模、凸模、压边圈进行表面网格划分时指定表面三角形网格尺寸按最大10mm，最小0.5mm划分，再自动生成四面体实体网格；将板料的网格单元大小指定为10mm。
4.根据权利要求1所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤三中将凹模、凸模、压边圈的材料选用为各项同性弹塑性材料MAT12，这是一个低耗等向塑形模型，适合于三维实体，需设置其密度、剪切模量、屈服强度、切线模量和体积模量；板料选用为切向各项异性弹塑性材料MAT37，这个模型可以模拟各项异性板料成型过程，需设置其密度、泊松比、弹性模量、屈服强度和剪切模量和厚向异性指数。
5.根据权利要求4所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤三中设置板料属性时需控制其壳单元的公式，选择2号Belytschko单元，此单元能最快的显示动力学壳单元；设置厚度方向3个积分点。
6.根据权利要求5所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤三中边界条件为限定凸模底面所有节点的六个自由度，凸模和压边圈除Z方向的位移其余自由度全约束；初步定义凹模的运动速度为1mm/ms,设置压边力110T。
7.根据权利要求6所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法 ，其特征在于：所述步骤三中上模与板料、压边圈与板料、下模与板料的接触形式为双面接触，接触关系为自动接触，上模、压边圈和下模均为主接触部件，板料为从接触部件，设置其摩擦系数为0.125，同时设置粘性阻尼系数VDC＝20来消除高频震荡。
8.根据权利要求7所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤三需输出卡片有：CONTRO_ACCURACY；CONTRO_ADAPTIVE；CONTRO_BULK_VISCOSITY；CONTRO_CONTACT；CONTRO_ENERGY；CONTRO_HOURGLASS；CONTRO_OUTPUT；CONTRO_PARALLEL；CONTRO_RIGID；CONTRO_SOLID；
CONTRO_TERMINATION；CONTRO_TIMESEPT；CONTRO_ABINARY_D3PLOT；
CONTRO_OPTION。
9.根据权利要求1所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤四中设置D3Plot文件输出间隔设为10ms，整个冲压行程分33步输出，经过反复调整冲压工艺后，最终得到满意的板料拉延后所处的状态，最终确定工艺参数：定义凹模运动速度为2mm/ms,设置压边力120T。
10.根据权利要求1所述的基于显式动力学有限元方法的拉延模结构分析方法，其特征在于：所述步骤五中在凸模的表面创建覆盖实体单元的壳网格，将冲压成型中最后一步模面的节点载荷信息提取出来，加载到optistruct模型中相应的节点上；定义疲劳分析参数、疲劳单元和材料、载荷时程曲线后进行疲劳分析，应用应力疲劳分析方法，设置疲劳缺口系数Kf＝1，存活率为0.5，材料拉伸极限为300MPa，采用Goodman理论。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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