CN110457755A - 一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了压型件技术领域的一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，旨在解决现有技术中轨道车辆压型件毛坯预示依靠工人经验、开发周期长、成本高的技术问题，对压型件的模型抽取能反应其主体形状的某一个表面作为分析对象；设置板料壁厚以及板料属性；对抽取的压型件的模型表面进行网格划分，并通过等距偏置算法获得模型的中性层网格；设置分析参数，建立有限元平衡方程，获得预示的轮廓线的外围节点的信息；依据外围节点的信息绘制样条线，得到展开后的毛坯预示边界线。本发明所述轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，能够快速、准确地对压型件进行毛坯预示，减少了试模次数，大大缩短了开发周期，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于压型件技术领域，具体涉及一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法。
背景技术
随着轨道列车运营时间和速度的不断提高，对车辆运行安全性和舒适度提出了更高要求。而轨道车辆的结构件大多由压型件构成，压型件具有刚度大、表面平整、自重轻、外观美观、制造简单等优点。压型件的成形质量好坏对列车的稳定性和安全性有很大的影响。钣金零件毛坯的精确预示对控制零件的成形精度和制造成本有着重要意义，因此，在成形之前获得钣金零件毛坯的精确预示是保证成形质量的重要组成部分。
毛坯展开时的分析参数以及毛坯材料和零件模型的网格等都影响着毛坯预示结果的精确度，只有各种参数匹配适当时，才能得到精确的毛坯预示结果。在轨道车辆钣金零件毛坯展开方面，目前多采用经验法和实验修正相结合的方法获得毛坯展开的近似几何形状。使用经验法对钣金零件毛坯预示存在着完全依靠工人经验、开发周期长和成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，以解决现有技术中轨道车辆压型件毛坯预示依靠工人经验、开发周期长、成本高的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，包括以下步骤：
a、对压型件的模型抽取能反应其主体形状的某一个面作为分析对象；
b、设置板料壁厚以及板料属性；
c、对抽取的压型件的模型面进行网格划分，若抽取为内表面或外表面时需通过等距偏置算法获得模型的中性层网格，若抽取面为中性面，无需偏置；
d、设置分析参数，建立有限元平衡方程，获得预示的轮廓线的外围节点的信息；
e、依据外围节点的信息绘制样条线，得到展开后的毛坯预示边界线。
所述步骤d包括以下步骤：
da、采用几何反向变形有限元法，不考虑板料的毛坯网格为初始解的求解方法，给一步逆成形有限元法快速准确的提供一个较为符合要求的初始解；
db、根据初始解的毛坯网格、板料属性以及分析参数，得到每个网格节点的塑性应变和应力，计算得到作用在节点上的内力和外力；
dc、根据每个网格节点的外力以及预设的摩擦系数得到每个节点的摩擦力；
dd、建立有限元平衡方程；
de、以预设的收敛准则求解有限元平衡方程，对初始解进行修正，得到最终考虑成形过程和板料属性的毛坯网格。
所述收敛准则如下：
当某一迭代步计算出所有压型件网格节点残余力向量范数小于上一步相应值，但二者差值大于预定值，则进行下一步迭代，直到二者差值小于预定值，认为迭代收敛；
当某一迭代步计算出所有压型件节点残余力向量范数大于上一步相应值或迭代步数超过所设定的最大迭代步，认为迭代发散。
所述网格划分的方法是：
首先选定需要划分的零件，即压型件，并赋予网格划分的参数，包括单元类型、单元大小、最小单元大小、弦高；
再进行几何清理与几何简化工作，包括针对一些有不重要的孔洞或缺陷的曲面进行补孔操作；
最后进行网格编辑，生成网格模型。
所述等距偏置算法是：
首先计算每一个单元的法线与成形方向的单元夹角θ，当cosθ>0，保持其现有法线方向，当cosθ<0，将该单元的法线方向翻转180°；
再设定外表面或内表面的节点坐标为(x，y，z)，偏置后的节点坐标为(x1，y1，z1)，通过坐标变换，即原坐标分量沿法线方向移动一半厚度值，将外表面或内表面的节点偏置到中性层上。
所述板料壁厚为板料的原始厚度。
所述板料属性包括杨氏模量、泊松比、屈服强度、密度。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明所述轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，能够快速、准确地对压型件进行毛坯预示，减少了试模次数，大大缩短了开发周期，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法的压型件的模型示意图；
图3是通过本发明实施例提供的一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法得到的压型件网格划分示意图；
图4是通过本发明实施例提供的一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法得到的压型件的展开线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法主要包括以下步骤：
a、对压型件的模型抽取能反应其主体形状的某一个面作为分析对象；对于实体模型抽取面可以是外表面，也可以是内表面，对于曲面模型还可以是中性面；
b、设置板料壁厚以及板料属性；
c、对抽取的压型件的模型面进行网格划分，若抽取为内表面或外表面时需通过等距偏置算法获得模型的中性层网格，若抽取面为中性面，无需偏置；
d、设置分析参数，建立有限元平衡方程，获得预示的轮廓线的外围节点的信息；
e、依据外围节点的信息绘制样条线，得到展开后的毛坯预示边界线。
在本实施例中，选取的压型件结构形状如图2所示，应用三维软件建立压型件三维模型，将三维模型导入到毛坯快速预示分析软件中，此压型件模型为有一定厚度的曲面，对压型件的模型提取外表面。
设置压型件的板料参数及板料初始厚度，本实施例的压型件厚度为2mm，材料为Q345钢，弹性模量为204GPa，泊松比为0.332，密度为7830kg/m3，强化系数为794.33MPa，硬化指数为0.32，屈服强度340MPa左右。
网格划分首先选定需要划分的零件，即压型件，并赋予网格划分的参数，包括单元类型、单元大小、最小单元大小、弦高；再进行几何清理与几何简化工作，包括针对一些有不重要的孔洞或缺陷的曲面进行补孔操作；最后进行网格编辑，生成网格模型。本实施例考虑到毛坯预测的精度以及毛坯预测的时长，设置压型件的网格尺寸为3mm，压型件网格为四边形与三角形混合网格，最小单元大小、弦高采用软件默认值，压型件网格模型示意图如图3所示，压型件模型网格总数为7663。本实例选用的模型为压型件的外表面模型，通过等距偏置算法获得零件的中性层网格。首先进行压型件单元法线的调整，具体方法为计算每一个单元的法线与成形方向的单元夹角θ与cosθ，当cosθ>0，保持其现有法线方向，当cosθ<0，将该单元的法线方向翻转180°，最终所有单元的法线方向一致(向内或向外)；设外表面的节点坐标为(x，y，z)，偏置后的节点坐标为(x1，y1，z1)，通过坐标变换，即原坐标分量沿法线方向移动一半厚度值，将外表面或内表面的节点偏置到中性层面上，具体可通过如下公式计算：
其中，y方向和z方向也可用上式进行求解，仅需将x1和x分别替换为y1和y，z1和z，上式中nx、ny、nz为节点法线方向分量，d为板料初始厚度。
设定分析参数，包括压边力、最大迭代步、摩擦系数等参数，然后将网格模型与分析参数提交到求解器，进行预示求解计算，生成预示的轮廓线的点的信息文件，本实施例设置压边力为2000N，最大迭代步为100步，摩擦系数为0.175。
一个与结果接近的初始解可以保证计算收敛，提高计算效率，在此提出一种考虑变形过程的几何反向变形有限元法，即与成形过程相反的逆过程，不考虑材料塑性变形的因素，将网格节点根据变形过程一一映射到初始坯料上，形成初始坯料网格，将此坯料网格作为初始解进行有限元求解。
根据初始解网格，板料参数以及预设的压边力，得到每个网格节点的塑性应变和应力，计算得到作用在节点上的内力和外力。根据每个网格节点的外力以及预设的摩擦系数得到每个节点的摩擦力。根据虚功原理，建立初始毛坯网格所有节点内力、外力和摩擦力所做的功之和为0的有限元平衡方程。
以预设的收敛准则求解有限元平衡方程，对初始解进行修正，得到最终考虑成形过程和板料参数的毛坯网格，获得预示的轮廓线的外围节点的信息。
本实施例选用收敛准则如下：当某一迭代步计算出所有压型件网格节点残余力向量范数小于上一步相应值，但二者差值大于预定值，则进行下一步迭代，直到二者差值小于预定值，可认为迭代收敛，若某一迭代步计算出所有压型件网格节点残余力向量范数大于上一步相应值或迭代步数超过所设定的最大迭代步，可认为迭代发散。当迭代失败时认为毛坯预示不满足要求，需要调整工艺参数。当计算收敛时，可得到最终的毛坯预示边界线。
依据外围节点的信息绘制样条线，得到展开后的毛坯预示边界线，如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，其特征是，包括以下步骤：
a、对压型件的模型抽取能反应其主体形状的某一个面作为分析对象；
b、设置板料壁厚以及板料属性；
c、对抽取的压型件的模型面进行网格划分，若抽取为内表面或外表面时需通过等距偏置算法获得模型的中性层网格，若抽取面为中性面，无需偏置；
d、设置分析参数，建立有限元平衡方程，获得预示的轮廓线的外围节点的信息；
e、依据外围节点的信息绘制样条线，得到展开后的毛坯预示边界线。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，其特征是，所述步骤d包括以下步骤：
da、采用几何反向变形有限元法，不考虑板料的毛坯网格为初始解的求解方法，给一步逆成形有限元法快速准确的提供一个较为符合要求的初始解；
db、根据初始解的毛坯网格、板料属性以及分析参数，得到每个网格节点的塑性应变和应力，计算得到作用在节点上的内力和外力；
dc、根据每个网格节点的外力以及预设的摩擦系数得到每个节点的摩擦力；
dd、建立有限元平衡方程；
de、以预设的收敛准则求解有限元平衡方程，对初始解进行修正，得到最终考虑成形过程和板料属性的毛坯网格。
3.根据权利要求2所述的轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，其特征是，所述收敛准则如下：
当某一迭代步计算出所有压型件网格节点残余力向量范数小于上一步相应值，但二者差值大于预定值，则进行下一步迭代，直到二者差值小于预定值，认为迭代收敛；
当某一迭代步计算出所有压型件节点残余力向量范数大于上一步相应值或迭代步数超过所设定的最大迭代步，认为迭代发散。
4.根据权利要求1所述的轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，其特征是，所述网格划分的方法是：
首先选定需要划分的零件，即压型件，并赋予网格划分的参数，包括单元类型、单元大小、最小单元大小、弦高；
再进行几何清理与几何简化工作，包括针对一些有不重要的孔洞或缺陷的曲面进行补孔操作；
最后进行网格编辑，生成网格模型。
5.根据权利要求1所述的轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，其特征是，所述等距偏置算法是：
首先计算每一个单元的法线与成形方向的单元夹角θ，当cosθ>0，保持其现有法线方向，当cosθ<0，将该单元的法线方向翻转180°；
再设定外表面或内表面的节点坐标为（x，y，z），偏置后的节点坐标为（x1，y1，z1），通过坐标变换，即原坐标分量沿法线方向移动一半厚度值，将外表面或内表面的节点偏置到中性层上。
6.根据权利要求1所述的轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，其特征是，所述板料壁厚为板料的原始厚度。
7.根据权利要求1或2所述的轨道车辆压型件毛坯快速预示方法，其特征是，所述板料属性包括杨氏模量、泊松比、屈服强度、密度。
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