CN112100758A - 基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，根据CAE模拟得到的预拉伸结果，对局部坐标系中的离散位置特征曲线进行伸长量补偿，并通过动态显式算法进行成形仿真，最后对得到的加载路径进行细微调整，得到精确仿真结果。本发明能够准确模拟实际拉弯加载轨迹，从而提高拉弯成形仿真结果精度与效率的方法。

Description

基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法
技术领域
本发明涉及一种机械加工领域的技术，具体是一种基于局部坐标系加载方式的型材拉弯成形的仿真预测方法。
背景技术
型材拉弯工艺加载过程复杂，实际加工制造中为满足零件设计精度，需要花费大量人力物力对工艺过程进行调试。目前，随着定制产品的多样性，拉弯型材的毛坯从简单截面向复杂薄壁截面特征发展，拉弯型材几何特征也表现出纵向长度长(长度超过1000mm)、弯曲曲率半径变化大(从2000mm到5000mm变化)的新特点。目前型材拉弯加工的方式主要有转台式拉弯、张臂式拉弯与柔性拉弯，其中柔性拉弯由于可实现变曲率半径弯曲、成形性能好等优势被应用广泛，其加载过程是利用夹具夹持板料一端进行轴向预拉伸，达到材料塑性屈服后，夹具开始带动板料按照一定轨迹拉伸，使得零件弯曲成形，最后根据零件成形状态进行补拉，运动过程中轴向加载的引伸力不变。型材拉弯成形分析主要方法分为理论计算与有限元仿真计算，由于拉弯工艺过程与产品设计本身的复杂性，理论计算无法准确求解，计算机辅助工程(CAE)技术的优势突出。为提高仿真精度，需要能够准确模拟拉弯成形过程，建立与实际加载工况一致的仿真模型，由于拉弯夹具的位置坐标难以根据实际情况获取，且轴向恒力的加载与全局坐标系下的同方向位移不可以同时施加等问题，对仿真方法的建立提出了较高的要求。目前常见仿真方法为导轨约束方法，其根据板料截面形状与提取的轨迹路径生成了夹具运动的轨道，但这直接限制了夹具的运动路径与夹具的转动自由度，导轨与夹具之间存在接触力，且由于板料轴向变形不确定，建立导轨的轴向长度也不确定。
现有的拉弯成形仿真方法基于位移控制，实际工况中是力与位移同时控制，现有的导轨约束方式不能准确预测拉伸位移的变化。因此如何基于CAE仿真技术，真实反映加载过程中的夹具空间位置以及加载方式准确地施加拉弯成形的载荷，是保证仿真预测精度与效率的关键。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，能够准确模拟实际拉弯加载轨迹，从而提高拉弯成形仿真结果精度与效率的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，根据CAE模拟得到的预拉伸结果，对局部坐标系中的离散位置特征曲线进行伸长量补偿，并通过动态显式算法进行成形仿真，最后对得到的加载路径进行细微调整，得到精确仿真结果。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：预拉伸仿真单元、加载路径提取单元、拉弯成形仿真单元以及结果评估及修正单元，其中：预拉伸仿真单元与加载路径提取单元相连并传输预拉成形后的板料伸长量信息，加载路径提取单元与拉弯成形仿真单元相连并传输拉弯成形中拉弯轨迹的板料宽度方向-板料厚度方向的位移数据与局部坐标系转动参数信息，拉弯成形单元与结果评估及修正单元相连并传输初始加载路径下板料宽度方向-板料厚度方向的位移误差信息，结果评估及修正单元与加载路径提取单元相连并传输相应位移修正量信息。
所述的局部坐标系，具体为CAE中的夹具模型上建立的坐标系，其X’方向为板料夹持端的长度方向，Y’为板料宽度方向，Z’为板料厚度方向。
技术效果
本发明整体解决现有技术无法高效准确地仿真拉弯成形过程的技术问题。
与现有技术相比，本发明采用预拉结果对数模中板料的特征曲线进行伸长量补偿并获取不同位置处的坐标与转动参数等以完成加载路径参数的提取，相比解析求解等简化了加载路径提取方式；采用局部坐标系的加载方式，伸力始终沿轴向加载，另外两个方向沿YZ坐标进行位移控制，相比导轨约束法不会由于导轨长度等限制夹具的转动，也不会产生额外的载荷，保证了加载方式与实际工况相同，从而在CAE中实现了与实际工况相同的加载方式，为拉弯成形结果的准确性提供了保证，提高了产品设计与调试的效率。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为实施例加载条件参数提取示意图；
图3为实施例CAE模型装配示意图；
图中：1夹具、2拉弯过程中板料在离散位置的特征曲线、3拉弯模具、4局部坐标系、5全局坐标系、6夹具参考点、7模具参考点。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据拉弯成形产品所设计的初始坯料形状与尺寸，对其进行网格划分后，将网格模型与材料参数导入CAE，进行板料拉弯成形过程中的预拉仿真，获得预拉后的变形结果。
优选地，为了保证成形精度，网格在厚度方向上的层数划分3-5层，本实施例中为五层网格，网格最小尺寸为0.5mm。
考虑到材料在成形过程中会经历拉压不同的状态，需考虑包辛格效应，因此材料模型采用Lemaitre和Chaboche随动强化模型，具体为：
Figure BDA0002633820730000021
其中：αij为背应力张量，σij为应力张量、σe为Mises等效应力、εp为塑性应变、C、γ为待拟合参数。
在单向拉伸实验数据基础上进行参数拟合，材料基本参数与模型拟合参数如表1所示。
表1材料性能基本参数
Figure BDA0002633820730000031
预拉过程仿真采用动态显式算法进行计算，且质量缩放系数设为25以进一步提高仿真计算的效率。
板料末端采用根据板料截面设计的拉弯夹具进行夹持，设置夹具为刚体，夹具参考点为拉弯设计数模中板料特征曲线的末端点，加载路径相关参数都基于此参考点，板料末端与拉弯夹具为Tie约束。仿真中，施加3000N的轴向拉力。
提交计算后获取预拉仿真的变形结果，提取板料的轴向伸长量。
步骤二、提取夹具运动过程中板料在离散位置的特征曲线作为拉弯过程中的状态，离散位置即拉弯中间过程中特定时间点下的板料位置，特征曲线分为贴模曲线部分和相切于模具的直线部分，由于数模中提取的特征曲线长度为板料原长，因此结合预拉变形结果中的板料伸长量对直线部分进行线性延长，即直线长度加上预拉过程后的伸长量，以此获得恒力加载下板料加载过程中的近似状态。根据板料截面形状与延长后的曲线位置重构夹具模型，因为轴向施加拉力，因此只需要曲线在Y’与Z’方向上的位移，通过读取曲线末端点即夹具参考点在全局坐标系下不同位置的坐标差来获取加载路径Y’和Z’方向的位移参数。板料在不同位置处的位姿不同，即夹具会在拉弯过程中发生转动，通过读取夹具姿态的改变来获取夹具在三个转动自由度方向上角度差值作为加载路径过程中的转动参数。
拉弯过程中离散位置的特征曲线如图2所示。
步骤三、将步骤二获得的加载路径参数导入CAE中，在夹具上建立局部坐标系，如图3所示，在仿真中施加与实际加载相同的轴向恒力，切向Y’和竖直Z’方向采用步骤二中所获得的对应方向上的位移参数，同时X’Y’Z’三方向上的转动参数采用步骤二中获取的转动参数。
所述的局部坐标系，其坐标原点为夹具的参考点，力与位移的边界条件也施加在此参考点上，局部坐标系的X’方向即为夹具的轴向负方向，Z’方向与全局坐标系Z方向相同，Y’方向为自动生成，拉弯过程中Y’方向与Z’方向与全局坐标系对应Y和Z方向近似平行，全局坐标系下的坐标差与局部坐标系下的坐标差近似相等，因此步骤二中全局坐标系下的位移参数与转动参数可认为是局部坐标系下对应的加载路径参数。
所述的局部坐标系，随着夹具本身位置的变化而调整，从而能够保证在模拟过程中，夹具始终受到沿其轴向的恒力，其余两个方向受位移约束。这种加载方式保证了与实际工况相同，本方法与生成导轨的方式不同，导轨实际上会与夹具产生接触，成形过程中会受到额外的载荷作用。
步骤四、如图3所示，根据实际情况设置待测板料与拉弯模具之间的接触参数。
所述的接触参数包括：仿真中的接触类型设为通用的表面接触、板料与模具之间的摩擦系数设为0.15。
所述的拉弯成形过程仿真计算采用动态显式算法，且质量缩放系数设为25以进一步提高仿真计算的效率。
步骤五、基于步骤四设置的参数进行拉弯成形过程仿真计算，得到近似的拉弯成形仿真过程，然后基于成形结果的贴模性进行评估，对超过图纸规定范围进行细微调整，从而得到符合实际工况的成形仿真模型。
所述的评估，具体为：根据初始仿真结果的贴模效果，主要是板料末端与拉弯模具之间各方向的间隙位移指标进行评价，计算工件YZ方向的坐标与理论模具坐标距离，超过图纸规定范围进行细微调整。
所述的细微调整，具体为：通过读取仿真中板料与拉弯模具之间Y和Z方向的位移间隙，在近似加载路径参数中对这两个方向的位移参数进行相应的调整。当板料弯曲不足，间隙较大时，需要对加载路径参数中Y’和Z’方向上位移进行增加，当板料过弯曲时，需要适当减小Y’和Z’方向上的位移。调整方式为根据相差量一次性调整完毕，再进行第二次微调。由此得到符合实际工况的加载条件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.对于拉弯轨迹的获取，只需进行预拉过程仿真，结合拉弯运动过程中的特征曲线，便可以获取夹具位置，试验表明，这种方法获取的位移量具有一定的准确度，最终只需要通过较小的位移补偿便可达到与实际加载相似的效果。相比生成导轨的方式，本方法对离散位置特征曲线的要求不高，不需要考虑型材的复杂截面，只需要提取预拉变形补偿后的夹具坐标，最后进行位移微调即可，因此获取拉弯轨迹方式的效率会更高；
2.基于局部坐标系施加载荷的方式，避免了同一方向上力与位移不可同时施加的问题，且局部坐标系会随着计算不断更新，保证了仿真中的加载方式与实际工况等效；
3.本方法建立的拉弯成形过程与实际工况类似，仿真结果符合实际拉弯成形结果，提高了对新产品拉弯轨迹的调试效率，可对实际的加工生产进行指导，提高生产效率并减少成本。
以上操作中为本发明独创、从未被公开且其工作方式与任何现有文献记载均不相同的是：型材拉弯加载路径参数的提取与CAE仿真中边界条件的施加方式。
所述的型材拉弯加载路径参数提取与仿真边界条件施加方式的技术细节具体为：通过预拉仿真，对拉弯过程的特征曲线进行变形量的补偿，获得实际拉弯过程中板料的近似位置，从而提取拉弯加载路径参数；通过在CAE中建立拉弯夹具局部坐标系，在板料长度方向施加恒力，宽度方向Y’和厚度方向Z’方向采用位移控制，同时考虑了夹具的转动，且避免了力与位移在同一方向上不能同时施加的问题，实现了与实际工况相同的加载方式。
经过具体实际实验，针对某种拉弯型材，在相同的仿真环境设置与相同的材料参数下，以提取的不同的加载路径参数运行上述方法，能够得到的仿真结果与设计目标对比如表2，其中加载路径01为初始提取的路径，加载路径02为经过一次位移修正后的路径，加载路径03为二次微调后的路径，表中Y和Z方向误差为板料特征曲线的末端点与对应的贴模位置之间的位移差，最大位移为实际加载路径参数中各方向上的最大位移量，合成误差即为末端点在YZ平面上与对应贴模位置点的距离。
表2不同加载路径下的仿真结果评估
Figure BDA0002633820730000051
从表2中可以看出，采用上述的路径提取与仿真方法只需要对加载路径中Y’和Z’方向位移的细微调整即可满足设计目标，获得贴模效果较好的结果。
与现有技术相比，本方法简化了提取拉弯加载路径参数的方式，不同于现有的导轨约束方法，无需基于要求较高的离散曲线位置进行导轨的生成，提高了加载路径参数提取的效率的同时，本发明建立了符合实际工况的模型，保证了成形结果的准确性，为后续的分析提供了保证，提高了产品设计与调试的效率，采用与实际工况一致的加载方式，轴向施加恒力，切向与竖直方向施加位移控制，不同于现有的导轨约束方法，导轨会对夹具产生额外的载荷作用，导轨路径的正确性需要精确的离散位置进行保证，且对于导轨生成的轴向长度也未作说明。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征在于，根据CAE模拟得到的预拉伸结果，对局部坐标系中的离散位置特征曲线进行伸长量补偿，并通过动态显式算法进行成形仿真，最后对得到的加载路径进行细微调整，得到精确仿真结果；
所述的局部坐标系，具体为CAE中的夹具模型上建立的坐标系，其X’方向为板料夹持端的长度方向，Y’为板料宽度方向，Z’为板料厚度方向。
2.根据权利要求1所述的基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征是，具体包括：
步骤一、根据拉弯成形产品所设计的初始坯料形状与尺寸，对其进行网格划分后，将网格模型与材料参数导入CAE，进行板料拉弯成形过程中的预拉仿真，获得预拉后的变形结果；
步骤二、提取夹具运动过程中板料在离散位置的特征曲线作为拉弯过程中的状态，结合预拉变形结果中的板料伸长量对直线部分进行线性延长，即直线长度加上预拉过程后的伸长量，以此获得恒力加载下板料加载过程中的近似状态，根据板料截面形状与延长后的曲线位置重构夹具模型，通过读取曲线末端点即夹具参考点在全局坐标系下不同位置的坐标差来获取加载路径参数，其中：离散位置即拉弯中间过程中特定时间点下的板料位置，特征曲线分为贴模曲线部分和相切于模具的直线部分；
步骤三、将步骤二获得的加载路径参数导入CAE中，在夹具上建立局部坐标系；
步骤四、根据实际情况设置待测板料与拉弯模具之间的接触参数；
步骤五、基于步骤四设置的参数进行拉弯成形过程仿真计算，得到近似的拉弯成形仿真过程，然后基于成形结果的贴模性进行评估，对超过图纸规定范围进行细微调整，从而得到符合实际工况的成形仿真模型。
3.根据权利要求2所述的基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征是，为了保证成形精度，网格在厚度方向上的层数划分3-5层，网格最小尺寸为0.5mm。
4.根据权利要求2所述的基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征是，所述的模型采用Lemaitre和Chaboche随动强化模型，具体为：
Figure FDA0002633820720000011
Figure FDA0002633820720000012
其中：αij为背应力张量，σij为应力张量、σe为Mises等效应力、εp为塑性应变、C、γ为待拟合参数。
5.根据权利要求2所述的基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征是，因为轴向施加拉力，因此只需要曲线在Y’与Z’方向上的位移，通过读取曲线末端点即夹具参考点在全局坐标系下不同位置的坐标差来获取加载路径Y’和Z’方向的位移参数，板料在不同位置处的位姿不同，即夹具会在拉弯过程中发生转动，通过读取夹具姿态的改变来获取夹具在三个转动自由度方向上角度差值作为加载路径过程中的转动参数；在仿真中施加与实际加载相同的轴向恒力，切向Y’和竖直Z’方向采用步骤二中所获得的对应方向上的位移参数，同时X’Y’Z’三方向上的转动参数采用步骤二中获取的转动参数。
6.根据权利要求2所述的基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征是，所述的接触参数包括：仿真中的接触类型设为通用的表面接触、板料与模具之间的摩擦系数设为0.15。
7.根据权利要求2所述的基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征是，所述的评估，具体为：根据初始仿真结果的贴模效果，对板料末端与拉弯模具之间各方向的间隙位移指标进行评价，计算工件YZ方向的坐标与理论模具坐标距离。
8.根据权利要求2所述的基于局部坐标系加载的型材拉弯成形精确仿真方法，其特征是，所述的细微调整，具体为：通过读取仿真中板料与拉弯模具之间Y和Z方向的位移间隙，在近似加载路径参数中对这两个方向的位移参数进行相应的调整，当板料弯曲不足，间隙较大时，需要对加载路径参数中Y’和Z’方向上位移进行增加，当板料过弯曲时，需要适当减小Y’和Z’方向上的位移，调整方式为根据相差量一次性调整完毕，再进行第二次微调，由此得到符合实际工况的加载条件。
9.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：预拉伸仿真单元、加载路径提取单元、拉弯成形仿真单元以及结果评估及修正单元，其中：预拉伸仿真单元与加载路径提取单元相连并传输预拉成形后的板料伸长量信息，加载路径提取单元与拉弯成形仿真单元相连并传输拉弯成形中拉弯轨迹的板料宽度方向-板料厚度方向的位移数据与局部坐标系转动参数信息，拉弯成形单元与结果评估及修正单元相连并传输初始加载路径下板料宽度方向-板料厚度方向的位移误差信息，结果评估及修正单元与加载路径提取单元相连并传输相应位移修正量信息。
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