CN112699539B - 一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法，属于冲压工艺方法技术领域。本发明的技术方案是：把实体的质量和质心和冲压力大小及合力作用点进行关联映射,利用三维设计软件对管道体及平面拉拔体两种实体模型进行创建和实体属性分析；给出冲压力分析模型中的管道体及平面拉拔体的建模参数及实体密度设置方法，提供建模及分析步骤，使得冲压力大小及合力作用点的确定和建模实体质量和质心精准映射。本发明的有益效果是：简化了冲压力的分析过程，使得冲压力大小及合力作用点的步骤确定简明，效率极大提升。

Description

一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法

技术领域

本发明涉及一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法，属于冲压工艺方法技术领域。

背景技术

确定冲压力及其合力中心点是制定冲压工艺和模具设计的基础。传统的冲压力及合力作用点的确定都是基于冲压力沿曲线或在面积上分布，为了得到冲压力及其作用点需要将冲压力作用的轮廓线或作用面积区域分解成规则几何曲线段或规则面积区域，以便于确定各个单元的冲压力的大小和作用点后再进行力的大小累加和加权确定合力作用点的。随着现代产品现状的复杂化，传统的方法效率很低，很多情况甚至无法计算。随着冲压成形工艺分析软件的发展，也只能在耗时长和处理复杂的工艺模拟后得到某个时段的冲压力大小，但确定不了计算冲压合力作用点。

一.常规的冲压力及合力作用点的确定方法

冲压力按照加工特性可分为在冲压力和成形力两大类；冲压力按照力的分布特点也可分为两大类：一类是冲压力沿曲线分布，另一类是在面积区域上分布，冲压力及合力作用点的确定要么基于冲压力轮廓线，要么基于冲压力作用的面积区域来确定。工程上认定冲压力沿曲线分布，而成形力可以是沿曲线分布，也可以在区域面积上分布。冲压力及合力作用点的确定方法会因设计人员选用的标准而有所差异，但基本原则是一致的。下面给出冲压力计算的通用表达式。

1.沿曲线分布的冲压力的计算方法

沿曲线分布的冲压力的计算公式如下

P＝K×L×T×σb

公式(1)

其中L为冲压力作用的廓长度，T为料厚，σb为材料抗拉强度，K为考虑安全系数和冲压特点的综合系数(与选用的设计标准有关)。

2.在面积区域分布的冲压力的计算公式如下

P＝K×S×σp 公式(2)

其中S成形区的沿成形方向的投影面积，σp为单位面上所需的冲压，K为考虑安全系数和冲压特点的综合系数(与选用的设计标准有关)。

3.传统冲压合力及其作用点的确定方法

常规冲压合力的计算相对简单，可以按照公式(1)及(2)来累计某个时间点同时存在的冲压力即可，其中冲压力作用的廓长度L及成形力沿成形方向的投影面积S的计算需要分解为规则的几何曲线和平面形状面积来计算，因而无法处理带有自由曲线轮廓或复杂面积形状的冲压力计算。

从理论上讲，冲压合力作用点的分量(x,y)可根据求解平行力系的合力作用点的原理来计算，公式如下：

其中的Fi为按单元求解的冲压分力，Xi及Yi为各冲压分力合力的作用点。

传统的冲压合力作用点的确定需要将冲压力所作用的轮廓线或面积分解为常规解曲线和面积以便于确定各个力单元的作用点，当冲压力的作用线和面积形状复杂时，工作将十分繁琐甚至无法进行。下面附有规则形状的冲压合力计算案例，从中可见，即便是处理规则形状，计算也是十分繁琐了。

二.常规的冲压力及合力作用点的确定方法的案例介绍

1.用传统的几何法求解法计算冲压合力作用点的一个案例

下面以图1所示案例为例介绍用几何法求解法计算冲压合力作用点(仅限平刃口方式)过程；后面还将用此案例来验证本专利的高效性。

当用公式(3)、(4)处理沿轮廓线均布冲压力时，其可简化为：

其中Li为按单元求解后的冲压分力作用的弧长长度。

上述案例合力作用点求解步骤：

a.将冲压轮廓分解为规则几何元素：外轮廓3段单独的直线和一个圆弧；

内轮廓是一个正方形

b.分别计算各规则几何形状段的弧长及其质心

c.按公式(5)和(6)计算合力作用点的X及Y方向分量(Y＝0),

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可见上面的冲压合力点的确定方法较为繁琐，若是处理自由曲线轮廓的情况就会更可能，甚至无法处理。

2.用传统的作图法求解冲压力合力作用点的一个案例

以下面以图2为例说明用传统的作图法求解冲压力合力作用点的方法和步骤：

a.将冲压轮廓分成段，使被分割的各个部分能够决定各自轮廓的质心。

b.将轮廓分为五个部分

c.由五部分的质心(冲压中心)向xy方向上作垂线

d.由任意点A画出x轴，y轴

e.根据分割部分质心位置的顺序，按各部分的冲压轮廓长度顺序取点

f.将各点与任一点B点连接

g.首先求解x0方向的合力作用点坐标分量，由E点做线EG，使之平行于AB

h.由E点作直线a的平行线，求出以下面垂直线的交点

i.由这一点顺序作b、c、d线的平行线，求出F点

j.由F点作BC线的平行线，求出与EG的交点G

k.由G点向x轴作垂直线，得到合力作用点的x0分量

l.用同样的方法求出合力作用点y0分量。

m.过x0和y0的2条正交线的交点即为合力作用点。

显然，上述求解方法也十分繁琐；同样不太适合自由曲线轮廓的情况。

发明内容

本发明目的是提供一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法，在保持冲压力及其作用点传统的确定方法的前提下，利用常规三维造型工业软件快速建立简单的管道或平面拉拔薄片实体模型，再通过简明设置实体的参数，使冲压力大小及冲压合力作用点形成和实体质量属性真的质量及质心相互映射，最后查询实体质量属性就能直接得到冲压力大小及冲压合力作用点；由于管道体或平面拉拔薄体的创建方法简单，只需选取曲线就能完成，避免了传统方法需要将冲压力轮廓线或作用面积区域分解成规则几何曲线段或规则区域的繁琐工作，而且实体质量属性只需查询命令即可完成，十分简明高效，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法，包含以下步骤：步骤一，把实体的质量和质心和冲压力大小及合力作用点进行关联映射，把复杂繁琐的冲压力大小及合力作用点的确定转变为查询实体的质量和质心；步骤二，利用三维设计软件对管道体及平面拉拔体两种实体模型进行创建和实体属性分析；步骤三，给出冲压力分析模型中的管道体及平面拉拔体的建模参数及实体密度设置方法，提供建模及分析步骤，使得冲压力大小及合力作用点的确定和建模实体质量和质心精准映射。

所述步骤三中，包含以下步骤：

(1)沿曲线分布的冲压力及其合力作用点的确定：在三维建模软件中，沿冲压力作用的轮廓线建立实心的管道体；参数化设置管道体的直径d和密度ρ，使实体体积属性中质量和质心的查询值与冲裁力及其合力作用中心位置在数值上形成对等映射关系；直接由体积属性查询得到冲裁力及其合力作用中心点位置；

(2)基于面积及单位面积的成形力及其合力作用点的确定：在三维建模软件中，将成形区域轮廓边界线沿成形方向用投影方法或用草绘的方法绘制一平面区域，然后用拉伸命令完成厚度为1mm的薄板体；设置薄板体的密度ρ＝10^8×σi,其中σi的大小为成形区单位面积上要求加载的成形压力；查询制作的薄板体的质量和质心属性，则质量和质心质量分别对应成形力的大小和成形力合力作用点；

(3)同时存在沿线和在面积作用的冲压力及其合力作用点的确定：弄清楚在某个瞬态有哪些力同时发生，按步骤(1)和步骤(2)对应建立计算模型，通过体积属性查询冲压力大小及其合力作用中心位置。

所述步骤(1)中，具体的参数设定方法和实施步骤如下：

a.以d＝2×SQRT(π)作为管道体的直径：

b.沿冲裁轮廓线创建单位面积为1MM^2一个或若干个管道体：

c.设置管道体实体密度值为(10^8)×(T×σ_b)，其中σ_b为抗拉强度，单位取MPa；

d.通过体积属性查询命令查询得到的质量与质心，就是冲压力大小及其合力作用中心位置。

本发明的有益效果是：在保持冲压力及其作用点传统的确定方法的前提下，利用常规三维造型工业软件快速建立简单的管道或平面拉拔薄片实体模型，再通过简明设置实体的参数，使冲压力大小及冲压合力作用点形成和实体质量属性真的质量及质心相互映射，最后查询实体质量属性就能直接得到冲压力大小及冲压合力作用点；由于管道体或平面拉拔薄体的创建方法简单，只需选取曲线就能完成，避免了传统方法需要将冲压力轮廓线或作用面积区域分解成规则几何曲线段或规则区域的繁琐工作，而且实体质量属性只需查询命令即可完成，十分简明高效。

附图说明

图1是本发明背景技术几何法求解冲压力合力作用点的案例示意图；

图2是本发明背景技术图解法求解冲压力合力作用点的案例示意图；

图3是本发明冲压力求解用的管道模型；

图4是本发明在CAD软件中查询管道体的属性信息；

图5是本发明某拉延工艺冲压力及其合力作用点的工艺模型图；

图6是本发明图5案例中计算冲压合力及其合力作用点在CAD软件中查询管道体和平面区域薄体的质量属性信息图；

图7本发明图5案例中确定拉延力合力及其合力作用点在CAD软件中查询管道体和平面区域薄体的质量属性信息图；

图中：坐标原点1、合力中心点2、板料毛坯轮廓3、切角线4、拉延凸模轮廓5、板料毛坯轮廓和拉延凸模轮廓投影在水平面上的投影区6。

具体实施方式

为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护范围。

一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法，包含以下步骤：步骤一，把实体的质量和质心和冲压力大小及合力作用点进行关联映射，把复杂繁琐的冲压力大小及合力作用点的确定转变为查询实体的质量和质心；步骤二，利用三维设计软件对管道体及平面拉拔体两种实体模型进行创建和实体属性分析；步骤三，给出冲压力分析模型中的管道体及平面拉拔体的建模参数及实体密度设置方法，提供建模及分析步骤，使得冲压力大小及合力作用点的确定和建模实体质量和质心精准映射。

所述步骤三中，包含以下步骤：

(1)沿曲线分布的冲压力及其合力作用点的确定：在三维建模软件中，沿冲压力作用的轮廓线建立实心的管道体；参数化设置管道体的直径d和密度ρ，使实体体积属性中质量和质心的查询值与冲裁力及其合力作用中心位置在数值上形成对等映射关系；直接由体积属性查询得到冲裁力及其合力作用中心点位置；

(2)基于面积及单位面积的成形力及其合力作用点的确定：在三维建模软件中，将成形区域轮廓边界线沿成形方向用投影方法或用草绘的方法绘制一平面区域，然后用拉伸命令完成厚度为1mm的薄板体；设置薄板体的密度ρ＝10^8×σi,其中σi的大小为成形区单位面积上要求加载的成形压力；查询制作的薄板体的质量和质心属性，则质量和质心质量分别对应成形力的大小和成形力合力作用点；

(3)同时存在沿线和在面积作用的冲压力及其合力作用点的确定：弄清楚在某个瞬态有哪些力同时发生，按步骤(1)和步骤(2)对应建立计算模型，通过体积属性查询冲压力大小及其合力作用中心位置。

所述步骤(1)中，具体的参数设定方法和实施步骤如下：

a.以d＝2×SQRT(π)作为管道体的直径：

b.沿冲裁轮廓线创建单位面积为1MM^2一个或若干个管道体：

c.设置管道体实体密度值为(10^8)×(T×σ_b)，其中σ_b为抗拉强度，单位取MPa；

d.通过体积属性查询命令查询得到的质量与质心，就是冲压力大小及其合力作用中心位置。

在实际应用中，

1.本发明快速确定冲压力大小及其合力作用点的原理

为了适应不同的冲压工艺设计标准，本专利通用算式(1)、(2)、(3)和(4)作为建立计算模型的基础。

1).沿曲线分布的冲压力大小的计算方法

P＝K×L×T×σb

公式(1)

其中L为冲压力作用的廓长度，T为料厚，σb为材料抗拉强度，K为考虑安全系数和冲压特点的综合系数(与选用的设计标准有关)。

2).沿面积区域分布的冲压力大小的计算公式如下

P＝K×S×σp 公式(2)

其中S成形区的沿成形方向的投影面积，σp为单位面上所需的冲压，K为考虑安全系数和冲压特点的综合系数(与选用的设计标准有关)。

3).冲压合力作用点的确定按照公式(3)和(4)

2.本发明的实施方法及步骤

本发明的高效性在于其利用三维软件创建实体，赋予实体相应的建模参数，然后查询实体的质量与质心(或重量与质心)属性，就能同时确定出冲压力的大小及其合力作用点。具体方法及步骤如下：

1).沿曲线分布的冲压力及其合力作用点的确定方法及实施步骤

在常用的三维建模软件中，沿冲压力作用的轮廓线建立实心的管道体(TUBE或PIPE)。参数化设置管道体的直径d和密度ρ，使实体体积属性中质量、质心的查询值和冲裁力及其合力作用中心位置在数值上形成对等映射关系，直接由体积属性查询得到冲裁力及其合力作用中心点位置。具体的参数设定方法和实施步骤如下。

a.以d＝2×SQRT(π)作为管道体的直径

b.沿冲裁轮廓线创建单位面积为1MM^2一个或若干个管道体

c.设置管道体实体密度值为(10^8)×(T×σ_b)(σ_b为抗拉强度，单位取MPa)。D.通过体积属性查询命令查询得到的质量与质心(或重量与质心)，就是冲裁力大小(Kg)及其合力作用中心位置(坐标值)。

2).沿曲线分布的冲压力及其合力作用点的确定案例演示。

下面演示平刃口方式下的冲裁力及合力作用点确定方法的实施案例

继续以图1所示冲裁轮廓为例，假设冲裁的板厚T为1mm，抗拉强度σ_b＝500Mpa,则按上述公式，赋予实体密度值ρ＝(10^8)×(T×σb)＝500×10^8.

按上述方法在CAD软件(不限采用哪种软件)中,以d＝2×SQRT(π)作为管道体的直径快捷建立管道体，如图3。

在CAD软件中查询管道体的属性信息如图4(或与之类似)：

上面查询结果显示质量为7778.937Kg；其对应冲压力的大小；质心坐标为(26.53，0，0)，其对应冲压合力中心点。

按照理论公式(1)来计算冲裁力P＝L×T×σ_b(K取1)计算值结果如下：

P＝L×T×σ_b＝155.58×1×50＝7778.9Kg。结果同本利方法的一致。

冲裁力合力作用点X分量在前面已经由公式(5)和(6)计算：

(Y分量为0)

比较两种求算结果，裁裁合力都是7778.9Kg，管道体质心坐标和用几何法求解值也十分吻合(差异原因是后者未给冲裁圆角)。但本专利提供的方法，避免了对冲压力轮廓线的规则化分解，通过三维设计软件的高效智能化的功能处理复杂轮廓的冲压力分析，快速查询出冲压力大小及其合力中心点。

3).基于面积及单位面积所需成形力确定成形力及其合力作用点的方法

在三维软件建模软件中，将成形区域轮廓边界线沿成形方向投影方法或用草绘的方法绘制一平面区域，然后用拉伸命令完成厚度为1mm的薄板体。设置薄板体的密度ρ＝10^8×σi,其中σi的大小为成形区单位面积上要求加载的成形压力(MPa)。查询制作的薄板体的质量和质心(或重量和重心)属性，则质量和质心(或重量和重心)质量分别对应成形力的大小和成形力合力作用点。

4).同时存在沿线和在面积作用的冲压力及其合力作用点的确定方法

前面1)、3)中所述基于查询管道体和薄板体的体积属性的方法完全适合同时存在冲压力沿线和面积作用的及冲压力及其合力作用点的计算。只是需要弄清楚冲压力及其合力作用点的计算需要弄清楚在某个瞬态有哪些力同时发生。只要按上述方法建立了计算模型，通过体积属性查询命令冲压力大小及其合力作用中心位置即可。

5)同时存在沿线和在面积作用的冲压力及其合力作用点的确定案例演示

如图5，某车门板内板的拉延工艺，毛坯为矩形，在拉延合模时需要切一个角，该瞬态下冲压力是切角冲裁力和压料面上压力的合力。切角后，冲压力是拉延力和压料面压力的合力。现在确定这两种状态下的冲压合力及其合力作用点。

(1)切角及上下压边面结合时冲压合力及其合力作用点计算

车门材料为DC06、厚度为0.7mm、抗拉强度为293Mpa、拉延压料面上的单位压力σ取3.5Mpa。按照前面基于力沿线轮廓分布和作用在面积上的冲压力及其合力作用点的确定方法，执行以下步骤。

a.在三维造型软件中创建拉延毛坯轮廓线和拉延凸模轮廓线；

b.在切角轮廓线上创建一段管道体，直径为d＝2×SQRT(π)；

c.将拉延毛坯轮廓线和拉延凸模轮廓线投影在水平面上，并由拉拔命令生成平面区域薄体,厚度为1mm；

d.将管道体的密度设为ρ＝(10^8)×(T×σb)＝(10^8)×(0.7×293)；

将平面区域薄体密度设置为ρ＝10^8×σ＝3.5×10^8.

e.查管道体和平面区域薄体的质量属性，结果显示如图6(或与之类似)：

如图6，信息中的质量为39294.9Kg，其对应冲压合力(切角力+压边力)大小；质心(159，228)则对应冲压合力作用中心坐标值。

(2)拉延力合力及其合力作用点的确定

车门材料为DC06、厚度为0.7mm、抗拉强度为293Mpa、拉延压料面上的单位压力σ取3.5Mpa。此时针对主拉延力和压边力来确定冲压合力大小及其作用点。按照前面基于力沿线轮廓分布和作用在面积上的冲压力及其合力作用点的确定方法，执行以下步骤。

a.选定主拉延力的计算标准：按Pc＝L×T×σb计算(选用标准)

b.沿拉延凸模轮廓线上创建管道体，直径为d＝2×SQRT(π)；

c.将拉延毛坯轮廓线和拉延凸模轮廓线投影在水平面上，并由拉拔命令生成平面区域薄体,薄体厚度为1mm；将拉延轮廓管道体的密度设为ρ＝(10^8)×(T×σ_b)＝(10^8)×(0.7×293)，平面区域薄体密度设置为ρ＝10^9×σ＝3.5×10^9.

d.查询管道体和平面区域薄体的质量属性，结果显示如图7(或与之类似)：

如图7，信息中的质量为115592.6Kg，其对应冲压合力(拉延力力+压边力)大小；质心(-16，17)则对应冲压合力作用中心坐标值。

3、本发明的技术特点

1)把实体的质量和质心(重力和重心)和冲压力大小及合力作用点进行关联映射，把复杂繁琐的冲压力大小及合力作用点的确定转变为查询实体的质量和质心(重力和重心)。

2)充分利用三维设计软件的常规辅助设计功能，简化了冲压力的分析过程，使得冲压力大小及合力作用点的步骤确定简明，效率极大提升。

3)给出冲压力分析模型中的管道体及平面拉拔体的建模参数及实体密度设置方法，提供了建模及分析步骤。

Claims (1)

1.一种用实体建模及质量属性分析法确定冲压力的方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一，把实体的质量和质心和冲压力大小及合力作用点进行关联映射，把复杂繁琐的冲压力大小及合力作用点的确定转变为查询实体的质量和质心；步骤二，利用三维设计软件对管道体及平面拉拔体两种实体模型进行创建和实体属性分析；步骤三，给出冲压力分析模型中的管道体及平面拉拔体的建模参数及实体密度设置方法，提供建模及分析步骤，使得冲压力大小及合力作用点的确定和建模实体质量和质心精准映射；所述步骤三中，包含以下步骤：

（1）沿曲线分布的冲压力及其合力作用点的确定：在三维建模软件中，沿冲压力作用的轮廓线建立实心的管道体；参数化设置管道体的直径d和密度ρ，使实体体积属性中质量和质心的查询值与冲裁力及其合力作用中心位置在数值上形成对等映射关系；直接由体积属性查询得到冲裁力及其合力作用中心点位置；

（2）基于面积及单位面积的成形力及其合力作用点的确定：在三维建模软件中，将成形区域轮廓边界线沿成形方向用投影方法或用草绘的方法绘制一平面区域，然后用拉伸命令生成平面区域厚度为1mm的薄板体；设置薄板体的密度ρ=10⁸×σi,其中σi的大小为成形区单位面积上要求加载的成形压力；查询制作的薄板体的质量和质心属性，则质量和质心质量分别对应成形力的大小和成形力合力作用点；

（3）同时存在沿线和在面积作用的冲压力及其合力作用点的确定：弄清楚在某个瞬态有哪些力同时发生，按步骤（1）和步骤（2）对应建立计算模型，通过对整个模型的体积属性查询，得到冲压力大小及其合力作用中心位置；

所述步骤（1）中，具体的参数设定方法和实施步骤如下：

a.以d=2×SQRT(π)作为管道体的直径：

b.沿冲裁轮廓线创建单位面积为1MM²一个或若干个管道体：

c.设置管道体实体密度值为(10⁸)×（T×σ_b） ，其中σ_b为抗拉强度，单位取MPa，T为材料厚度；

d.通过体积属性查询命令查询得到的质量与质心，就是冲压力大小及其合力作用中心位置。

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