板料冲压仿真系统设计

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-27 原文发表:2007-06-27 人气:1

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摘要　论述板料冲压成形过程计算机仿真系统设计与实现，包括结构化和面向对象方法等。

关键词　板料冲压　计算机仿真　有限元法　系统设计

板料冲压成形计算机仿真涉及数学、力学、材料科学、冲压工艺学、计算机科学、计算机图形学……，需要综合多学科知识进行研究；其理论性很强、应用性很广。要开发出一个计算效率高、适应性强、稳定可靠、功能齐全的板料成形过程计算机仿真软件，必须将冲压工艺CAE与模具CAD进行集成化，即一方面采用CAD系统为数值分析建立几何模型，另一方面采用数值分析对CAD设计结果进行评价，优化工艺参数和优化模具结构。在工程实际中应用板料冲压成形计算机仿真技术，是从根本上改进现行模具设计模式的一个有力手段，是促进模具工业技术进步的关键因素之一，对于实现工业生产现代化具有重要意义。

1　仿真原理

　　板料冲压是利用模具使金属板料发生塑性变形生产壳体零件的一种成形方法。在板料冲压中，由于工件变形规律的复杂性，在冲压成形中容易产生破裂和起皱等成形缺陷。另外，在冲压成形中工件产生了与模具载荷相平衡的内应力，冲压结束模具卸除后，由于内应力释放从而工件产生回弹，在切除工艺废料后还要再次发生回弹，使得工件的最终形状不易精确控制。采用成形过程仿真能获得成形过程中工件的位移、应力和应变的分布；通过观察位移后工件变形形状能预测可能发生的起皱；根据各离散点上的主应变值在板料成形极限曲线图上的位置或利用损伤力学模型进行分析，可以预测成形过程中可能发生的破裂；将工件所受的外力或被切除部分的约束力解除，可对回弹过程进行仿真，得到工件回弹后的形状和残余应力、残余应变的分布。这样就能为优化冲压工艺和模具设计提供科学的依据。

板料冲压计算机仿真的核心是应用数值方法来分析和研究金属板料塑性成形问题。作为数值分析方法中应用最广并且最具有生命力的一种方法，有限元法成为目前板料成形数值分析最有效的方法［1,2］。对于连续介质有限变形中的几何与材料非线性问题，隐式积分方法与显式积分方法是2种主要算法。隐式算法是由虚功原理建立一个高阶非线性方程组，采用牛顿—拉费森（Newton-Raphson）迭代计算求解方程组，计算精确可靠，但在每一增量步中，需要形成大型稀疏刚度矩阵，进行反复迭代计算，计算量大，占用存储空间多，并存在非常严重的收敛问题，特别在像板料成形这样高度非线性过程的分析中，收敛问题尤为突出，因此，开发板料冲压成形过程计算机仿真软件较少使用隐式算法而更多地采用显式算法。将准静态的板料成形问题虚拟地视为动力过程，采用动力显式算法来分析，基于时间中心差分格式，使有限元方程的计算显式化，避免了迭代计算和因非线性引起的收敛问题。采用集中质量矩阵解耦联立方程组使其成为独立的方程列式，可大大简化计算。显式算法占用存储空间小，便于用于大型复杂结构分析，80年代以来，在板料成形分析中得到应用并逐渐取得令人满意的成果。对于系统动力问题，显式算法的基本思路是，由虚功原理可得虚功方程

式中，

fi为体力密度；ρ为质量密度；ν为阻尼系数；Ti为力边界Γσ上作用的外力；Tci为接触边界上作用的外力。经有限元离散化可得有限元方程

式中，M为一致质量矩阵；C为一致阻尼矩阵；P为外力向量；F为内力向量。

采用集中质量的方法使质量矩阵对角化，在此基础上对阻尼矩阵也进行对角化处理，采用中心差分法对时间进行离散化，不需经过迭代即可求解相互独立的多个方程。显式算法也有自身的问题，如动力效应即虚拟惯性力的影响，另外由于中心差分法的计算稳定性对时间步长的限制，若将冲压件的回弹作为动力系统的过渡过程用动力显式算法来分析，则使系统达到稳定平衡状态所需计算步数很多，代价很大。而隐式算法是无条件稳定的，所以可以采用足够大的时间步长，所需计算步数很少。分别采用显式算法与隐式算法进行成形过程和回弹的分析能发挥各自的长处，这是目前较为流行的显隐式综合算法。

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