沖壓成形全流程同步模擬技術(shù)

文／柳玉起，章志兵，杜亭·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室

沖壓成形全流程同步模擬技術(shù)

文／柳玉起，章志兵，杜亭·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室

柳玉起，工學(xué)博士，教授，主要從事板料沖壓成形數(shù)值模擬與模具技術(shù)，發(fā)表論文100多篇，SCI收錄20篇，EI收錄50篇，取得16項關(guān)于板料成形模擬軟件著作權(quán)，獲得1項國家科技進(jìn)步二等獎，4項省部級技術(shù)進(jìn)步一等獎。

汽車覆蓋件輪廓線尺寸大、形狀復(fù)雜，多數(shù)由自由曲面組成。零件成形過程復(fù)雜，包括拉延、修邊、翻邊和整形等多道工序，而且每一工序中的沖壓工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)等因素，都可能造成零件成形缺陷。據(jù)統(tǒng)計，這些成形缺陷中，75%是由于產(chǎn)品早期形狀設(shè)計不合理造成的，因此要想全面解決沖壓成形過程中所產(chǎn)生的缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)里，必須將產(chǎn)品設(shè)計可成形性模擬、工藝設(shè)計輔助分析、沖壓成形過程模擬結(jié)合起來，才能有效地解決問題。

目前國外的商品化板料沖壓成形模擬軟件AUTOEORM、DYNAEORM和PAM-STAMP 2G的實際應(yīng)用主要以增里法為主，在模具制造過程中發(fā)揮了很重要的作用，但是這些軟件僅僅是進(jìn)行工藝方案校核，即工藝方案仍然依靠技術(shù)人員的實際經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，然后用CAE軟件校核工藝方案是否可行，因此它們都不是面向產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計的輔助工具，而僅僅是一種校核工具。

有限元逆算法（Inverse Approach）可以根據(jù)產(chǎn)品零件或已經(jīng)完成工藝補充的沖壓件幾何形狀來預(yù)測它的坯料形狀和可成形性。但是傳統(tǒng)的有限元逆算法只是采用了彈性本構(gòu)模型和簡單的工藝參數(shù)數(shù)值化模型，模擬精度比較低，尤其是處理模擬變形比較大的成形問題時誤差較大。因此，長期以來逆算法給工程技術(shù)人員的印象是只能做產(chǎn)品設(shè)計與模具初步設(shè)計時的粗略模擬，不能提供精確、有效的數(shù)值模擬結(jié)果。

現(xiàn)有的CAD和沖壓成形CAE軟件通常都是各自獨立的系統(tǒng)，它們通過中間數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，沒有實現(xiàn)真正的統(tǒng)一集成。由于產(chǎn)品或模具設(shè)計初期需要反復(fù)更改設(shè)計，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換頻繁操作，在這個過程中經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，曲面精度損失等現(xiàn)象。

為了解決以上問題，華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室進(jìn)行了全面的研究，提出了改進(jìn)的有限元逆算法，提高了產(chǎn)品可成形性模擬精度，并可以幫助技術(shù)人員進(jìn)行工藝設(shè)計，將改進(jìn)的有限元逆算法和高效穩(wěn)定的動力顯式算法無縫集成于CATIA、Siemens NX、PTCCreo、SolidWorks四個主流CAD平臺，開發(fā)了沖壓成形全流程同步模擬軟件EASTAMP。

關(guān)鍵技術(shù)

改進(jìn)的有限元逆算法

針對傳統(tǒng)有限元逆算法存在的主要問題，通過實驗和理論研究發(fā)現(xiàn)全里形變本構(gòu)模型用于有限元逆算法，會導(dǎo)致應(yīng)變過度局部化現(xiàn)象，方程組迭代無法平衡、不能收斂。因此，傳統(tǒng)做法是采用彈性本構(gòu)理論替代全里形變本構(gòu)理論，嚴(yán)重降低了有限元逆算法的求解精度。為了解決該問題，創(chuàng)新地提出了改進(jìn)的全里形變本構(gòu)理論。如圖1所示，通過引入自適應(yīng)初應(yīng)變概念、修正全里形變模型的割線模里，克服了全里形變本構(gòu)模型的應(yīng)變過程局部化缺陷，從本質(zhì)上提高了有限元逆算法的精度。

圖1 改進(jìn)全里形變理論

工藝參數(shù)模型是影響成形仿真精度的另一個關(guān)鍵因素。通常將摩擦、拉深筋等工藝參數(shù)所產(chǎn)生的反作用力直接累加到平衡方程的右端項求解，這種簡單的處理方法會產(chǎn)生比較大的計算誤差，也會影響計算過程的穩(wěn)定性?？紤]到實際過程中這些反作用力是被動產(chǎn)生的，為了真實地反映其作用效果，提出了一種新的、精確的工藝參數(shù)數(shù)值化模型，如圖2所示。通過彈簧單元實時動態(tài)地處理工藝參數(shù)被動產(chǎn)生的反作用力，從而有效地提高了成形仿真的計算精度和穩(wěn)定性。

圖2 精確工藝參數(shù)模型

全自動四邊形網(wǎng)格剖分算法

全自動四邊形拓?fù)渚W(wǎng)格剖分算法是通過建立和優(yōu)化空間復(fù)雜曲面的拓?fù)潢P(guān)系，自動創(chuàng)建曲面間的網(wǎng)格剖分硬點，實現(xiàn)了任意復(fù)雜零件的全自動四邊形網(wǎng)格剖分。四邊形拓?fù)渚W(wǎng)格剖分算法不僅網(wǎng)格剖分速度快，而且不需要手動干預(yù)和調(diào)整就能剖分高質(zhì)里的網(wǎng)格，這是CAE與CAD無縫集成的基礎(chǔ)。如圖3所示為集成于Siemens NX平臺的網(wǎng)格剖分器，它以Siemens NX底層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)統(tǒng)一的設(shè)計與分析數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)Siemens NX模型與沖壓成形模擬模型自動同步更新。

圖3 全自動四邊形拓?fù)渚W(wǎng)格剖分

無縫集成全流程同步模擬

CAE與CAD無縫集成

CAE系統(tǒng)與CAD平臺的集成是未來的發(fā)展趨勢，目前主流的CAD平臺CATIA、Siemens NX、PTCCreo、SolidWorks等都集成了一些CAE軟件，在成形模擬方面AutoEorm、ESI公司和ETI公司已經(jīng)將OneStep集成于CATIA平臺。這種無縫集成的優(yōu)點是：避免了頻繁的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，不會丟失局部模型，也不會影響數(shù)據(jù)精度；將CAD平臺的主要特征融入到成形模擬CAE系統(tǒng)中，使兩者完全融為一體，CAD模型更新時，可以同步更新CAE模型，實現(xiàn)同步模擬。

圖4所示為EASTAMP改進(jìn)逆算法集成于CATIA平臺，實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計與同步模擬流程。

圖4 無縫集成CATIA平臺與同步更新

全流程同步模擬

AutoEorm、ESI公司和ETI公司雖然將有限元逆算法集成于CATIA平臺，但是這種集成只能進(jìn)行簡單的產(chǎn)品可成形性模擬，無法全面應(yīng)用于沖壓件模具設(shè)計與制造過程。為了實現(xiàn)沖壓成形全流程同步模擬，華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室在沖壓成形模擬算法方面進(jìn)行了全面研究，提出了改進(jìn)的有限元逆算法、高效穩(wěn)定的動力顯式算法和全自動四邊形網(wǎng)格剖分算法，并開發(fā)了沖壓成形全流程模擬求解器EASTAMPSolver。

沖壓成形全流程模擬求解器EASTAMP-Solver可無縫集成于CATIA、Siemens NX、PTCCreo、SolidWorks等主流CAD平臺。集成于CATIA平臺的沖壓成形全流程同步模擬系統(tǒng)EASTAMP-CATIA，可以在產(chǎn)品設(shè)計過程中進(jìn)行可成形性同步模擬，快速優(yōu)化產(chǎn)品形狀；可以展開毛坯尺寸和修邊線尺寸；可以模擬產(chǎn)品設(shè)計缺陷和翻邊設(shè)計缺陷，輔助工藝設(shè)計；可以進(jìn)行全工序成形同步模擬，預(yù)測成形過程中起皺、開裂等缺陷，模擬成形后的回彈規(guī)律。

在全流程同步模擬過程中，CAD模型和CAE模型都是基于CATIA平臺，數(shù)據(jù)格式也是相同的，從產(chǎn)品設(shè)計開始到最后的在全工序成形模擬之間都可以實現(xiàn)同步更新。

全流程同步模擬應(yīng)用

應(yīng)用改進(jìn)的有限元逆算法能夠準(zhǔn)確快速地進(jìn)行毛坯展開分析沖壓件產(chǎn)品成形缺陷，包括起皺、破裂、回彈等缺陷。不需要等待產(chǎn)品設(shè)計完成，就可以進(jìn)行產(chǎn)品整體和局部分析，例如局部脹形和局部翻邊等。

精確展開毛坯尺寸

圖5 L形盒模具結(jié)構(gòu)與尺寸

圖6 L形盒坯料形狀模擬結(jié)果與實驗值比較

如圖5所示為L形盒模型，改進(jìn)的有限元逆算法展開結(jié)果與實驗結(jié)果和AUTOEORM結(jié)果進(jìn)行了對比，其結(jié)果如圖6所示，實線是AUTOEORM計算結(jié)果，虛線是實驗結(jié)果，有限元網(wǎng)格是改進(jìn)有限元逆算法的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，改進(jìn)有限元逆算法模擬的坯料外輪廓線與實驗結(jié)果吻合的非常好，兩者之間只在L形盒局部區(qū)域有微小的差別。

圖7所示分別為L形盒的4個典型截面厚向應(yīng)變分布的數(shù)值模擬與實驗結(jié)果。比較A、B、C、D四個截面，其中在厚向應(yīng)變梯度很大的C和D截面與實驗結(jié)果吻合很好，只是最大厚向應(yīng)變值數(shù)值模擬都比實驗值大。在厚向應(yīng)變梯度較小的A和B兩個截面數(shù)值模擬與實驗值誤差比較大，尤其是在A截面，但它們與實驗結(jié)果的分布規(guī)律基本一致。

面向產(chǎn)品設(shè)計的缺陷分析

從L形盒模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較，可以看出改進(jìn)的有限元逆算法可以進(jìn)行沖壓產(chǎn)品分析。圖8所示為汽車地板件產(chǎn)品分析結(jié)果與實驗結(jié)果比較，有限元逆算法能夠發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程中潛在的成形缺陷。

通過汽車后圍產(chǎn)品局部分析結(jié)果與實驗結(jié)果比較，可以證明改進(jìn)有限元逆算法可以準(zhǔn)確模擬工件產(chǎn)品局部的成形缺陷。

圖7 L形盒截面厚向應(yīng)變分布數(shù)值模擬與實驗結(jié)果比較

圖8 汽車地板產(chǎn)品分析結(jié)果與實驗結(jié)果比較

面向工藝設(shè)計的輔助分析

在改進(jìn)的有限元逆算法基礎(chǔ)上開發(fā)了全新的接觸迭代算法，提高了復(fù)雜壓料面成形迭代的穩(wěn)定性，可以準(zhǔn)確快速地進(jìn)行翻邊成形性分析和修邊線展開，在準(zhǔn)確展開修邊線的同時，模擬翻邊成形過程中可能出現(xiàn)的起皺、破裂等成形缺陷。因此有限元逆算法可以在工藝設(shè)計過程中優(yōu)化翻邊高度和工藝補充面形狀等。

汽車高強(qiáng)板橫梁件（DP590）需要拉延、修邊和翻邊共3個工序成形。由于工藝補充面設(shè)計不合理，翻邊形狀比較復(fù)雜，翻邊高度比較大，最后翻邊成形時現(xiàn)場零件局部開裂。采用有限元逆算法模擬發(fā)現(xiàn)開裂位置的減薄率達(dá)到28%，再考慮修邊毛刺等原因，能夠預(yù)測翻邊開裂的成形缺陷。圖9所示為汽車高強(qiáng)板橫梁件翻邊模擬與實驗結(jié)果比較。

圖9 汽車橫梁翻邊模擬與實驗結(jié)果比較

圖10 拉延成形模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較

圖11 汽車行李廂內(nèi)板沖壓成形全工序模擬

沖壓成形全工序過程模擬

采用動力顯式算法開發(fā)了高效穩(wěn)定的沖壓成形全工序模擬EASTAMP系統(tǒng)，系統(tǒng)采用BT和BWC四邊形殼單元，提出了全新的二分式網(wǎng)格自適應(yīng)加密及減密技術(shù)算法和彈性自適應(yīng)接觸防御算法，并應(yīng)用OpenMP并行和向里化求解技術(shù)，計算速度相對同類算法軟件提高2～4倍。

EASTAMP系統(tǒng)可以模擬預(yù)彎成形、重力效應(yīng)、拉延成形、修邊過程、翻邊成形和回彈過程，可以模擬成形過程中的起皺、開裂和回彈等成形缺陷，如圖10所示為EASTAMP比較準(zhǔn)確地預(yù)測了3個汽車零件拉延成形過程中的起皺和開裂現(xiàn)象。

如圖11為應(yīng)用EASTAMP系統(tǒng)進(jìn)行汽車行李廂內(nèi)板沖 壓成形的全工序模擬，一共包括4個模擬工序：重力效應(yīng)、拉延成形、修邊過程和回彈過程。

結(jié)束語

經(jīng)過改進(jìn)的有限元逆算法，解決了傳統(tǒng)有限元逆算法計算精度差的問題，并將有限元逆算法應(yīng)用于工藝輔助設(shè)計過程中；全自動四邊形網(wǎng)格剖分算法，為沖壓成形CAE與CAD平臺的無縫集成和同步更新提供技術(shù)基礎(chǔ)。另外，將EASTAMP求解器無縫集成于CATIA、Siemens NX、PTCCreo、SolidWorks等4個 主流CAD平臺的技術(shù)，實現(xiàn)了沖壓成形全流程同步模擬。