板材成形中的虛擬制造技術(shù)

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1、板材成形中的虛擬制造技術(shù)內(nèi)容提要：在現(xiàn)代板材成形工業(yè)中引入虛擬制造技術(shù)可以使模具工程師縮短設(shè)計(jì)周期，提高成形件的質(zhì)量。本文給出了一汽集團(tuán)公司應(yīng)用LS-DYNA3D軟件在板材成形數(shù)值模擬研究的進(jìn)展，總結(jié)出實(shí)現(xiàn)板材成形數(shù)值模擬的一般過程，討論了CAE應(yīng)用存在的問題及相應(yīng)的對策。（作者：柳澤施法中黃迪民徐成林）???0、引言???隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新的人機(jī)交互系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)等設(shè)備及相應(yīng)的軟件對真實(shí)的物理世界進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和實(shí)時(shí)交互作用，在虛擬的環(huán)境中，用戶與系統(tǒng)直接而自然地交互，進(jìn)行一定的操作，從而達(dá)到實(shí)際的

2、效果。虛擬技術(shù)已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，如虛擬存儲器、虛擬I/O設(shè)備、高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、機(jī)械制造領(lǐng)域里的虛擬設(shè)計(jì)、制造、裝配、產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用虛擬技術(shù)進(jìn)行外科手術(shù)的培訓(xùn)等等，在測試儀表和測控行業(yè)中，用虛擬儀器代替實(shí)際的儀器和控制電路具有較好的發(fā)展前景。???板材沖壓成形技術(shù)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)過程,在許多領(lǐng)域,特別是在汽車工業(yè)中占有舉足輕重的地位,而汽車工業(yè)在世界許多發(fā)達(dá)國家中已成為整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。從這個(gè)意義上可以說板材沖壓成形技術(shù)是一個(gè)國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志之一。???工業(yè)發(fā)達(dá)國家中板材產(chǎn)量一般占鋼材總量的50%左右,板材年人均消費(fèi)達(dá)200公

3、斤,板材年人均消費(fèi)量已經(jīng)成為社會繁榮和消費(fèi)水平的標(biāo)志之一。根據(jù)美國的統(tǒng)計(jì),板材經(jīng)過成形后創(chuàng)造了相當(dāng)于原材料價(jià)格十二倍的附加值,從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。板材成形是投入直接消費(fèi)前的主要深加工方法,成形性占有突出的重要地位。???在傳統(tǒng)的板材成形過程中，當(dāng)模具設(shè)計(jì)及制造完成后，需要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，才能得到滿意的成形零件。在調(diào)試過程中，一些成形缺陷，如破裂、起皺和回彈等問題，主要憑借模具工程師的經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)反復(fù)試錯(cuò)才能解決。這種方法不但降低了生產(chǎn)效率，而且只有少數(shù)模具工程師經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累才能掌握這一技藝。???今天激烈的市場競爭,決定板材成形工業(yè)要減小從概念設(shè)計(jì)到

4、實(shí)際生產(chǎn)的周期。因此，為降低成本，縮短研制周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,迫切需要解決在板材成形工業(yè)中所遇到的各種各樣的問題。但是傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展的需要，因此促使虛擬制造技術(shù)的迅速發(fā)展。將虛擬制造技術(shù)引入現(xiàn)代板材成形工業(yè)可以使模具設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和調(diào)試，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，這一技術(shù)成為縮短研制周期，提高成形零件質(zhì)量必不可少的工具。???????1、LS-DYNA3D簡介???LS-DYNA3D是美國LawrenceLivemore國家材料實(shí)驗(yàn)室J.O.Hallquist教授主持開發(fā)的幾何大變形、非線性材料和接觸摩擦滑動(dòng)邊界三重非線性動(dòng)

5、力分析程序，自1976年推出后,歷經(jīng)數(shù)十版本的不斷擴(kuò)充,至今已具有很強(qiáng)的功能。LS-DYNA3D采用顯式中心差分算法，當(dāng)今許多著名商業(yè)軟件，如DYTRAN、PAM-STAMP、OPTRIS都是在LS-DYNA3D早期版本DYNA3D基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。LS-DYNA3D936版本具有十二大類的元素，九十種材料模型(其中包含5種用戶可開發(fā)材料接口,十種狀態(tài)方程)，二十六種接觸--碰撞算法，在美國的兵器、宇航、汽車、核工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。???早期版本的DYNA3D曾采用16節(jié)點(diǎn)和20節(jié)點(diǎn)的高階三維單元、8節(jié)點(diǎn)膜單元，后來在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這些高階單元雖然能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算

6、低頻的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),但用于高速碰撞,考慮應(yīng)力波傳播,運(yùn)算速度很低。過于昂貴的機(jī)時(shí)費(fèi)用,使之不能實(shí)用。所以后來DYNA3D采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體元,4節(jié)點(diǎn)(膜)殼單元。雖然LS-DYNA3D起源于動(dòng)力沖擊問題。???但從九十年代后，成功地用在板材成形的分析中。它具彈塑性本構(gòu)材料和各向異性材料模型,可用來分析板材的各向異性性質(zhì)。用剛體材料模型來模擬沖頭(沖模)的運(yùn)動(dòng),庫侖摩擦和豐富的接觸算法可用來處理任意復(fù)雜的三維接觸面問題。為了處理板材成形問題,LS-DYNA3D具有多種函數(shù)和特性以滿足數(shù)值分析的需要,如網(wǎng)格自適應(yīng)算法、CAD模型接口（IGS或VDA文件）、大規(guī)模并行機(jī)(MPP)算

7、法、等效拉深筋模型等。LS-DYNA3D最大特點(diǎn)是它的版本更新速度快,它能將計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的最新進(jìn)展迅速加到程序中,它是一個(gè)開放式軟件系統(tǒng),具有五個(gè)用戶可開發(fā)接口,為用戶進(jìn)行二次開發(fā)提供了極為便利的條件。???２、計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析???（1）汽車底盤彈簧支架沖壓成形的數(shù)值模擬研究???汽車底盤彈簧支架的沖壓成形過程可分成二步來完成，第一步是在凹模和曲面壓邊圈的作用下，毛坯從一個(gè)平直板完成壓彎過程，然后在凹模，壓邊圈和凸模的共同作用下，使彎曲后的毛坯再進(jìn)行一次拉深過程。所以彈簧支架是由彎曲工藝和拉深工藝組合在一起的一個(gè)