DYNAFORM在未来的应用前景

2016-11-16 by:CAE仿真在线来源:互联网

关键字:Eta/DYNAFORM DYNAFORM的应用领域 DYNAFORM与板材

摘要:

冲压成形是一种历史悠久的金属加工工艺,随着工业水平的不断进步,冲压技术和设备日益完善,目前日本已经制造出3000吨甚至更高的重型级冲压机,用于大型冲压件的加工。目前,比如在汽车、航空、模具等行业冲压加工中仍然占据着重要地位。众所周知,汽车的大部分构件都是薄板冲压件,国外各大汽车厂商很早就开始采用计算机仿真技术用于指导产品的设计和制造。而随着市场竞争的加剧和环保法规的相继出台,汽车工业面临着严峻的挑战,于是3R战略成为所有汽车制造商的追求目标:缩短研发周期、缩短研发费用以及缩小整车重量(提高燃油效率),而3R战略的实施则对诸如CAD/CAE/CAM技术的应用提出了更高的要求。所以DYNAFORM软件在这个方面就有显著的特点,它可以对件展开、精确的求解下料尺寸、排样、模具报价,快速预估零件的成形性,零件局部展开、展在任意曲面上、求解修边线等……

引言:

DYNAFORM在板料成型中体现的主要功能:

* CAD功能及接口

完整的建模功能,并提供标准的IGES/VDA接口

* 优化下料形状

One-step求解器可以方便地通过凹模得出合理的落料尺寸

* Quick-setup功能

利用该功能可以通过板料、凹模、压边圈及拉延筋的定义快速完成标准的拉延模拟

* 模具自动网格划分

为捕捉模具外形特征特殊设计的网格自动划分功能,可节省99%工具分网时间

* 易于网络传输

利用后处理器可以生成MPEG、AVI、JPG等格式的文件,便于进行网络传输

DYNAFORM软件的应用

DYNAFORM软件可应用于不同的领域,汽车、航空航天、家电、厨房卫生等行业。可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹、成形刚度、表面质量,评估板料的成形性能,从而为板成形工艺及模具设计提供帮助。设置过程与实际生产过程一致,操作上手容易。来设计可以对冲压生产的全过程进行模拟:坯料在重力作用下的变形、压边圈闭合过程、拉延过程、切边回弹、回弹补偿、翻边、胀形、液压成形、弯管成形。求解最佳冲压方向,内外孔的填充,面的修补,拉延深度与负角检查,压料面、工艺补充面的设计,拉延筋的设计、布置。

DYNAFORM软件的数值计算

冲压数值仿真的发展主要依赖于各种板成形软件的涌现和进步,这些CAE软件大多可以利用CAD生成的模型进行设计和工艺过程仿真,为新产品的开发提供参考依据。当前,工业上应用板材成形CAE分析的目的可以归纳为以下三个主要方面:

(1) 节省时间:工件是否可制造的早期判断;缩短开发周期;减少调试次数;对结构修改设想的快速响应;

(2) 节省费用:减少模具成本;增强可靠性;

(3) 提高产品质量:择优选择材料;可制造复杂的零件;各种成形参数的优化。

DYNAFORM软件在数据上也有它独特的特点,它有专门的数据接口,

Dynaform软件能够直接导入绝大部分主流CAD、CAE数据格式,如:IGES、STL、UG、Catia、Pro/E、Autocad、DAT等。

DYNAFORM软件还有独特的数据计算特点:(1) 显式算法,包括动态显式和静态显式算法。动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性。另外,动态显式算法采用动力学方程的中心差分格式,不用直接求解切线刚度,不需要进行平衡迭代,计算速度快,也不存在收敛控制问题。该算法需要的内存也比隐式算法要少。数值计算过程可以很容易地进行并行计算,程序编制也相对简单。另一方面,它也有一些不利方面。显式算法要求质量矩阵为对角矩阵,而且只有在单元级计算尽可能少时速度优势才能发挥, 因而往往采用减缩积分方法,容易激发沙漏模式,影响应力和应变的计算精度。动态显式法还有一个重要特点是:对成形过程的仿真需要使用者正确划分有限元网格和选择质量比例参数、速度和阻尼系数。

静态显式法基于率形式的平衡方程组与Euler前插公式,不需要迭代求解。由于平衡方程式仅在率形式上得到满足,所以得出的结果会慢慢偏离正确值。为了减少相关误差,必须每步使用很小的增量,通常一个仿真过程需要多达几千步。由于不需要迭代,所以这种方法稳定性好,但效率低。(2)隐式算法,静态隐式算法也是解决金属成形问题的一种方法。在静态隐式算法中,在每一增量步内都需要对静态平衡方程而迭代求解。理论上在这个算法中的增量步可以很大,但是实际运算中上要受到接触以及摩擦等条件的限制。随着单元数目的增加,计算时间几乎呈平方次增加。由于需要矩阵求逆以及精确积分,对内存要求很高。隐式算法的不利方面还有收敛问题不容易得到解决以及当开始起皱失稳时,在分叉点处刚度矩阵出现奇异。另有一种静态隐式大增量步软件,也属于静态隐式算法,做出了某些改进,如在一些特殊接触条件处理上采用大增量时步,弯曲与拉伸变形的非耦合求解算法,高精度的自适应网格划分等等。这些专用于金属薄板成形的特征有时显得非常有效,但在某些方面不会那么准确。例如,它不能精确模拟接触和脱离接触的过程,无法有效预测起皱失稳。(3)一步成形法,在这种算法中只采用一个时步,通常采用线性应变路径的假定,并且忽略接触摩擦过程,可以在短时间内根据成形后的构形计算出初始坯料的尺寸。如果结合CAD软件与网格划分功能,这一方法可以在设计的初始阶段提供非常有价值的信息。当然,结果的准确性通常很低,实质上是一种"近似求解(approximation analysis)"。基于一步成形方法的软件在欧洲的汽车制造商中得到了广泛应用,其原因是这种方法反应快速和使用方便。相反,日本和美国的公司认为,通过一步成形法软件计算得到的应力分布不够准确,不是一种可靠的优化工具。当前存在着一种应用动态显式算法的趋势,在BENCHMARK 的模拟中动态显式算法的采用越来越多。静态隐式算法多用于某些液压成形问题或与显式算法结合计算回弹。在一些情况下,回弹与残余应力状态非常重要,以前需要在整个板材成形过程的模拟中都采用隐式算法,现在有的板成形分析软件在原有的显式基础上增加了隐式分析功能,因此,在这些程序中可以实现板成形从冲压到回弹的完整工艺过程的模拟,显隐式分析做到无缝转换,从而令板成形仿真更为方便、高效。其中,eta/DYNAFORM就是其中的典型代表。eta/DYNAFORM是美国ETA公司和LSTC公司联合推出的专业板成形软件,致力于解决最复杂板成形工艺,广泛用于世界各大汽车公司、模具厂和大学以及研究机构中。eta/DYNAFORM的求解器是业界著名的动态显式有限元分析程序:LS-DYNA,作为显式有限元程序的鼻祖,LS-DYNA在其固有的强大显式求解技术基础上又增加了隐式分析能力,进一步扩大了程序的应用范围。对于缩减积分模式带来的计算误差,LS-DYNA具有多种沙漏控制技术来克服,在保证分析精度的同时,提高了求解效率。eta公司在与美国三大汽车公司(通用、福特、克莱斯勒)20年的合作中合作,积累了丰富的板成形仿真工程经验,程序中固化了大量经过试验验证的专家经验, 对于不同的成形工艺给出了最优的仿真参数如:质量比例参数、速度和阻尼系数等,大大降低了对使用者的要求,成为模具及工艺设计人员的工具。

DYNAFORM软件的独特材料库

Dynaform软件中材料库有美国、日本、欧洲、中国的常用金属板材共350余种,模拟分析时,可以直接调用。用户也可以在库中添加自己的材料,建立自己的材料库。

Dynaform 的材料库提供了丰富的编辑、修改功能,如:可以直接导入应力/应变曲线,直接编辑曲线、各种不能的应力/应变公式等等。

Dynaform软件可以对复合材料进行分析,如:不等厚拼焊板成形分析,不同材料重叠冲压成形分析等。

板料成形CAE的未来发展方向

(l) 提高分析的准确性

为了继续提高分析的准确性,需要发展与应用新的本构方程、破坏准则和摩擦模型,特别是对于某些新材料的本构模型,为此还需要大量的实验数据。此外,必须提高回弹与残余应力计算的准确性。

(2) 提高分析的能力

随着仿真技术在模具设计中的的应用不断增加,需要进行分析的成形情况也越来越复杂,对仿真技术的能力也提出了越来越高的要求。今后的数值仿真不仅可以分析刚性模条件下的成形,而且可以分析模具本身的变形(目前eta/DYNAFORM可以实现),这样可以提高在接触区的起皱预测水平。

(3) 具有优化能力

当前的成形模拟还主要用来作为虚拟实验来代替实际的模具调试过程,不能用来作为优化工具。借助数学上利用敏感度分析实现多参数优化的方法,可以对板材成形进行优化分析,得到最佳的板材形状,压边力,拉伸筋位置等成形参数。

(4) 有限元模拟与CAD环境的双向嵌入是一个必然的趋势。