專利名稱：沖壓模具結構分析數值模擬方法
技術領域：
本發明涉及的是一種計算機應用技術領域的模擬方法，特別是一種沖壓模具結構分析數值模擬方法。
背景技術：
模具在金屬塑性成形過程中起著非常重要的作用。為了滿足汽車輕量化的要求，汽車用鋼板的強度等級越來越高，高強度鋼沖壓時模具載荷是普通鋼沖壓時的2-3倍，傳統的覆蓋件沖壓模具設計準則不一定能滿足高強度鋼沖壓要求。單純地增大模具的體積和厚度，選用硬度更高的模具材料，必然會增加模具材料成本和生產中的能耗，而且有時候并不能起到預期效果。對高強度鋼沖壓模具進行強度、剛度校核、壽命預測以及進一步的結構優化，迫切需要一種定量化的模擬方法。
經對現有技術文獻的檢索發現，韓國的Y.S.Lee等在《Journal of MatrerialProcessing Technology》(材料成形技術學報)2004年153-154期1081-1088頁上發表的“Analysis of the elastic characteristics at die and workpieceto improve the dimensional accuracy for cold forged part”(分析模具和工件的彈性變形以提高冷鍛件的尺寸精度)，該文中提出將工件看成彈塑性體，模具中的凹模視為剛性體，沖頭視為彈性體，用數值模擬方法研究了冷鍛模的彈性變形，以考慮模具變形對工件尺寸精度的影響，其不足在于該方法在目前的軟硬件水平下，只能模擬如軸對稱等簡單零件成形，覆蓋件沖壓模具通常體積大而且結構復雜，用此方法難以實現。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種沖壓模具結構分析數值模擬方法，使其在當前軟硬件水平下為沖壓模具強度剛度校核、壽命預測以及進一步的結構優化提供一種可行、可信的數值模擬方法，用以指導模具設計和沖壓生產。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明具體步驟如下①進行板料沖壓成形數值模擬，從模具三維CAD(計算機輔助設計)模型中提取出模具(凸模、凹模和壓邊圈)的成形表面，導入有限元前處理軟件(如商業有限元前處理軟件HyperMesh)中，對模具成形表面進行簡化后，采用控制弦高差的方法將工具成形表面離散為殼單元，選用增量法有限元代碼(如商業有限元求解軟件Ls-Dyna)作為板料成形數值模擬的求解器，確定坯料尺寸并對其進行網格離散，按照求解器的要求設置完成后，從有限元前處理軟件中導出有限元求解器輸入文件，然后提交給有限元求解器求解，求解完成后，使用后處理軟件(如商業有限元后處理軟件HyperView)對數值模擬結果進行觀察，得到變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力；②將模具三維CAD模型導入有限元前處理軟件中，首先對模具三維CAD模型進行簡化，簡化后的模具三維CAD模型要同時滿足以下A、B、C三點要求A簡化后的模具三維CAD模型要便于對其進行體單元離散，并且離散的體單元要滿足企業有限元模擬單元質量要求，B簡化后的模具三維CAD模型，離散后的體單元數量要在企業結構分析有限元軟硬件處理能力內，C在滿足以上A、B兩點的基礎上，減小模具三維CAD模型簡化程度，按照以上A、B、C三條的要求，對簡化后的模具三維CAD模型進行體單元離散，選用于模具結構分析的有限元求解器(如商業有限元軟件Marc)，按照求解器的要求設置完成后，導出有限元求解器輸入文件，這時的有限元模型還沒有包含變形板料和模具成形表面之間的相互作用；③將①步板料沖壓成形數值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結構分析數值模擬的體單元表面節點上，由于板料成形數值模擬有限元建模時模具成形表面簡化和網格離散與模具結構分析數值模擬有限元建模時模具三維CAD模型簡化和網格離散不同，所以①步板料成形數值模擬得出的成形板料和模具表面之間的接觸作用力可能不在②步得到的用于模具結構分析數值模擬的體單元表面上，需要將①步板料成形數值模擬得出的成形板料和模具表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結構分析數值模擬的體單元表面節點上，作為力邊界條件以代替實際成形過程中板料和模具表面之間的相互作用，具體通過以下A、B、C三個步驟實現A將板料成形數值模擬中模具表面網格上的載荷點移動到距其最近的用于模具結構分析數值模擬的體單元表面，B將移動到體單元表面上的載荷插值到體單元表面節點上，C根據模具結構分析數值模擬有限元求解器輸入文件的格式規范，改寫②步得到的有限元求解器輸入文件，增加作用在體單元表面節點上的載荷；④將③步補充完成的用于模具結構分析數值模擬的有限元求解器輸入文件提交到用于模具結構分析數值模擬的有限元求解器求解，求解完成后，采用后處理軟件(如商業有限元后處理軟件Mentat)對結果進行觀察分析，如果不符合所需的結果，找出原因，如果因為①步板料成形數值模擬獲得的載荷錯誤，返回到①步，如果因為②步離散得到的用于模具結構分析的體單元質量過差，返回到②步，如此循環，直至獲得所需結果。
本發明使用板料成形數值模擬獲得成形過程中板料和模具之間的相互作用力，在進行模具結構分析數值模擬時，將此作用力施加到模具體單元表面，形成節點載荷以代替變形板料和模具表面之間的相互作用。這種處理方法大大簡化了問題的復雜度，并且相比于將總體成形載荷作為均布力施加到模具與壓力機安裝臺面上的有限元建模方法，該方法模具受力與實際工況更接近，對設計的雙曲底面盒形件拉深模具用該方法進行數值模擬，并進行了試驗驗證，模具上等效應力的實測結果和數值模擬結果誤差不超過15％，表明該方法是目前進行復雜沖壓模具結構分析的一種現實有效方法。


圖1為本發明方法流程圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
本實施例以一個底面為雙曲面、直壁部分三側為平面，一側為曲面的盒形件拉深模具為例，模擬其應力及變形，并進行了相應的試驗以驗證本發明的有效性。
具體步驟如下①進行板料沖壓成形數值模擬，從模具三維UG(Unigraphics，一種三維CAD軟件)模型中提取出模具的成形表面，導入HyperMesh軟件中，對模具成形表面進行簡化后，采用控制弦高差的方法(最大弦高差0.1mm，最小單元尺寸0.5mm，最大單元尺寸30mm)將工具成形表面離散為殼單元，選用Ls-Dyna軟件作為板料成形數值模擬的求解器，板料尺寸為240×200mm2，對其進行網格離散，按照求解器的要求，設置好板料的材料性能參數、板料單元類型和積分方案、工具和坯料之間的接觸關系以及工具的運動條件等后，從HyperMesh軟件中導出Ls-Dyna輸入文件，然后提交給Ls-Dyna求解，求解完成后，使用HyperView對數值模擬結果進行觀察、分析，目前的商用板料沖壓成形數值模擬軟件已經相當成熟，模擬的板料厚度變化與試驗得出的工件厚度變化吻合良好，模擬的凸模成形力和在MTS成形機上采集的沖頭成形力趨勢一致，并且相對誤差小于10％；②將模具三維UG模型導入HyperMesh軟件中，首先對模具三維CAD模型進行簡化，簡化掉模具部件中的倒角、用于裝配的螺釘孔、尺寸小于5mm的加強筋等幾何特征，然后將其離散為六面體單元，95％以上的單元質量滿足翹曲小于12.0、雅克比大于0.7、縱橫比小于5.0、偏斜小于60.0，六面體單元總數為14萬7千，結點總數為15萬4千，單元質量滿足一般企業有限元分析質量要求，單元總數在有限元軟件Marc的處理能力內。網格離散后，按照Marc軟件的要求，設置好工具的材料性能、工具各部件之間的接觸關系、位移邊界條件、載荷邊界條件和載荷步等后，導出Marc輸入文件；③將①步板料沖壓成形數值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結構分析數值模擬的體單元表面節點上，采用VC(Visual Studio，一種程序開發工具)編寫的載荷映射工具-LoadMapping(載荷映射，用戶開發的用于載荷映射的工具)，以板料成形數值模擬網格信息、模具結構分析數值模擬網格信息、①步板料成形數值模擬得到的結果文件和②步得到的Marc輸入文件為輸入，運算、處理得到新的Marc輸入文件，新Marc輸入文件中增加了作用在工具六面體單元成形表面節點的點載荷；④將③步得到的Marc輸入文件提交到Marc求解器求解，求解完成后，采用Mentat軟件對結果進行觀察。
為了驗證該方法的有效性，開發了沖壓模具結構分析應力、應變采集系統，該系統包括改裝后的雙曲底面盒形件拉深模具，電橋盒，動態數字應變儀，信號采集卡和開發的基于Windows的數據采集軟件。進行了兩種板料在不同恒定壓邊力下的拉深試驗，試驗結果表明，對每一種試驗情況，模具上等效應力的實測結果和數值模擬結果誤差不超過15％，該方法具有模型簡單，計算規模小的優點，是目前軟硬件水平下對復雜沖壓模具進行結構分析的一種現實、有效方法。
本發明適用范圍不限于沖壓模具結構分析，類似的步驟，可應用于如鍛造，擠壓模具(包含，并不限于)結構分析。該方法還用于轎車地板部件沖壓模具結構分析，相同的步驟和操作過程，同樣取得了良好的效果。
權利要求
1.一種沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征在于，具體步驟如下①進行板料沖壓成形數值模擬，從模具三維CAD模型中提取出模具的成形表面，導入有限元前處理軟件中，對模具成形表面進行簡化后，采用控制弦高差的方法將工具成形表面離散為殼單元，選用增量法有限元代碼作為板料成形數值模擬的求解器，確定坯料尺寸并對其進行網格離散，按照求解器的要求設置完成后，從有限元前處理軟件中導出有限元求解器輸入文件，然后提交給有限元求解器求解，求解完成后，使用后處理軟件對數值模擬結果進行觀察，得到變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力；②將模具三維CAD模型導入有限元前處理軟件中，首先對模具三維CAD模型進行簡化，對簡化后的模具三維CAD模型進行體單元離散，選用于模具結構分析的有限元求解器，按照求解器的要求設置完成后，導出有限元求解器輸入文件，得到用于模具結構分析數值模擬的體單元表面節點，這時的有限元模型還沒有包含變形板料和模具成形表面之間的相互作用；③將①步板料沖壓成形數值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到②步得到的用于模具結構分析數值模擬的體單元表面節點上，作為力邊界條件以代替實際成形過程中板料和模具表面之間的相互作用，得到補充完成的用于模具結構分析數值模擬的有限元求解器輸入文件；④將③步補充完成的用于模具結構分析數值模擬的有限元求解器輸入文件提交到用于模具結構分析數值模擬的有限元求解器求解，求解完成后，采用后處理軟件對結果進行觀察分析，如果不符合所需的結果的，找出原因，如果因為①步板料成形數值模擬獲得的載荷錯誤，返回到①步，如果因為②步離散得到的用于模具結構分析的體單元質量過差，返回到②步，如此循環，直至獲得所需結果。
2.根據權利要求1所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述①中提取出模具的成形表面，是指提取凸模、凹模和壓邊圈的成形表面。
3.根據權利要求1所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述①中有限元前處理軟件，是指商業有限元前處理軟件HyperMesh。
4.根據權利要求1所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述①中選用增量法有限元代碼，是指選用商業有限元求解軟件Ls-Dyna。
5.根據權利要求1所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述①中后處理軟件，是指如商業有限元后處理軟件HyperView。
6.根據權利要求1所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述②中簡化后的模具三維CAD模型要同時滿足以下A、B、C三點要求A簡化后的模具三維CAD模型要便于對其進行體單元離散，并且離散的體單元要滿足企業有限元模擬單元質量要求，B簡化后的模具三維CAD模型，離散后的體單元數量要在企業結構分析有限元軟硬件處理能力內，C在滿足以上A、B兩點的基礎上，減小模具三維CAD模型簡化程度，按照以上A、B、C三條的要求，對簡化后的模具三維CAD模型進行體單元離散。
7.根據權利要求6所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述B中，用于模具結構分析的有限元求解器，是指商業有限元軟件Marc。
8.根據權利要求1所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述③具體通過以下A、B、C三個步驟實現A將板料成形數值模擬中模具表面網格上的載荷點移動到距其最近的用于模具結構分析數值模擬的體單元表面，B將移動到體單元表面上的載荷插值到體單元表面節點上，C根據模具結構分析數值模擬有限元求解器輸入文件的格式規范，改寫②步得到的有限元求解器輸入文件，增加作用在體單元表面節點上的載荷。
9.根據權利要求1所述的沖壓模具結構分析數值模擬方法，其特征是，所述④中采用后處理軟件，是指采用商業有限元后處理軟件Mentat。
全文摘要
本發明涉及的是一種沖壓模具結構分析數值模擬方法，首先通過板料沖壓成形數值模擬獲得沖壓過程中變形板料和模具表面之間的接觸力；同時對模具三維CAD模型進行簡化后，離散為體單元，離散的體單元要保證一定的質量和控制總數量；然后將板料沖壓成形數值模擬得到的變形板料和模具成形表面之間的接觸作用力施加到用于模具結構分析數值模擬的體單元表面節點上，完成模具結構分析有限元模型；最后提交到求解器求解。本發明模型簡單，計算規模小，是目前軟硬件水平下對復雜沖壓模具進行結構分析的一種現實、有效方法。
文檔編號G01N3/08GK101050960SQ200710040000
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月26日 優先權日2007年4月26日
發明者陳軍, 張貴寶, 陳亮, 湯禹成 申請人:上海交通大學