冲压有限元分析方法及其软件的应用

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1、专题综述机电工程技术!""#年第$%卷第!期汽车覆盖件冲压有限元分析方法及其软件的应用孙立君!黄敏飞!阮锋"华南理工大学!广东广州#&"’%"#摘要$首先对汽车行业运用有限元仿真分析的重要性作了论述!接着介绍了用于板料成形过程仿真模拟的有限元的基本方法!并对常用的几种软件作了比较分析!以及对这一领域的发展趋势作了叙述%关键词$成形&有限元分析&动力显式算法&静力隐式算法中图分类号$()$*&+*文献标识码$,文章编号$&""*-*%*!.!""#/"!-""&0-"$&引言性%而汽车覆盖件冲压成型是产生大位移’大转动’大变板金件即由金属板料制成的零件!在飞机中约占零件形的

2、过程%随着有限元理论’塑性成型理论和计算机能力总数的&1!2在卡车中超过总重量的&1!2在轿车中达$1%!的发展!以及对冲压过程越来越深刻的理解!板料仿真分在其它行业也有较多的应用%汽车工业是衡量一个国家工析的软件正逐步完善!国外许多比较成熟的商业化有限元业化程度的重要标志!已被主要工业发达国家和新兴工业软件可用于板料成型的数值模拟仿真分析%各种软件就算国家列为国民经济的支柱产业%经济全球化和世界市场一法而言主要有静力隐式算法和动力显式算法!而显式算法体化的加速发展!更激化汽车制造企业间的竞争!汽车更在板料成形领域内应用比较广泛%新换代的步伐不断加快!汽车产品的市场寿命正

3、在缩短!)&(板料成型有限元分析的基本方法汽车研发周期已缩短到&3!年!呈现出了几乎每年都有款塑性成形一般为准静态过程!传统的模拟计算方法采式新’质量优’性能好’造型美观’乘坐舒适的新车型面用静力隐式算法%其最大优点是它具有无条件稳定性!即世的竞争格局%进一步缩短汽车改型换代的周期!提高汽时间步长可以无限大%隐式算法在理论上是严格的!并且车品质已成为竞争取胜的决定因素%在汽车设计制造的整在分析较为简单的二维问题时!隐式算法在计算精度和时个周期中!车身模具特别是车身覆盖件模具的设计制造水间方面均优于显式算法%但在实际工程中!板料成形大多平!一直是制约汽车产品开发速度与品质的

4、核心因素4&5%为复杂的三维问题!隐式算法具有不易收敛’计算量大’求解困难’效率低的缺点4!5%车身覆盖件是指覆盖汽车发动机’底部’驾驶室和车身的用金属薄板冲压成的表面零件和内部零件%与一般冲压件汽车覆盖件板材的冲压过程是一个瞬态冲击的过程!相比!形状复杂"多为空间曲面(!外轮廓尺寸大!材料变形时间短而变形量很大!动态显式法适合这类瞬态问题相对厚度小!表面质量要求较高%的求解%且它在计算时消除了收敛性问题&由于不必直接随着非线性理论’有限元方法和计算机软硬件的迅速求解线性方程组!当问题的尺度变得很大时!计算成本一发展2车身覆盖件冲压仿真技术在工业中的应用越来越广般不会成倍

5、增长&同时对大变形’滑动和接触的处理相对泛%由于在实际的模具设计’制造和产品生产过程中!通较容易%过计算机仿真能及时发现问题并做出修改!提高模具的设在0"年代中期以前显式算法主要用于高速碰撞的仿计和制造质量!缩短开发周期!降低制造成本!因而国外真计算!0"年代后期被广泛用于冲压成型过程仿真%显式各大汽车制造商都把板料成型数值模拟作为新车型开发的有限元方法主要指时间积分格式采用显式格式的一种有限必要分析工具%元方法!它没有隐式方法中的平衡迭代过程!即不存在解的收敛性问题!也不需要求解非线性联立方程组%它和隐!有限元分析的基本方法式算法在材料模型的本构方程’单元类型的选择方面

6、是相板料成型过程是一个初始的金属平板到目标形状的变同的%动力显式算法基于动态平衡方程!对空间域进行有形过程%从理论上分析!板料成型过程是一个极其复杂的限元离散化!对时间域一般采用中心差分法进行离散!建力学过程!同时包含几何非线性’材料非线性和接触非线收稿日期$!""%*&"*"0!"机电工程技术!""#年第$%卷第!期专题综述立显式的有限元方程!不需迭代求解"采用中心差分法!板料成形中!摩擦力不仅影响冲压过程中成形力的大选择的时间步长!!必须满足条件小和能量消耗!还直接影响板料的成形性能)回弹量和零"件的表面质量&!!!!!&"#在板料成形仿真分析软件中!摩擦力的计算目前

7、都是对多自由度系统!周期"为最小周期"建立在经典的库仑摩擦定律的基础上!但它考虑的是两个!#"#$%&接触物体的干摩擦!认为如果两物体的摩擦力&-小于临界$’()值&.!那么盖两物体处于纯唇粘附状态&且当两物体开始式中!!为时间步长#!!"为临界时间步长#$’()为系产生相对滑移时!他们的相对滑移量不影响摩擦力的大统的最高圆周频率"小&但事实上在微观领域!任何小于&.的摩擦力都能产生但是任何板料成形均存在一定的弯曲!故冲压过程结一定的微小相对滑移&试验证明摩擦系数既与相对滑移速束后还存在回弹问题"回弹是一个自由振动过程!需要很