大型覆盖件的冲压技术内容及技术关键(上)

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　　1.冲压成形CAE前处理系统

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　　冲压成形过程计算机仿真人工干预最多的应数其前处理过程。目前大多数冲压成形的仿真都采用通用的有限元分析前处理软件。这些前处理软件虽然功能很但由于没有考虑薄板冲压成形的特点，使用起来不方便，对不熟悉有限元方法的模具设计师更是如此。最近美国ETA推出了eta/DYNAFORM，在一定程度上考虑了薄板冲压成形的特点。但eta/DYNAFORM是以LS-DYNABD为直接服务对象的，薄板冲压成形的特点利用得并不充分。湖南大学汽车技术实验室最近设计的冲压成形仿真前处理软件系统最大限度地考虑了汽车覆盖件冲压成形的特点，而且是专门为该实验室自己开发的冲压成形专用软件配套的，软件界面充分考虑模具设计师的通用术语和概念，还具备一定的模具与工艺设计数据库。尽管这一系统有待进一步完善，但已显示出极强的实用性和竿先进性。

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　　汽车覆盖件冲压成形CAE前处理系统一般来说至少具备如下功能。

　　1)精确地描述模具的几何形状根据不同仿真软件的要求，模具表面可用解析法表示，也可用有限单元的集合来表示。当用后者时，有限单元网格所代表的几何形状必须与所设计的模具表面形状足够接近，这个近似精度应当是任意可调的。

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　　2)对作一形状板料形成任意的网格网格单元一般为三节点三角形单元或四节点四边形单元。应具有产生任意疏密网格的功能，且疏网格区与密网格区应能自动过渡。网格质量应能自动检测与控制。

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　　3)模具与板料接触摩擦界面的自动定义和任意的特性参数选择。

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　　4)冲头任意运动特性的自动定义。

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　　5)压边圈上压延筋和压边力的自动定义。

　　6)板料特性参数的自动定义。

　　7)对模型进行任意修改的功能。

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　　8)对模型所包含的全部信息进行图形显示的功能。

　　9)友好的用户界面与帮助功能。

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　　2.冲压成形CAE软件系统

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　　冲压成形仿真软件涉及如下几方面的关键技术。

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　　(1)模具的几何与力学模型模具的刚度比板料的大得多，所以一般情况下可作刚体来处理。但涉及模具的摩擦磨损时，模具也应作为弹塑性体来考虑。模具的几何形状可用有限元网格来描述，也可用解析面/CAD曲面来描述。后者的几何精度高但要求特别的接触界面处理算法。冲头的运动通常以给定的位移历程或速度历和来描述。压边圈通常只允许在冲压方向运动，而定模的自由度则完全被约束。

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　　(2)板料变形模式与壳体单元目前，几乎所有的覆盖件冲压成形仿真软件都假设板料各处的变形模式符合某种壳体理论，也就是忽略板料厚向应力在成形过程中的影响。然而这个假设常常是不成立的。压筋部分或相对弯曲半径较小的区域的应力更接近三维状态。这种局部三维应力状态对成形过程仿真结果的影响影响已开始引起研究人员的重视。壳体单元以低阶的双线性单元(包括三角形和四边形单元)最为常用。这不仅是因为低阶单元便于计算和接触界面的处理，也因为它们最适合于仿真算法。

　　(3)板料本构模型汽车覆盖件冲压成形所用板材由于轧制过程中的加工硬化等现象而具有明显的正交各向异性。因此在构造板材的准则和流动准则时，考虑这种各向异性重要。同时应当注意的是，冲压成形过程本身会使板料的各向异性发生改变。目前用得最多的应数Barlat模型和Hill模型以及它们的变体。对于薄板冲压成形过程的仿真来说，本构模型中的计算问题也很关键。塑性变形区的应力状态不仅要满足屈服准则。还要满足板壳理论中厚向应力为零的假设，这就为板料塑性变形的计算增加了难度。研究表明平面应力状态下的回映算法具有精度高与计算工作量小的综合优点。

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　　(4)接触摩擦理论与算法汽车覆盖件的冲压成形完全靠作用于板料的接触力和摩擦力来完成。因此接触力和摩擦力的计算精度直接影响板料变形的计算精度、接触力和摩擦力的计算首先要求计算出任意给定时刻的实际接触面，这就是所谓的接触搜寻问题。在有限元方法中，计算接触面实际上就是找出所有处于接触状态的有限元节点。尽管接触搜寻本质上是一个几何计算的过程，但它有十分重要的力学意义。

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　　接触力的计算有两种基本方法即罚函数法和拉格朗日乘子法。罚函数法是一种近似方法，它允许相互接触的边界产生穿透并通过罚因子将接触力大小与边界穿透量大小联系起来。这种方法比较简单，也适合于显式算法，但它在显式算法中影响临界时间步长，而在隐式算法中则影响系数矩阵在计算机中的可逆性。罚因子的好坏还影响计算结果的可靠性。拉格朗日乘子法不允许接触边界的相互穿透，是一种精确的接触力算法，但它与显式算法不相容，要求特殊的数值处理。防御节点法就是这样一种处理方法。

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　　摩擦力的计算首先要求选定一个适合于两接触界面摩擦特性的摩擦定律。目前用得最广的还是传统的库仑摩擦定律。但该定律有纯粘附状态的假设，使显式算法产生困难。要克服这个困难要么用罚函数法要么用防御节点法计算纯粘附状态下的摩擦力。在隐式算法中，摩擦滑移状态将导致非对称系数矩阵。从而增加求解困难。近些年来，一些学者在充分改实验观察基础上提出了所谓的非线性摩擦定律从而去掉了传统摩擦定律中纯粘附状态的假设，为显式算法提供了方便。但非线性摩擦定律所用到的表面刚性系数需依据两接触表面的物理与化学特性精心选定，并且目前还没有足额的实验数据作参考。更通用的摩控定律则借助弹塑性理论，定义一个类似屈服面的摩擦准则和一个类似流动准则助摩擦滑移准则，并可考虑摩擦表面的各向异性等。

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　　(5)网格细分与网格自适应技术一个大型覆盖件的冲压成形过程的仿真通常涉及上万个有限单元。为了在冲压成形的不同阶段合理地布局网格的密度，板料的网格细分或网格自适应技术是十分必要的。网格细分指以某一参考网格为基础将经受过高应变或应力梯度的单元分成若干个小单元，而其他单元保持不变。而网格自适应则是指网格随板料的变形不断地重新划分，以保证高应变梯度区有较密的网格而低应变梯度区有较稀的网格。网格细分和网格自适应技术中的一个关键是新老有限单元间各物理量如积分点上的应为应变等的相互换算问题。这个换算关系处理不好就可能给仿真结果带来误差，甚至使整个仿真结果失效。

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　　(6)隐式算法与显式算式将冲压成形过程的计算作为动态问题来处理时就涉及到时间域的数值积分方法问题。在80年代中期以前，人们基本上使用牛曼法进行时间域的积分根据牛曼法，位移、速度和加速度有着如下的关系：

　　ui+1=ui+Δtυi[(1-2β)αi+2βαi+1] 　(1)

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　　ui+1=ui+Δt[(1-γ)αi+γαi+1] 　 (2)

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　　式中，ui+1和ui分别为当前时刻和前一时刻的位移，ui+1和ui为当前时刻和前一时刻的速度，ui+1和ui为当前时刻和前一时刻的加速度，β和γ为两个待定的算法参数。由式(1)和式(2)可知，在牛曼法中任一时刻的位移、速度和加速度都相互关联，这就使得运动方程的求解变成一系列相互关联的非线性方程的求解。这个求解过程必须通过迭代和求解联立方程组才能实现，这就是通常所说的隐式求解法。隐式求解法可能遇到两个问题。其一是迭代过程不一定收敛，其二是联立方程组可能出现病态而无确定的解。隐式求解法的最大优点是通过设定合适的β和γ值它具有无条件稳定性即时间步长可以任意大。

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　　由于隐式算法的收敛性问题，80年代中期后人们越来越多地采用中心差分法进行冲压成形过程仿真的时域积分。在中心差分法中，位移、速度和加速度的关系如下：

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　　ui+1=2ui-ui-1+αi(Δt)2 (3)

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　　ui-1=ui+1-ui-1/(2Δt) 　(4)

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　　由式(1)可以看出当前时刻的位移只与前一时刻的加速度和位移有关。这意味着当前时刻的位移求解无需迭代过程。另外，只要将运动方程中的质量矩阵和阻尼矩阵对角化，前一时刻的加速度求解无需解联立方程组，从而使问题大大简化，这就是所谓的显式求解法。显式求解法的优点是它既没有收敛性问题，也不需求解联立方程组，其缺点是时间步长受到数值稳精定性的限制，不能超过系统的临界时间步长。由于冲压成形过程具有很强的非线性，从解的精度考虑时间步长也不能太大，这就在很大程度上弥补了显式求解法的缺陷。

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