金屬板料漸進(jìn)成形工藝過程有限元模擬

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文介紹了金屬板料分層漸進(jìn)成形過程有限元模擬。在金屬板料漸進(jìn)成形過程中,材料的彈塑性變形十分復(fù)雜,影響成形過程的因素很多,同時(shí)各個(gè)工藝參數(shù)對成形過程的影響又很難確定。為此根據(jù)金屬板料分層漸進(jìn)成形為多工步成形的技術(shù)特點(diǎn),建立一種有限元模擬方案,對板料漸進(jìn)成形過程進(jìn)行模擬分析。

1.前言

板料零件數(shù)控漸進(jìn)成形工藝是一種通過數(shù)字控制設(shè)備,采用預(yù)先編制好的控制程序逐點(diǎn)成形板料零件的柔性加工工藝。該工藝不需要專用模具,成形極限較大,重復(fù)性好,可控制金屬流動,能加工出形狀復(fù)雜的自由曲面,適合于航天、汽車工業(yè)等的小批量、多品種、形狀復(fù)雜的板料零件加工,有著十分誘人的發(fā)展前景。但是迄今為止,國際上對數(shù)控漸進(jìn)成形工藝的研究也只處于探索階段,理論方面的分析較少且不成熟,對于該工藝的成形和控制方面還有待于發(fā)展完善。

隨著有限元分析技術(shù)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)性能的不斷提高,一個(gè)融入了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)值方法、塑性成形理論與工藝等各類技術(shù)的模擬軟件系統(tǒng)已逐漸成為板料數(shù)控漸進(jìn)成形研究及成形優(yōu)化的強(qiáng)有力的工具。

本文就引入有限元模擬技術(shù)對板料零件數(shù)控漸進(jìn)成形工藝的成形過程進(jìn)行模擬方面的探討。

2.金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形原理

板料零件數(shù)控漸進(jìn)成形的加工過程如圖1所示。數(shù)控成形系統(tǒng)主要由工具頭(成形工具)、導(dǎo)向裝置、芯模和機(jī)床本體組成。工具頭在數(shù)控系統(tǒng)的控制下進(jìn)行運(yùn)動,芯模起支撐板料的作用,對于形狀復(fù)雜的零件,該芯?？梢灾瞥珊唵蔚哪＞?有利于板料的成形。

成形時(shí),首先將被加工的板料置于一個(gè)通用芯模上,在托板四周用壓板夾緊板料,該托板可沿導(dǎo)柱上下滑動。然后將該裝置固定在三軸聯(lián)動的數(shù)控成形機(jī)上,加工時(shí),成形工具先走到指定位置,并對板料壓下設(shè)定壓下量,然后根據(jù)控制系統(tǒng)的指令,按照第一層輪廓的要求,以走等高線的方式,對板料進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)塑性加工,如圖1b所示。

3.成形過程的計(jì)算機(jī)模擬

成形過程的特點(diǎn)決定了金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形的成形過程是一個(gè)同時(shí)包括幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性等問題的非常復(fù)雜的彈塑性大變形力學(xué)過程,其物理模型和數(shù)學(xué)模型都不同于傳統(tǒng)的板料單次拉深工況下的模型,必須基于板料分層成形的特點(diǎn)進(jìn)行分層成形過程的計(jì)算機(jī)模擬,采用大變形彈塑性非線性有限元法求解分析模型,獲得工件成形過程中變形和應(yīng)力的分布、成形力的變化、預(yù)測成形過程中可能產(chǎn)生的缺陷,為制定正確的成形工藝提供理論依據(jù)。

作為大型的通用有限元分析軟件之一,ANSYS/LS-DYNA兼有ANSYS和LS-DYNA的優(yōu)點(diǎn)。其強(qiáng)大的非線性功能、多種材料模型和較強(qiáng)的運(yùn)動加載控制在模擬板料漸進(jìn)成形方面具有很大優(yōu)勢。ANSYS后處理器可以很方便的將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行彩色等值、矢量圖和梯度等多種直觀顯示。經(jīng)過漸進(jìn)成形后板料的應(yīng)力場分布、板厚變化和各種工藝參數(shù)對成形結(jié)果的影響可以直觀方便的顯示,并可有效的模擬出板料漸進(jìn)成形的全過程,為金屬板料漸進(jìn)成形過程中各種工藝參數(shù)的合理優(yōu)化,有效地控制板料的變形過程提供理論依據(jù)。

下面對有限元模擬中模型建立、網(wǎng)格劃分、加載和邊界條件等關(guān)鍵方面進(jìn)行分析。

有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分對于板料漸進(jìn)成形工藝過程的有限元模擬來說,其建模過程不是很復(fù)雜。在ANSYS本身具有的前處理模塊就可以對整個(gè)模型進(jìn)行完整的描述。另外,ANSYS提供了與其他CAD軟件的專用數(shù)據(jù)接口,能夠?qū)崿F(xiàn)與CAD軟件間無縫的幾何模型傳遞,對于較復(fù)雜的頂支撐模型可通過其他CAD軟件導(dǎo)入。

圖2為模擬方盒件成形的有限元模型。

該模型由工具頭、板料、托板和壓板以及頂支撐模型四部分組成,能夠較好的完成對整個(gè)成形過程的模擬。

建模的關(guān)鍵在于網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分中各種參數(shù)的設(shè)置將決定生成的模型在分析時(shí)是否能夠滿足準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。通常情況下映射網(wǎng)格具有規(guī)則形狀、排列有規(guī)律的單元,往往比自由網(wǎng)格得到的結(jié)果更加精確,而且在求解時(shí)對CPU和內(nèi)存的需求也相對要低些。為獲得這種規(guī)則網(wǎng)格形狀,需要從建立幾何模型開始就對模型進(jìn)行比較詳盡的規(guī)劃,以使生成的模型滿足生成映射網(wǎng)格的規(guī)則要求。同時(shí)對網(wǎng)格的疏密進(jìn)行控制,在板料的塑性變形區(qū)采用較密的網(wǎng)格劃分,而對沒有參與變形的區(qū)域采用較疏的網(wǎng)格劃分。在板料漸進(jìn)成形工藝中,工具頭按指定軌跡進(jìn)行運(yùn)動,板料每次產(chǎn)生的變形僅發(fā)生在成形球頭的周圍,對于幾乎所有的金屬(бb/бS≤2)其塑性區(qū)大小:

其中d為工具頭直徑,t為板厚,△h為工具頭單層進(jìn)給量。

因此網(wǎng)格細(xì)分區(qū)應(yīng)在成形零件的外輪廓基礎(chǔ)上有一個(gè)相應(yīng)的偏移量T0,其中T0≥R0。另外,對不同的零件形狀工具頭所走的軌跡也有所不同,相應(yīng)的板料網(wǎng)格劃分也應(yīng)采取不同的形式。圖3為成形方盒零件和圓盒零件所采取的兩種板料網(wǎng)格劃分形式。

工具頭的運(yùn)動加載

由于工具頭的運(yùn)動軌跡多為空間曲線,用ANSYS直接模擬這樣的空間曲線運(yùn)動還比較困難,目前采用的方法是用若干較小的直線段對曲線進(jìn)行分段逼近.每個(gè)直線段起點(diǎn)和終點(diǎn)均給以相應(yīng)的坐標(biāo),坐標(biāo)以相對位移增量的形式給出(相對于工具頭初始位置),且每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)時(shí)間點(diǎn),這樣即可完成對工具頭運(yùn)動軌跡的模擬。

圖4所示為成形方盒件時(shí),工具頭的位移軌跡加載。把X、Y、Z方向的位移增量表示為時(shí)間的函數(shù),通過運(yùn)動合成實(shí)現(xiàn)整個(gè)加載過程。

在工具頭運(yùn)動速度控制方面,為了減少計(jì)算時(shí)間,通常采用增加工具頭運(yùn)動速度的方法,在模具成形時(shí),模擬速度一般為實(shí)際速度的100倍左右,在這里也沿用這一方法進(jìn)行模擬,即縮短相鄰兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔。多數(shù)情況下可獲得較好的解,當(dāng)出現(xiàn)與實(shí)際情況不符的解時(shí),應(yīng)適當(dāng)降低模擬速度。

邊界條件的處理

板料漸進(jìn)成形過程中邊界條件的處理也是比較重要的一環(huán)。在實(shí)際模擬中對板料的邊界條件進(jìn)行相應(yīng)的簡化,建模時(shí)板料和托架及壓邊框即固連在一起,實(shí)際上即相當(dāng)與將板料被壓邊框壓住的部分自由度全部限制住,僅給予托架沿Z軸(垂直)方向的位移自由度,對頂支撐模型約束所有的自由度,這樣即達(dá)到與實(shí)際成形情況相符的目的。

模擬結(jié)果的后處理

后處理是指檢查分析的結(jié)果,這是分析中最重要的一環(huán)。ANSYS本身自帶有兩個(gè)后處理器可用以顯示和分析模擬的結(jié)果。POST1通用后處理器可以觀察整個(gè)模型或模型的一部分在某個(gè)時(shí)間上針對特定載荷組合時(shí)的結(jié)果,可進(jìn)行模擬結(jié)果彩色等值云圖、梯度、矢量圖等顯示,以及各種結(jié)果數(shù)據(jù)的列表?？蓪⒊尚伟辶系淖冃螆D以及應(yīng)力、應(yīng)變分布圖顯示出來。關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果還可以列表顯示保存。POST26為時(shí)間歷程后處理器,可在瞬態(tài)分析中以圖形表示產(chǎn)生結(jié)果項(xiàng)與時(shí)間的關(guān)系或在非線性分析中以圖形表示作用力與變形的關(guān)系?？捎迷撎幚砥鲗u進(jìn)成形過程中,板料變形隨工具頭運(yùn)動的變化情況顯示出來。另外LSTC公司開發(fā)的軟件LS-POST作為后處理器兼具上述兩個(gè)后處理器的特點(diǎn),操作簡單快捷。圖5為板料漸進(jìn)成形模擬及用LS-POST顯示方盒件加工到第四層時(shí)的塑性應(yīng)變圖。

結(jié)束語

金屬板料漸進(jìn)成形不同于傳統(tǒng)的整體成形,影響工件質(zhì)量的因素非常復(fù)雜,金屬板料漸進(jìn)成形的有限元模擬可以對成形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,對成形結(jié)果進(jìn)行預(yù)測以及缺陷診斷,是改進(jìn)這一成形工藝的強(qiáng)有力的工具。然而這一模擬還處于起步階段,板料漸進(jìn)成形是一個(gè)涉及多門學(xué)科的塑性成形過程,在使用有限元方法進(jìn)行板料漸進(jìn)成形過程模擬方面還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步研究:

(1)對工具頭較復(fù)雜的曲線運(yùn)動進(jìn)行模擬還存在一定困難。目前大多進(jìn)行規(guī)則曲面的模擬,因此在較復(fù)雜的軌跡加載方面需對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)。

(2)對于模擬過程中影響板料變形的參數(shù)和成形結(jié)果之間的關(guān)系需進(jìn)一步分析,如工具頭的運(yùn)動速度、單層進(jìn)給量和邊界條件等,建立影響板料變形的參數(shù)數(shù)據(jù)庫,為優(yōu)化模擬參數(shù),預(yù)測板料變形提供理論依據(jù)。

(3)由于板料漸進(jìn)成形的成形特點(diǎn),決定了對其成形工藝過程進(jìn)行有限元模擬時(shí)必然要耗費(fèi)大量的機(jī)時(shí),目前模擬方盒件20層成形需要上百小時(shí),因此需對諸多影響模擬時(shí)間的因素如最小時(shí)間步、網(wǎng)格劃分、工具頭的速度控制以及建模規(guī)劃等方面進(jìn)一步研究。

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