冲压模具结构分析数值模拟方法

摘要

本发明涉及的是一种冲压模具结构分析数值模拟方法，首先通过板料冲压成形数值模拟获得冲压过程中变形板料和模具表面之间的接触力；同时对模具三维CAD模型进行简化后，离散为体单元，离散的体单元要保证一定的质量和控制总数量；然后将板料冲压成形数值模拟得到的变形板料和模具成形表面之间的接触作用力施加到用于模具结构分析数值模拟的体单元表面节点上，完成模具结构分析有限元模型；最后提交到求解器求解。本发明模型简单，计算规模小，是目前软硬件水平下对复杂冲压模具进行结构分析的一种现实、有效方法。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种计算机应用技术领域的模拟方法，特别是一种冲压模具结构分析数值模拟方法。

背景技术

模具在金属塑性成形过程中起着非常重要的作用。为了满足汽车轻量化的要求，汽车用钢板的强度等级越来越高，高强度钢冲压时模具载荷是普通钢冲压时的2-3倍，传统的覆盖件冲压模具设计准则不一定能满足高强度钢冲压要求。单纯地增大模具的体积和厚度，选用硬度更高的模具材料，必然会增加模具材料成本和生产中的能耗，而且有时候并不能起到预期效果。对高强度钢冲压模具进行强度、刚度校核、寿命预测以及进一步的结构优化，迫切需要一种定量化的模拟方法。

经对现有技术文献的检索发现，韩国的Y.S.Lee等在《Journal of MatrerialProcessing Technology》(材料成形技术学报)2004年153-154期1081-1088页上发表的“Analysis of the elastic characteristics at die and workpieceto improve the dimensional accuracy for cold forged part”(分析模具和工件的弹性变形以提高冷锻件的尺寸精度)，该文中提出将工件看成弹塑性体，模具中的凹模视为刚性体，冲头视为弹性体，用数值模拟方法研究了冷锻模的弹性变形，以考虑模具变形对工件尺寸精度的影响，其不足在于：该方法在目前的软硬件水平下，只能模拟如轴对称等简单零件成形，覆盖件冲压模具通常体积大而且结构复杂，用此方法难以实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种冲压模具结构分析数值模拟方法，使其在当前软硬件水平下为冲压模具强度刚度校核、寿命预测以及进一步的结构优化提供一种可行、可信的数值模拟方法，用以指导模具设计和冲压生产。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体步骤如下：

①进行板料冲压成形数值模拟，从模具三维CAD(计算机辅助设计)模型中提取出模具(凸模、凹模和压边圈)的成形表面，导入有限元前处理软件(如商业有限元前处理软件HyperMesh)中，对模具成形表面进行简化后，采用控制弦高差的方法将工具成形表面离散为壳单元，选用增量法有限元代码(如商业有限元求解软件Ls-Dyna)作为板料成形数值模拟的求解器，确定坯料尺寸并对其进行网格离散，按照求解器的要求设置完成后，从有限元前处理软件中导出有限元求解器输入文件，然后提交给有限元求解器求解，求解完成后，使用后处理软件(如商业有限元后处理软件HyperView)对数值模拟结果进行观察，得到变形板料和模具成形表面之间的接触作用力；

②将模具三维CAD模型导入有限元前处理软件中，首先对模具三维CAD模型进行简化，简化后的模具三维CAD模型要同时满足以下A、B、C三点要求：

A简化后的模具三维CAD模型要便于对其进行体单元离散，并且离散的体单元要满足企业有限元模拟单元质量要求，

B简化后的模具三维CAD模型，离散后的体单元数量要在企业结构分析有限元软硬件处理能力内，

C在满足以上A、B两点的基础上，减小模具三维CAD模型简化程度，

按照以上A、B、C三条的要求，对简化后的模具三维CAD模型进行体单元离散，选用于模具结构分析的有限元求解器(如商业有限元软件Marc)，按照求解器的要求设置完成后，导出有限元求解器输入文件，这时的有限元模型还没有包含变形板料和模具成形表面之间的相互作用；

③将①步板料冲压成形数值模拟得到的变形板料和模具成形表面之间的接触作用力施加到②步得到的用于模具结构分析数值模拟的体单元表面节点上，由于板料成形数值模拟有限元建模时模具成形表面简化和网格离散与模具结构分析数值模拟有限元建模时模具三维CAD模型简化和网格离散不同，所以①步板料成形数值模拟得出的成形板料和模具表面之间的接触作用力可能不在②步得到的用于模具结构分析数值模拟的体单元表面上，需要将①步板料成形数值模拟得出的成形板料和模具表面之间的接触作用力施加到②步得到的用于模具结构分析数值模拟的体单元表面节点上，作为力边界条件以代替实际成形过程中板料和模具表面之间的相互作用，具体通过以下A、B、C三个步骤实现：

A将板料成形数值模拟中模具表面网格上的载荷点移动到距其最近的用于模具结构分析数值模拟的体单元表面，

B将移动到体单元表面上的载荷插值到体单元表面节点上，

C根据模具结构分析数值模拟有限元求解器输入文件的格式规范，改写②步得到的有限元求解器输入文件，增加作用在体单元表面节点上的载荷；

④将③步补充完成的用于模具结构分析数值模拟的有限元求解器输入文件提交到用于模具结构分析数值模拟的有限元求解器求解，求解完成后，采用后处理软件(如商业有限元后处理软件Mentat)对结果进行观察分析，如果不符合所需的结果，找出原因，如果因为①步板料成形数值模拟获得的载荷错误，返回到①步，如果因为②步离散得到的用于模具结构分析的体单元质量过差，返回到②步，如此循环，直至获得所需结果。

本发明使用板料成形数值模拟获得成形过程中板料和模具之间的相互作用力，在进行模具结构分析数值模拟时，将此作用力施加到模具体单元表面，形成节点载荷以代替变形板料和模具表面之间的相互作用。这种处理方法大大简化了问题的复杂度，并且相比于将总体成形载荷作为均布力施加到模具与压力机安装台面上的有限元建模方法，该方法模具受力与实际工况更接近，对设计的双曲底面盒形件拉深模具用该方法进行数值模拟，并进行了试验验证，模具上等效应力的实测结果和数值模拟结果误差不超过15％，表明该方法是目前进行复杂冲压模具结构分析的一种现实有效方法。

附图说明

图1为本发明方法流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例以一个底面为双曲面、直壁部分三侧为平面，一侧为曲面的盒形件拉深模具为例，模拟其应力及变形，并进行了相应的试验以验证本发明的有效性。

具体步骤如下：

①进行板料冲压成形数值模拟，从模具三维UG(Unigraphics，一种三维CAD软件)模型中提取出模具的成形表面，导入HyperMesh软件中，对模具成形表面进行简化后，采用控制弦高差的方法(最大弦高差0.1mm，最小单元尺寸0.5mm，最大单元尺寸30mm)将工具成形表面离散为壳单元，选用Ls-Dyna软件作为板料成形数值模拟的求解器，板料尺寸为240×200mm²，对其进行网格离散，按照求解器的要求，设置好板料的材料性能参数、板料单元类型和积分方案、工具和坯料之间的接触关系以及工具的运动条件等后，从HyperMesh软件中导出Ls-Dyna输入文件，然后提交给Ls-Dyna求解，求解完成后，使用HyperView对数值模拟结果进行观察、分析，目前的商用板料冲压成形数值模拟软件已经相当成熟，模拟的板料厚度变化与试验得出的工件厚度变化吻合良好，模拟的凸模成形力和在MTS成形机上采集的冲头成形力趋势一致，并且相对误差小于10％；

②将模具三维UG模型导入HyperMesh软件中，首先对模具三维CAD模型进行简化，简化掉模具部件中的倒角、用于装配的螺钉孔、尺寸小于5mm的加强筋等几何特征，然后将其离散为六面体单元，95％以上的单元质量满足：翘曲小于12.0、雅克比大于0.7、纵横比小于5.0、偏斜小于60.0，六面体单元总数为14万7千，结点总数为15万4千，单元质量满足一般企业有限元分析质量要求，单元总数在有限元软件Marc的处理能力内。网格离散后，按照Marc软件的要求，设置好工具的材料性能、工具各部件之间的接触关系、位移边界条件、载荷边界条件和载荷步等后，导出Marc输入文件；

③将①步板料冲压成形数值模拟得到的变形板料和模具成形表面之间的接触作用力施加到②步得到的用于模具结构分析数值模拟的体单元表面节点上，采用VC(Visual Studio，一种程序开发工具)编写的载荷映射工具-LoadMapping(载荷映射，用户开发的用于载荷映射的工具)，以板料成形数值模拟网格信息、模具结构分析数值模拟网格信息、①步板料成形数值模拟得到的结果文件和②步得到的Marc输入文件为输入，运算、处理得到新的Marc输入文件，新Marc输入文件中增加了作用在工具六面体单元成形表面节点的点载荷；

④将③步得到的Marc输入文件提交到Marc求解器求解，求解完成后，采用Mentat软件对结果进行观察。

为了验证该方法的有效性，开发了冲压模具结构分析应力、应变采集系统，该系统包括改装后的双曲底面盒形件拉深模具，电桥盒，动态数字应变仪，信号采集卡和开发的基于Windows的数据采集软件。进行了两种板料在不同恒定压边力下的拉深试验，试验结果表明，对每一种试验情况，模具上等效应力的实测结果和数值模拟结果误差不超过15％，该方法具有模型简单，计算规模小的优点，是目前软硬件水平下对复杂冲压模具进行结构分析的一种现实、有效方法。

本发明适用范围不限于冲压模具结构分析，类似的步骤，可应用于如锻造，挤压模具(包含，并不限于)结构分析。该方法还用于轿车地板部件冲压模具结构分析，相同的步骤和操作过程，同样取得了良好的效果。