确定板料多步成形的中间构型的几何参数的优化设计方法

摘要

本发明公开了一种确定板料多步成形的中间构型的几何参数的优化设计方法，包括：建立板料多步成形的中间构型和最终构型的三维CAD参数化模型；选取需要优化的中间构型几何参数；建立中间构型的一步法仿真模型并根据选取的几何参数对仿真模型的有限元网格进行参数化处理；确定优化目标和约束条件；选取合适的优化算法，启动优化过程，获得优化后的中间构型的几何参数；根据优化得到的中间构型几何参数，更新中间构型的三维CAD模型；建立多步成形的增量法仿真模型，进行验证，若达不到要求，则返回重新建立中间构型的一步法仿真模型，重复优化过程，直至满意为止。

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定板料冲压成形中模具型面几何参数的优化设计 方法，尤其涉及一种确定板料多步成形的中间构型的几何参数的优化设 计方法。

背景技术

对于一些成形深度较大的冲压零件或者压边力不能调节的局部凸包 成形，一般要分多步成形，从而避免出现开裂和起皱缺陷。在多步成形 中，中间构型一般根据最终成形构型选取若干参数进行修改获得。在传 统方法中，中间构型几何参数的取值依赖于工程师的经验，而且需要通 过不断修改和试错，才能获得符合要求的中间构型形状，开发成本较高。 虽然近十年来有限元仿真技术越来越多地用于模拟板料的成形过程，并 能成功预测成形过程中的起皱和破裂等缺陷，可以减少物理试模，降低 成本，但是这种方法只是取代了物理试模，不能达到参数的优化设计。 在板料的多步成形过程中，找到一种确定中间构型的几何参数的方法， 达到中间构型几何参数的最优设计，对于工程师和技术人员来讲显得非 常关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确定板料多步成形的中间构型的几何参 数的优化设计方法，解决多步成形中间构型的几何参数的取值只能依靠 工程师的经验，准确性差，难以得到中间构型几何参数的最优取值的问 题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种确定板料多步成形 的中间构型的几何参数的优化设计方法，其特点是包括如下步骤：

(a)建立板料多步成形的中间构型和最终构型的三维CAD参数化模 型。

(b)选取需要优化的中间构型几何参数。

(c)建立中间构型的一步法仿真模型，并根据选取的几何参数对仿 真模型的有限元网格进行参数化处理。

(d)确定优化目标和约束条件。

(e)选取合适的优化算法，例如自适应响应面方法、遗传算法等)， 启动优化过程，获得优化后的中间构型的几何参数。

(f)根据优化得到的中间构型几何参数，更新中间构型的三维CAD 模型。

(g)建立多步成形的增量法仿真模型，进行验证，若达不到成形质 量要求，则返回重新建立中间构型的一步法仿真模型，重复优化过程， 直至满意为止。

进一步的，所述的设计方法的步骤(a)包括：

利用UG-NX（西门子公司的三维造型软件）建立板料多步成形的中间 构型和最终构型的参数化模型，并通过偏置操作获得对应的凸凹模型面， 然后分别导出零件和模具型面的中间格式igs文件。

所述的设计方法的步骤(c)包括：

将中间构型零件的igs文件导入hypermesh（澳汰尔公司的前处理软 件）中，选择一步法radioss-onestep模板，对零件进行网格划分，选 择冲压参数，建立中间构型的一步法仿真模型。然后利用hypermesh软 件中的hypermorph功能，根据需要优化的几何参数，建立中间构型零件 网格的参数化模型。

进一步的所述的设计方法的步骤(d)包括：

利用Keeler-Goodwin成形极限曲线经验公式建立所用材料的成形极 限曲线，并依据成形极限曲线建立材料的质量函数曲线。根据建立的质 量曲线函数，设置优化目标为所有成形后单元应变坐标点离质量函数曲 线的距离的平方和最小，约束条件为厚度减薄率最大的50个单元的平均 减薄率小于25%。

所述的设计方法的步骤(e)包括：

根据步骤(b)选定的优化参数和步骤(d)设定的优化目标以及约束函 数，在hyperstudy（澳汰尔公司多学科优化软件）中建立整个优化过程， 选取自适应响应面法作为优化算法，启动优化过程，获得优化后的中间 构型的几何参数。

进一步的所述的设计方法的步骤(f)包括：

根据步骤(e)得到的中间构型几何参数，在西门子公司的三维造型软 件UG-NX中对中间构型的CAD模型进行更新。

所述的设计方法的步骤(g)包括：

将中间构型和最终构型的模具型面的中间格式igs文件导入 PAM-STAMP 2G（ESI集团的冲压成形模拟软件）中，建立多步成形的增量 法仿真模型，进行多步成形冲压过程的模拟，验证零件的成形效果是否 达到优化目标，若达不到目标，则返回步骤(c)，重新建立中间构型的一 步法仿真模型，重复优化过程，直至步骤验证(g)结果满意为止。

本发明的有意效果是：由于结合了有限元模拟技术、基于 Keeler-Goodwin成形极限曲线建立的质量函数曲线以及优化技术，提供 了一种确定板料多步成形的中间构型的几何参数的优化设计方法，解决 了现有的仅靠工程师的经验难以获得较优的中间构型几何参数的问题。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1为某矩形局部特征零件的CAD模型。

图2为本发明的一种确定板料多步成形的中间构型的几何参数的优 化设计方法的流程图。

图3为中间构型的CAD模型。

图4为最终构型的CAD模型。

图5为多步成形示意图及相关尺寸。

图6为矩形局部特征零件一步法(radioss-onestep)仿真模型。

图7为材料SCEEN5的质量函数曲线。

图8为矩形局部特征零件优化前后单元主次应变坐标点的对比。

具体实施方式

实施例1：图1为某一矩形局部特征零件的CAD模型，具体轮廓尺寸 为：长200mm，宽200mm，厚0.8mm。材料为SECCN5，弹性模量为210Mpa， 泊松比为0.28，硬化指数n=0.1825，厚向异性系数r=1.662。由于该零 件是从某一背板零件中提取的，背板零件在成形过程中压边力不能调节， 所以该矩形局部特征零件在成形过程中压边力也不能进行调节，该零件 一步成形后会出现开裂现象，需要通过多步成形来解决开裂问题。

图2示出了本发明的一种确定板料多步成形的中间构型的几何参数 的优化设计方法的流程图。本发明的确定板料多步成形的中间构型的几 何参数的优化设计方法包括如下步骤：

(a)利用西门子公司的三维造型软件UG-NX建立板料多步成形的中 间构型和最终构型的参数化模型，如图3和图4所示。通过偏置操作获 得对应的凸凹模型面，然后分别导出零件和模具型面的igs文件。

(b)选取圆角R1、圆角R2和成形深度H作为需要优化的中间构型几 何参数，如图5所示。

(c)将中间构型零件的igs文件导入澳汰尔公司的前处理软件 hypermesh中，选择radioss-onestep模板，对零件进行网格划分，选择 冲压参数，建立中间构型的一步法仿真模型。然后利用hypermesh软件 中的hypermorph功能，根据需要优化的几何参数，建立中间构型零件网 格的参数化模型，如图6所示。

(d)利用Keeler-Goodwin成形极限曲线经验公式建立所用材料的 FLC曲线，并依据FLC曲线建立材料的质量函数曲线，如图7所示。根据 建立的质量曲线函数，设置优化目标为所有成形后单元应变坐标点离质 量函数曲线的距离的平方和最小，约束条件为厚度减薄率最大的50个单 元的平均减薄率小于25%。

(e)根据步骤(b)选定的优化参数和步骤(d)设定的优化目标以及约 束函数，在澳汰尔公司多学科优化软件hyperstudy中建立整个优化过程， 选取自适应响应面法作为优化算法，启动优化过程，获得优化后的中间 构型的几何参数，优化有的中间构型的几何参数分别为：圆角R1为 2.91mm，圆角R2为4.07mm，成形深度H为6.99mm。

(f)根据步骤(e)得到的中间构型几何参数，在西门子公司的三维造 型软件UG-NX中对中间构型的CAD模型进行更新。

(g)将中间构型和最终构型的模具型面的igs文件导入ESI集团的 冲压成形模拟软件PAM-STAMP 2G中，建立多步成形的增量法仿真模型， 进行多步成形冲压过程的模拟，对优化后的中间构型几何参数进行验证。 验证结果如图8所示，从图中可以看出，利用优化后的中间构型几何参 数使零件成形质量更优，改善了零件起皱和开裂问题，达到了预期目标。