金属片成型中的废料修边操作的数值模拟

摘要

接收表示修边前的冲压金属片的FEA模型、以及修边操作设置。每个修边片包含与修边矢量相关联的一组切削刃节点。通过根据修边矢量、将切削刃节点投影到FEA模型上，建立至少一个修边线。在与被交叉的有限元的边缘的交叉点处，创建沿着修边线的数值约束的节点对。通过分割被交叉的有限元以保持原始几何形状并确保数值稳定性，来修改FEA模型。使用对应节点对中的一个节点来定义新的有限元，使得没有有限元跨在修边线上。在修边操作的时间推进模拟期间的每个求解周期，为被确定为被一个切削刃节点到达的每个节点对释放数值约束。当废料部分对应地变形和落下，获得模拟的结构特性。

说明书

技术领域

本发明总的涉及用于模拟金属片成型或者冲压过程(例如，深拉伸)的计算机辅助工程分析，更具体地涉及用于执行金属片成型中的废料修边操作的时间推进模拟的方法和系统。

背景技术

金属片成型已经在行业内使用多年，用于从毛胚金属片生成金属零件，例如，汽车制造商和他们的供应商可使用金属片成型来生产许多零件。一个最常用的金属片成型过程被称为拉伸成型或者冲压。

通常，在毛胚金属片形成拉伸零件(或者冲压金属片)后，该拉伸零件包括被修边部分(期望保持的部分，或者有时候被称为父部分)、以及至少一个废料部分(不期望的额外材料)。至少一个废料部分在修边操作中被修边或者切除，以产生被修边部分，根据拉伸零件是部分地或者全部被拉伸，被修边部分可以是或者不是成品。它还取决于修边操作是否是中间操作或者最终操作。修边操作在修边模具中完成，修边模具具有修边槽，以将得到的废料部分导向离开至废料收集器。修边和得到的废料的落下是影响金属片冲压制造程序的效率和生产率的首要因素或者考虑事项中的一些。困难的修边条件，例如那些多次直接修边、直接和凸轮修边的混合、以及包括旁路条件的多次凸轮修边，可导致被修边的废料被卡住，且不能从上部修边钢或者下部修边柱的修边刃分离。模具结构和废料槽的不合适设计也可能减慢或者阻止废料翻出或者落下到废料收集器内。较小的废料件(例如铝)有时候可直冲射出，且聚集在模具结构的区域内。所有的这些问题导致冲压机停工、减少每分钟的冲程、且导致生产率的无数美元的损失。

随着计算机技术的出现，可以使用计算机辅助工程分析(例如，有限元分析(FEA))来数值模拟制造程序。例如，FEA已经被用于数值模拟金属片成型的制造过程，该制造过程特别地包括修边操作。但是，现有技术的方法要求许多手动的步骤，这些人工的步骤是特别讨厌的，因此容易出错。在一种现有技术的方法中，每个废料部分的分开的计算机模型需要被手动创建，且经常要求推理的专门技术。

期望有用于执行金属片成型中的废料修边操作的时间推进模拟的改进方法和系统。

发明内容

公开了用于执行金属片成型中的废料修边操作的时间推进模拟的系统合方法。根据本发明的一个方面，有限元分析(FEA)模型包含多个有限元，以表示在一个或多个废料部分被切除之前的被冲压金属片，并在其上安装有应用模块的计算机系统中接收修边操作设置的定义。所述定义包括至少一个修边钢、至少一个修边柱、至少一个其它模具结构(包括废料槽)的各自的计算机模型。每个修边钢的计算机模型包含一组切削刃节点(cutting-edgenode)、以及对应的修边矢量，所述切削刃节点和修边矢量分别定义了修边钢的切削刃和方向。

通过在对应的修边矢量定义的方向上、将每组切削刃节点投影到FEA模型上，在FEA模型上建立至少一个修边线。因此，至少一个有限元被至少一个修边线交叉(cross)。

在与至少一个被交叉的有限元的边缘的交叉点处、沿着至少一个修边线，创建一系列节点对。每个节点对包括具有相同坐标的两个节点，所述两个节点最初采用数值约束数值连接至彼此。

通过将至少一个被交叉的有限元中的每一个分割为两个或更多新的有限元、使得每个新的有限元具有合适的大小以保持原始的几何形状并确保数值稳定性，来修改FEA模型。使用对应的节点对中的两个节点中的一个来定义每个新的有限元，以确保被修改的FEA模型中没有新的有限元跨在至少一个修边线上。换句话说，位于至少一个修边线的一侧的有限元仅通过数值约束连接到至少一个修边线另一侧的有限元。

被修改的FEA模型的有限元被分为第一和第二组，第一和第二组被至少一个修边线分开。第一组表示被修边的部分，所述被修边的部分采用刚性有限元建模，第二组表示一个或多个废料部分，所述废料部分采用可变形的有限元建模。

接下来使用修改的FEA模型以及所接收的修边操作设置的定义，执行修边操作的时间推进模拟。在时间推进模拟的期间的每个求解周期，当一个或多个节点对被确定为被一个切削刃节点到达时，释放一个或多个节点对的数值约束。当响应释放的数值约束、且与至少一个修边钢和至少一个修边柱接触、并与至少一个其他模具结构接触、第二组有限元变形时，获得一个或多个废料部分的数值模拟的结构特性。

通过以下结合附图对实施例的详细描述，本发明的目的、特征和优点将会变得显而易见。

附图说明

参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：

图1A-1B是共同阐述根据本发明的实施例的执行金属片成型中的废料修边操作的时间推进模拟的示例性过程的流程图；

图2A-2B是根据本发明的一个实施例的示例性修边操作设置的示意图；

图3A-3B是根据本发明的实施例的表示修边钢的切削刃的两组示例性的切削刃节点；

图4是根据本发明的实施例的示例性冲压金属片的示意图，所述冲压金属片包括被修边部分和废料部分；

图5是根据本发明的实施例的建立在FEA模型上的示例性修边线的示意图；

图6A-6D是根据本发明的实施例的各种示例性FEA模型修改和节点对创建方案的示意图；

图7A-7D是根据本发明的实施例的示例性数值约束释放方案的一系列示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的彼此交叉的两个示例性修边线的示意图；

图9是根据本发明的一个实施例的示例性简化拉伸筋模型的示意图；以及

图10是示例性的计算机的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在其中实施。

具体实施方式

首先参考图1A-1B，它共同地示出了根据本发明的实施例的执行金属片成型中的废料修边操作的时间推进模拟的示例性过程100的流程图。

过程100在动作102开始，在其上安装有应用模块的计算机系统(例如，图10的计算机系统100)中接收FEA模型和修边操作设置的定义，FEA模型包含多个有限元(例如，二维壳体单元)以表示废料部分被修边之前的被冲压金属片。FEA模型可以是数值模拟的冲压操作之后得到的金属片模型。修边操作设置包括至少一个修边钢和至少一个修边柱、以及至少一个其他模具结构(例如，废料槽)的计算机模型。至少一个修边钢的每一个的计算机模型包含表示每个修边钢的切削刃的一组切削刃节点、以及表示每个修边钢的切削方向对应修边矢量。

图2A示出了第一示例性的修边操作设置，包括修边钢210a、修边柱218a(固定的)以及一个其他的模具结构219a(固定的)。修边钢210a用于沿着修边钢切削刃212a、在修边矢量220a定义的切削方向上修剪被冲压的金属片的废料部分204a。作为修边操作的结果，被冲压金属片的被修边部分202a被保留。

在图2B中，第二示例性修边操作设置显示为包括修边钢210b、修边柱218b(固定的)以及一个其他的模具结构219a(固定的)。还示出了修边钢的切削刃212b、修边矢量220b、废料部分204b以及被修边部分202b。第二示例性设置的不同在于，修边矢量220b没有垂直于被冲压的金属片。第二设置有时候被称为凸轮修边，而第一设置被称为直接修边。

两组示例性的切削刃节点在图3A-3B示出。直线切削刃310由两个切削刃节点312a-312b表示，而曲线切削刃320由多个切削刃节点322a、322b、……322n表示。但是，在两个以上的示例性设置中，示出了一个修边钢、一个修边柱、以及一个模具结构，本发明不限于修边钢、修边柱、以及模具结构的数量。例如，可以有两个修边钢，具有两个修边柱，两个修边柱具有四个模具结构，或者两个修边钢，具有一个修边柱，一个修边柱具有八个模具结构。

接下来，在动作104，通过在对应的修边矢量(例如修边矢量220a)定义的方向上、将每组切削刃节点(例如，切削刃节点322a-322n)投影到FEA模型上，采用应用模块在FEA模型上建立至少一个修边线。结果，至少一个有限元被至少一个修边线交叉。图4是示出部分FEA模型的示意图，FEA模型表示被冲压的金属片，被冲压的金属片包括由三个修边线415a-415c分开的被被修边部分410和两个废料部分420a-420b。在废料修边操作中，两个废料部分420a-420b被沿着修边线415a-415c修剪。修边线415b的修边柱有时被称为“废料切削器”，它将一个大的废料件分为两个更小的废料件，以便于流入废料收集器内。

接下来在动作105，沿着至少一个修边线、在与至少一个被交叉的有限元的边缘的交叉点处，创建一系列节点对。每个节点对包括具有相同坐标的两个节点。这两个节点最初采用数值约束数值连接至彼此。

图5A示出了建立修边线的示例性方案。计算机模型表示修边钢510，修边钢510具有由一组切削刃节点511a-511c表示的切削刃512，切削刃节点511a-511c在对应的修边矢量定义的方向515(虚线箭头)上、投影到FEA模型520(示出为部分FEA网格)上，以形成修边线522。修边线522与FEA模型520中的多个有限元交叉。沿着修边线522、在与那些被交叉的有限元的交点处，创建一系列节点对521a-521n。

接下来，在动作106，通过将每个被交叉的有限元分割为两个或更多新的有限元、使得每个新的有限元具有合适的大小以保持原始的几何形状并确保数值稳定性，来修改FEA模型。在一个例子中，与FEA模型中的其他相比、大小上太小的任何新的有限元都可导致数值的错误。在另一个例子中，具有太大纵横比的新的有限元导致数值的错误。使用对应的节点对中的两个节点中的一个，来定义每个新的有限元，以确保被修改的FEA模型中没有新的有限元跨在至少一个修边线上。换句话说，只有位于至少一个修边线的不同侧的两个有限元之间的连接通过数值约束。图6A-6D示出的各种示例性的单元分割方案示范了根据本发明的实施例FEA模型如何被修改。

在图6A中，有限元610被修边线650交叉。创建两个节点对611a-611b和612a-612b。节点611a和节点611b具有相同的坐标，且采用数值约束(此处未图示，但是参见例如图7A中的数值约束788a-788e)数值连接至彼此。有限元610被分割为两个新的有限元615-616。使用节点611a和612a定义第一新的有限元615，而使用节点611b和612b定义第二新的有限元616。因此，第一新的有限元615和第二新的有限元616位于修边线650的两侧，因此没有跨越修边线650。

图6B示出了被修边线660交叉的两个有限元620和624。如果使用图6A所示的单元分割方案，分割有限元624所得到的两个新的有限元中的一个将会太小，因此导致数值问题。相反，使用节点对621a-621b和622a-622b内的各自的节点来重新定义两个新的有限元625-626，以确保新的有限元625和626位于修边线660的相对侧。

接下来，在图6C中示出了示例性的单元分割方案。相同的两个有限元620和624(在图6B中示出)被修边线660交叉。但是，得到的新的有限元是不同的。在修边线660的一侧，有限元620变成了两个新的有限元627a-627b，使用节点621a和622a定义两个新的有限元627a-627b。在修边线660的另一侧，有限元624被分割为新的有限元628a-628b，使用节点621b和622b定义新的有限元628a-628b。

图6D示出了另一个示例性的单元分割方案。两个有限元640和644被修边线680交叉。在有限元640、644的边缘和修边线680之间的交点处，创建三个节点对641a-641b、642a-642b、643a-643b。有限元640被分为两个新的有限元645a和645b，使用修边线680一侧的节点641a、643a和642a定义两个新的有限元645a和645b。在修边线680的另一侧，有限元644被分为两个新的有限元646a和646b，使用节点641b、643b和642b定义两个新的有限元646a和646b。

在已经修改FEA模型后，在动作108，被修改的FEA模型内的有限元被分为第一和第二组，第一和第二组被至少一个修边线分开。第一组表示被修边的部分(即，期望保留的部分)，它采用刚性有限元(即，不变形的有限元)建模。第二组表示一个或多个废料部分，它采用可变形的有限元建模。

最后，在动作110，使用修改的FEA模型以及所接收的修边操作设置，执行修边操作的时间推进模拟。在时间推进模拟期间的每个求解周期，当一个或多个节点对被确定为被切削刃节点(至少一个修边钢的)中的一个到达时，一个或多个节点对的数值约束被释放。由于响应释放的数值约束以及响应与至少一个修边钢、至少一个修边柱和至少一个其它模具结构的接触，第二组有限元变形，获得一个或多个废料部分的数值模拟的结构行为。

图7A-7D示出了阐述数值约束的示例性释放方案的一系列示意图。最初，数值约束788a-788e在全自由度(DOF)数值连接各节点对721a-b、722a-b、723a-b、724a-b和725a-b。为了可视的目的，示出了间隙(它应该是不存在的，因为节点对中的两个节点的节点坐标是相同的)。

由于时间推进模拟的继续前进，在图7B中数值约束788a已经被释放。在图7C中，两个更多的约束788b和788c被释放。在图7D中示出，一个更多的数值约束788d被释放。当每个数值约束被释放，数值模拟被切除的一个或多个废料部分。数值约束的释放次序可以是任何顺序，取决于与至少一个修边钢的切削刃节点的接触。

图8示出了在预期的交点830处的修边线810和修边线820。为了确保两个修边线将会彼此数值相交，将每个创建的修边线延长附加的长度(虚线)，或者是默认的值，或者是用户指定的输入值。此外，公差被添加，以检测切削刃节点和节点对之间的接触，从而克服FEA模型中继承的数值错误。

图9示出了用于拉伸筋910(即，用于保持金属片或者对金属片施加压力的位置)的粗略建模技术的例子。如果废料节点位于小于金属片厚度的一半至废料切削器或者修边柱的距离处，在废料与废料切削器或者修边柱之间将会发生初始的干扰，导致数值的不稳定。这些节点可以被忽略并从至少一个修边钢的切削刃节点释放。这可以使用用户定义的选项来完成，以指示哪些节点需要被排除或者释放。

根据一方面，本发明涉及一个或多个可执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统1000的例子在图10中示出。计算机系统1000包括一个或多个处理器，例如处理器1004。处理器1004连接到计算机系统内部通信总线1002。关于该示范性的计算机系统，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关技术领域的人员将会明白如果使用其它计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。

计算机系统1000还包括主存储器1008，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器1010。辅助存储器1010包括例如一个或多个硬盘驱动器1012和/或一个或多个可移除存储驱动器1014，它们代表软磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器1014用已知的方式从可移除存储单元1018中读取和/或向可移除存储单元1018中写入。可移除存储单元1018代表可以由可移除存储驱动器1014读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元1018包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。

在可选实施例中，辅助存储器1010可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统1000。这样的机制包括例如可移动存储单元1022和接口1020。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移动存储芯片(例如可擦除的可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元1022和允许软件和数据从可移动存储单元1022传递到计算机系统1000的接口1020。通常，计算机系统1000由操作系统(OS)软件控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。

可能还设有连接到总线1002的通信接口1024。通信接口1024允许软件和数据在计算机系统1000和外部设备之间传递。通信接口1024的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。计算机1000基于一组特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)。通常，通信接口1024将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口1024处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机1000的数据包。在这份文件中，术语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器1014和/或设置在硬盘驱动器1012中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机系统1000的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统1000还包括输入/输出(I/O)接口1030，它使得计算机系统1000能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪、以及类似设备。

计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块1006存储在主存储器1008和/或辅助存储器1010中。也可通过通信接口1024接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机系统1000执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器1004执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统1000的控制器。

在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移动存储驱动器1014、硬盘驱动器1012、或者通信接口1024加载到计算机系统1000中。应用模块1006被处理器1004执行时，使得处理器1004执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器1008可被加载一个或多个应用模块1006，所述应用模块1006可被一个或多个处理器1004执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口1030输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器1004执行一个应用模块1006时，结果被计算并存储在辅助存储器1010(也就是，硬盘驱动器1012)中。分析的结果基于用户的指令以文字或者图形表示的方式通过I/O接口1030报告给用户。

虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及后附权利要求的范围内。