板料成形数值模拟关键技术

采用试错接触算法的板料成形有限元模拟技术摘要：以金属板料成形过程为对象，采用基于板壳理论的8节点壳单元，以Kirchhoff应力张量和Green应变张量作为应力与应变的度量，采用有限变形的Updated Lagrangian列式，研究有限元方法模拟成形过程的技术。

在此基础上，提出了一种直接试错的接触算法，将非线性的接触边界条件线性化处理，接触处理与有限元计算相对独立。

通过试验结果与计算结果的比较，说明采用的模拟算法是合理可行的。

叙词：金属板料成形有限元模拟接触0 、前言板料冲压成形是机械工业中一种重要的加工方法，在航空、宇航、汽车等制造领域均有着广泛的应用。

长期以来，保证成形零件的成形质量、降低废品率，一直是板料成形研究的目标［1，2］。

从力学角度而言，板料成形是一个同时涵盖几何非线性、材料非线性、边界非线性的复杂的力学过程。

以往，分析成形问题多采用基于塑性理论的解析方法，由于成形过程的物理复杂性，不得不作出较多的简化和假设，这就使得解析方法只能进行很简单的成形问题的分析。

近些年发展起来的板料成形的有限元模拟技术，使得对复杂成形问题的模拟分析成为可能，在优化成形工艺、提高成形质量、降低产品开发成本等方面将发挥潜在的重要作用。

然而，目前的板料成形模拟技术仍存在诸多问题亟待解决，因此仍是国际上成形领域的研究热点［3～5］。

本文以金属板料成形过程为对象，研究利用弹塑性有限变形增量有限元方法模拟成形过程的技术。

采用基于板壳理论的8节点壳单元，以Kirchhoff应力张量和Green应变张量作为应力与应变的度量，建立了有限变形的Updated Lagrangian列式。

在此基础上，提出了一种直接试错的接触算法，在每一增量步进行接触搜索，之后交替进行几何协调处理与接触力的协调处理，直至几何协调与接触力的协调同时满足。

通过试验结果与计算结果的比较，说明采用的模拟算法是合理可行的。

1、8节点等参壳单元由于板料实际上是一种板壳结构，因此采用根据板壳理论建立的壳单元进行板料成形模拟，显然是合适的。

板料冲压成形过程的一种数值模拟方法
陈中奎;施法中
【期刊名称】《北京航空航天大学学报》
【年(卷),期】2001(027)003
【摘要】在板料冲压成形过程中存在着大变形、大应变，且几何、物理及边界条件三重非线性相互耦合使得计算过程较为复杂.在虚功原理的基础上对板料冲压成形过程的弹塑性有限元分析方法进行了研究，并将有限变形弹塑性有限元法引入板料冲压成形过程，采用更新拉格朗日(ULM, Updated Lagrange Method) 方法描述，推导了有限元列式，建立了板料成形过程的有限元分析模型，开发了分析程序.通过对汽车油底壳的成形模拟说明了模型的正确性.
【总页数】4页(P340-343)
【作者】陈中奎;施法中
【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院;北京航空航天大学机械工程及自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB115
【相关文献】
1.基于MARC的板料冲压成形过程有限元模拟研究 [J], 甘辉
2.金属板料冲压成形过程有限元分析软件的开发 [J], 陈中奎;施法中
3.板料冲压成形过程中有限元计算模型的生成研究 [J], 黄新林
4.板料冲压成形过程摩擦特性数值仿真 [J], 郑燕萍;王列亮;沈思琳
5.板料冲压成形过程有限元分析中的接触搜索法的优化 [J], 冯天飞;施法中;陈中奎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

SPCC板材冲压成形过程的数值模拟SPCC板材是一种优质的低碳钢板材，常用于制作汽车钣金、电器外壳等产品。

其具有良好的加工性能，但冲压成形过程中容易出现变形和裂纹等问题。

为了提高产品质量和生产效率，数值模拟成为一种重要的工具，可以帮助设计者优化冲压工艺和工装结构。

数值模拟的基本原理是根据材料力学特性和变形规律，通过计算机模拟来预测材料在冲压成形过程中的变形、应力和应变等参数，从而评估产品的质量和可行性。

下面我们以SPCC板材的冲压成形为例，介绍其数值模拟的过程和方法。

一、建立模型数值模拟的第一步是建立三维几何模型，包括产品形状、工艺参数、材料性质等要素。

在SPCC板材的冲压成形中，常见的产品包括箱体、盖板、底板等，需要根据不同产品的尺寸、形状和工艺要求来建立几何模型。

同时，需要设置材料参数，如杨氏模量、泊松比、屈服强度等。

二、网格划分建立几何模型后，需要将其转化为数值网格模型，也称为离散化。

这一过程主要是将复杂的几何体划分成数个小体积或小面积，以便于数值计算和求解。

网格划分的密度和精度决定了数值模拟的精度和速度。

通常，高精度的模拟需要更密的网格划分，但也会增加模拟时间和计算量。

三、建立物理模型在网格划分后，需要建立材料的物理模型，包括材料的本构模型和材料的本构参数。

本构模型是描述材料变形和应力关系的数学模型，常见的本构模型包括各向同性模型、非各向同性模型和弹塑性模型等。

用来描述SPCC板材的本构模型可以使用各向同性的屈服准则或者分段屈服的本构模型。

四、施加载荷和边界条件载荷是指在冲压成形过程中施加在材料表面的力和压力，这些载荷包括空气压力、上下模压力和侧向引伸力等。

边界条件是在数值模拟中必须考虑的约束条件，它们可以限制材料在变形过程中的位移、速度和加速度等。

通常，边界条件包括定位销、卡位、滚动辅助和止口等。

五、数值计算和分析完成模型建立和载荷设置后，就可以进行数值计算和分析。

该过程一般采用有限元分析（FEA）软件来完成，例如ABAQUS、ANSYS等。

聚碳酸酯板材多点热成形数值模拟与成形精度分析近年来，聚碳酸酯（PC）是一种大量应用于航空航天领域的复合材料之一，其主要特点是其自身轻量高强度，可以用于多种工业制品的制作，例如飞机叶片。

近年来，随着计算机技术的发展，在PC材料的热成形工艺中，以数值模拟为技术支撑，不断改进成形精度，以满足应用于航空航天领域高性能需求。

PC板材多点热成形（RTM）是PC材料的基本热成形工艺之一，它能够将PC板材固化在原型模具的表面上，使其具有良好的抗拉强度、抗压强度和耐磨性能，满足航空航天领域复杂的机械结构要求。

虽然多点热成形的技术实现度很高，但在实际的应用中存在某些问题，例如复杂的温度场、复杂的塑性流体流动、表面失真、非均匀性变形等。

为了解决以上问题，利用数值模拟和实验研究了PC板材RTM工艺的成形精度。

首先，根据实际情况，建立了PC板材RTM工艺的数值模拟流程，主要包括热成形条件的设置、加热模拟、冷却模拟、环境流动模拟以及热变形模拟等，并进行参数的优化和数值模拟的多种改进。

其次，根据实验结果，分析了影响成形精度的因素，特别是表面失真的形成原理，分析了不同温度、压力和填料的比例对成形精度的影响，并根据实验数据获得了成形精度的关联式。

最后，基于热变形机理，对影响PC板材RTM成形精度的参数进行了深入研究，从而改进和优化了成形精度。

经过上述改进，PC板材RTM工艺的成形精度得到了改善，同时在变形模拟中，通过数值模拟的技术支撑，更好地满足了航空航天领域高性能产品的制作要求。

通过本研究，可以为今后PC板材RTM多点热成形工艺技术的应用提供参考依据。

总之，本文以《聚碳酸酯板材多点热成形数值模拟与成形精度分析》为标题，通过数值模拟和实验研究，对PC板材RTM工艺成形精度及影响因素进行了分析，为今后PC板材RTM多点热成形工艺技术的应用提供参考依据。

板料成形CAE技术与其应用完整(可以直接使用，可编辑优质资料，欢迎下载）板料成形CAE技术及应用长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于某些特殊复杂的板料成形零件，甚至制约了整个产品的开发进度，而板料成形CAE技术及分析软件的出现，有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高了企业的市场竞争力。

一、前言计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。

它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。

板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。

由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。

某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。

板料成形CAE技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。

板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用可以通过图1 和图2进行对比。

图1 传统板料成形模具开发模式图2 CAE 技术模具开发方式通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点。

(1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。

(2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。

板料成形数值模拟项目建议书目录1 目标和意义通过实施在世界上成形模拟应用的最专业、最成熟、最广泛的板料成形模拟解决方案来解决板料件模具设计和生产过程中的各种问题。

（1）板料成形模拟解决方案要全面、专业、快速、使用方便的解决板料件模具设计生产过程中的模具设计问题、下料尺寸估算问题、成形精确模拟问题（保证成形后产品的质量）和模具回弹自动补偿问题。

（2）板料成形模拟解决方案要能够提高板料件的模具设计效率，缩短模具从设计到投入生产的周期，提高工艺部门和设计部门的协同效率，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，提高产品的市场竞争力。

2 实施必要性板料成形过程的数值模拟技术实质上就是在计算机上应用有限元仿真软件进行虚拟的板料成形试验,通过输入各种给定的条件和一些实际的实验参数,进行计算机数值计算模拟，通过分析模拟得到的结果来预测板料在成形过程中,各种缺陷产生的位置和分布程度,以此初步判断所选毛坯材料力学性能参数与模具工艺设计方案以及模具参数选择的合理性,同时借助数值模拟结果的三维动态显示可以详细地分析冲压成形的每一小步过程的情况,从而可以比较精确确定缺陷产生的具体原因以及找出相对应的解决办法来。

为了提高的制造水平和市场竞争力，为了改变以往板料件模具设计和生产过程中严重依赖设计人员的经验和多次的实际物理试模的落后的状况，我们必须采用专业的成熟的板料成形模拟解决方案解决板料件模具设计问题、下料尺寸估算问题、成形精确模拟问题（保证成形后产品的质量）和模具回弹自动补偿问题。

3 实施基础条件(1) 购置最专业、最成熟、最可靠的板料成形模拟解决软件，为模拟解决各种板料成形问题提供最好的软件系统。

(2) 购置与软件运行相适应的计算机硬件系统和组建相应的网络平台，为软件运行做硬件准备。

(3) 安排相应的工作人员接受软件公司的培训，为熟练操作软件解决实际的问题做准备。

(4)确定采用软件模拟分析板料成形过程的流程，以及相关部门的工作人员的具体工作职责。

金属板料成形数值模拟的研究现状一、引言金属板料成形数值模拟是现代制造业中不可或缺的一环。

通过数值模拟可以预测金属板料在成形过程中的变形、应力分布等物理量，从而优化工艺参数，提高成形质量和效率。

本文将介绍金属板料成形数值模拟的研究现状。

二、数值模拟方法1. 有限元法有限元法是目前最为常用的数值模拟方法之一。

它将连续体划分为多个小单元，在每个小单元内近似求解其物理量，最后通过组合得到整体的物理量分布。

有限元法可以考虑材料非线性、边界条件复杂等因素，适用范围广泛。

2. 边界元法边界元法是另一种常用的数值模拟方法。

它将问题转化为求解边界上的物理量分布，避免了对整个区域进行离散化计算。

边界元法适用于具有对称性或者具有复杂几何形状的问题。

3. 网格无关法网格无关法是相对于传统有限元法而言的新兴方法。

它不需要事先确定网格大小和结构，可以自动适应物理量分布的变化。

网格无关法适用于具有较大变形或者复杂几何形状的问题。

三、数值模拟在金属板料成形中的应用1. 成形过程分析数值模拟可以对金属板料成形过程进行分析，预测变形、应力分布等物理量。

通过优化工艺参数，可以避免一些不必要的缺陷和失效。

2. 模具设计数值模拟可以为模具设计提供依据。

通过对成形过程中应力和变形的预测，可以确定合适的模具结构和尺寸，从而达到更好的成形效果。

3. 材料选择数值模拟还可以为材料选择提供参考。

通过预测不同材料在成形过程中的性能表现，可以选择最为适合的材料，提高生产效率和质量。

四、数值模拟存在的问题及发展趋势1. 计算精度问题目前数值模拟存在计算精度不高、计算时间长等问题。

需要进一步发展更加高效精确的数值模拟方法。

2. 跨尺度建模问题金属板料成形涉及到多个尺度，如宏观尺度、晶体尺度等。

如何将不同尺度的模型相结合，进行跨尺度建模是一个重要的研究方向。

3. 多物理场耦合问题金属板料成形涉及到多种物理场，如力学、热学、电磁学等。

如何将这些物理场相互耦合起来进行计算，是数值模拟发展的重要方向之一。

镁合金板料温冲压成形数值模拟技术
镁合金板料温冲压成形是一种新型的成型技术，在综合温度、塑性力学以及流体力学等因素的考虑后，在高温下模具内，进行模具冲压成形操作。

以获得高质量的镁合金制件。

针对这种技术，近年来采用了数值模拟方法来对这种高温冲压成形过程进行研究，以此提高生产的质量和效率，从而推动这项技术的发展：
1. 热模压仿真模拟
通过应力-应变分析和温度场分析，在模拟温冲压成形过程中，模具和镁合金板料热力学性能以及两者之间的相互影响，对温冲压成形过程和镁合金制件的拉伸性能等进行仿真，从而预测和分析产品最终成形状态。

2.流体力学模拟
主要是用于模拟和研究冲压膜下面形成的压力液体流动，以及镁合金板料制品的外缘流体力学性能。

从而预测和改善模具的设计和冲压过程，提高制品的质量。

3.成形参数优化
综合运用有限元分析技术，应用研究成形参数对镁合金成形件外观，尺寸等数据参数的影响。

通过多种优化算法，利用计算机模拟获取最佳的成形参数，从而更加精确的控制温冲压成型的质量，提高生产的效率。

4.热一体成形数值模拟
计算机模拟技术不仅用于针对温冲压成形过程的数值仿真，而且还可用于融合其它加工工艺的热一体成形和热折形等多种制件加工技术。

可以模拟不同加工工艺之间的过渡，准确预测制件形状和尺寸尺寸，优化制件加工工艺，从而实现高质量、高效率的产品成形。

金属板料成形数值模拟的研究现状摘要：本文对板料成形数值模拟的主要几个研究方向：有限元算法、接触与摩擦、成形极限图、缺陷等的研究现状进行了介绍，并且讨论了板料成形数值模拟今后的研究方向。

关键词：有限元算法；接触与摩擦；成形极限图；缺陷1 引言板料成形是材料加工成形的一个重要分支，它广泛应用于汽车、航天、航空、家电等各个部门。

随着现代工业的发展，板料成形件越来越复杂，人们对板料成形的质量和速度的要求也越来越高。

传统的板料成形模具的设计依赖的是经验和直觉，并且通过反复试验调试来保证成形的质量。

这不仅需要消耗大量的人力物力，而且周期长，效率低，不能适应社会发展的需要。

上世纪七十年代以来，人们逐渐以数值模拟技术为辅助设计手段，大大降低了生产制造的成本。

然而，由于板料成形是一种复杂的力学过程，其中包含几何非线性、材料非线性、接触非线性等强非线性问题，影响的参数非常多，这对数值模拟技术造成了极大的挑战。

虽然目前板料成形的数值模拟软件已经商业化，但板料成形的模拟技术还不够完善，仍然是国内国外研究的热点。

本文将主要介绍金属板料成形数值模拟的研究现状。

2 板料成形有限元算法用于板料成形的有限元算法大体可以分为弹-（粘）塑性和刚-（粘）塑性。

粘塑性有限元法主要应用于热加工，而刚塑性有限元法在板料成形中应用有限；目前，弹塑性有限元法在板料成形数值模拟中应用较广。

用弹塑性有限元法分析板料成形问题，不仅能计算工件的变形和应力、应变分布；而且还能计算工件的回弹和残余应力、残余应变等。

由于板料成形过程中板料与模具具有相对滑动、粘着和脱落，所以必须控制增量步的大小从而尽量反映真实情况。

根据对时间积分方法的不同，板料成形有限元算法可以分为静力隐式、静力显式和动力显式。

隐式算法是非条件稳定的，它在解决低速接触问题中更有优势[1]，而在解决复杂的三维模型时将会遇到困难[2]：当时间步长减小时，内存消耗会急剧增大，甚至造成收敛问题；局部的不稳定性很难达到力的平衡，这也不符合静态隐式的先决条件。

数值模拟方法在材料成型中的应用。

数值方法主要包括有限元法、边界元法和有限差分法。

这类方法能够模拟金属成形过程，直观描述材料的变形流动状况，定量地计算出工件内部的应力、应变和温度分布状态，适用于分析非常复杂的成形过程。

在各种数值模拟方法中，有限元法由于能够准确描述变形过程的物理特性，全面考虑各种初、边值条件的影响，对复杂边界具有较高的拟合精度，并且可以求出全部物理量，因此得到了最为广泛的应用。

根据金属成形过程中材料本构关系的不同，有限元法可分为两大类[78]：一类是固体型塑性有限元法，包括小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法，另一类是流动性塑性有限元法，包括刚塑性有限元法和刚(粘)塑性有限元法。

建立有限元时所采用的方法，及把问题表述为变分形式或加权残差形式，再把该表述进行有限元离散化，并有效的求解所导出的有限元方程，最终结果是在计算机上实现了一个完整的数值处理过程：有限元矩阵的表述，用来计算这些矩阵的数值积分，把单元矩阵集合成相应于整个有限元系统的矩阵，以及系统平衡方程组的数值求解。

弹塑性有限元法由Marcal和King于1967年首先提出[78],它同时考虑弹性变形和塑性变形，弹性区采用Hook定律，塑性区采用Prandtl.Reuss 方程和Mises屈服准则。

采用弹塑性有限元法分析金属塑性成过程，不仅能按照变形路径得到塑性区的变化、工件的应力、应变分布规律和大小以及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题、计算残余应力和残余应变，从而可以进行回弹预测及缺陷分析。

但是弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性，需要采用增量加载，在每一增量加载步中，都须作弹性计算来判断原来处于弹性区的单元是否已进入屈服，对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从而改变了单元刚度矩阵。

为了保证精度和解的收敛性，每次加载不能使很多单元同时屈服，这就使得每次计算时的变形增量不能太大。

对于大变形问题计算时间较长、效率较低。

板料拉深成形数值模拟概述板料拉深成形是汽车、航空工业领域中一种重要的加工方法。

板料拉深成形中经常产生起皱、破裂、残余应力、回弹等问题，这些问题主要是受材料的成形性能、压边力、毛坯的形状和尺寸以及模具的几何形状等因素的影响。

采用传统的实验方法逐一分析各种因素对板料成形的影响将耗费大量的时间和人力物力。

随着计算机模拟和仿真技术的发展，板料拉深成形过程的分析、缺陷分布等问题都可以通过有限元模拟软件预测分析。

目前国内外出现了很多有限元分析软件如ANSYS、LS-DYNA、MSC等。

这些数值模拟软件都有涉及到单元技术及网格划分、算法的选择、本构关系、接触、缺陷处理等关键技术问题。

本文以DYNAFORM5.1有限元模拟软件为例说明板料拉深成形数值模拟的关键技术问题。

1.单元技术及网格划分板料成形的数值模拟中主要有三种单元：膜元、壳元及实体元。

其中壳元分为Kirchhoff壳单元、Mindlin壳单元、退化壳单元、相对自由度壳单元。

三者当中膜元计算效率高，但不能模拟板料变形中引起的回弹和起皱；体元能够较好的模拟板料冲压成形时引起的回弹和起皱，但计算量大；壳元存在独立的转动自由度，可以很好的反映弯曲、回弹、起皱等问题，因此一般情形下均采用壳元进行板料成形模拟。

早期的壳元都是以Kirchhoff理论为基础而发展起来的平面壳体单元，他采用中面位移来表示中面转动，从而增加了选择位移模式的困难。

从20世纪80年代以后，以Mindlin理论为基础的曲面壳体单元得到了迅速发展，其中尤以四结点的Hughes-Liu单元和四结点的Belytschko-Lin-Tsay单元最为典型，该类型单元以曲面单元来描述壳体的真正几何形状，并用较少的单元数目代替复杂形状的壳体，兼有计算速度快和结果精度高等优点。

选择好单元模型后，进行有限元网格划分。

划分有限元网格，建立计算模型需要耗费很大的工作量。

在众多的网格生成算法中，三角形网格的自动生成算法最为成熟，但三角形单元精度低，有时无法满足精度分析的要求，因此，出现了直接生成四边形单元网格的算法，如四分法、铺路法以及中轴线法等，但算法比较复杂。