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ANSYS沖壓回彈仿真解決方案 湃睿科技 CAE事業部 1、前言 目前，在大量的零部件制造企業尤其是汽車零部件行業，在鈑金的生產制造過程中，廣泛地使用著沖壓工藝。采用沖壓工藝制作出的零部件隨著壓力移除會出現回彈現象，導致與設計尺寸不同，產生質量缺陷。尤其回彈量過大時，不僅會影響零件質量，同時對于裝配會產生巨大影響。 目前多數企業逐漸開始導入CAE仿真環節，對沖壓及回彈過程進行仿真，傳統的方式為采用LS-DYNA進行顯—隱式分析，但此方法基于經典界面，需要用戶具備深厚的有限元理論知識，并熟練掌握命令流，同時還需對k文件有足夠了解，因此給客戶采用此模塊進行沖壓仿真及回彈帶來了大量阻礙。 因此文中針對這種現象，介紹了基于Workbench平臺，使用Explicit-Str模塊進行顯式動力學及沖壓過程分析，采用Mechanical模塊進行隱式分析及回彈分析的方法，采用此方法不需要用戶掌握大量經典界面操作，同時在不影響精度的前提下大大提高了仿真效率和易用性。 2、沖壓及回彈過程仿真理論基礎 沖壓回彈仿真通常分為兩個過程：沖壓過程仿真（加載）和回彈過程仿真（卸載）。一般采用顯式算法計算沖壓過程，采用隱式算法計算回彈過程。 薄板沖壓成型過程包含了多個復雜的物理過程，如板料的彈塑性變形、板料與模具的摩擦、摩擦生熱及熱傳導等，其中板料的彈塑性變形是設計者最為關心的問題。由于在薄板沖壓成型過程中, 模具的剛性通常遠遠大于板料的剛性, 因此模具的變形相對板料的變形來說極小, 可以忽略不計。這樣一來, 在沖壓成型過程計算機仿真中應考慮的問題就可歸結為如下幾個方面: ①板料的大位移、大轉動和大應變條件下的彈塑性變形的描述和計算; ②板料與模具間法向接觸力的計算; ③板料與模具接觸面間摩擦的描述及摩擦力計算; ④模具的幾何描述和運動計算; ⑤壓力機加載過程的描述和模擬。 從上述過程中，我們可以知道，如若采用有限元法求出板料的彈塑性變形，其步驟可總結如下： （1）建立沖壓過程的力學模型 （2）在力學模型基礎上建立有限元分析模型; （3）根據板料變形特性選定殼體單元類型并確定有關參數; （4）根據板料變形特性選定彈塑性本構關系及有關參數; （5）根據板料和模具的表面特性及其潤滑狀態選定摩擦定律及參數; （6）對壓板的剛體運動和板料的彈塑性變形進行求解 （7）將求解的結果按一定的要求形成文字或圖形文件供后處理系統使用 因此下面對采用LS-DYNA和采用Explicit-Strmechanical兩種方式的詳細步驟進行分別敘述。 2.1基于LS-DYNA的沖壓及回彈仿真 LS-DYNA中進行沖壓及回彈仿真的流程如下： （1）求解沖壓過程的顯式分析 （2）切換到隱式求解器，并修改當前jobname （3）將顯式單元切換到隱式單元 （4）關閉shpae checking功能 （5）執行update gepmetry，將隱式求解模型更新為顯式求解后的模型 （6）選擇需要進行隱式求解的模型部分 （7）定義邊界條件 （8）從顯式分析中導入殼厚度和應力分布信息 （9）進行隱式回彈分析 由于該分析中會用到shell單元，為避免翹曲缺陷，建議選用BWC或BT算法。 2.2基于Explicit-Str及Mechanical的沖壓及回彈仿真 基于Workbench平臺進行沖壓及回彈仿真的流程如下： （1）在Explicit-Str中進行沖壓過程顯式動力學分析 （2）導出厚度分布、應力分布信息，保存為csv格式 （3）在Workbench平臺中拖拽Mechanical Model模塊、ExternalData模塊，并將Explicit-Str的Solutiion連接到MechanicalModel的Model，將External Data的setup連接到Mechanical Model的Model （4）將厚度分布的csv文件讀入External Data模塊中 （5）新建Static Structural模塊，將Mechanical Model模塊的Model與Static Structural模塊的Model連接 （6）新建External Data模塊，讀入應力分布的csv格式文件，將其連接到Static Structural模塊的setup模塊 （7）進行回彈分析 3、沖壓及回彈仿真案例 問題描述：針對如下模型，模擬沖壓過程，具體工況設置為：Bottom Die為固定，將Top Die向下壓25.4mm。其中由于TOP DIE和Bottom die剛度較大，并且我們主要關心Blank變形情況，因此將Bottom Die和Top Die設置為剛體，同時由于模型及邊界條件均符合對稱條件，因此文中取1/4對稱模型。 其中Blank材料為AISI 304 Stainless，該材料特性為溫度相關特性，材料本構模型選取為Bilinear Isotropic Hardening，具體參數如下所示： 根據前面所述在Explicit Str中進行沖壓仿真的流程，在Workbench平臺下建立如下的工作流程： 具體分析過程如下： ①點擊進入Explicit Str模塊 的C4 Model選項，分配材料屬性； ②由于該模型取1/4，需設置對稱邊界條件； ③顯式動力學中一般不使用隱式中常用的接觸對方式，而使用通用接觸技術； ④根據該模型特征，對其進行映射劃分，同時網格尺寸設置為2.5mm； ⑤Analysis settingi中，設置end time為2.5e-2s； ⑥對Top Die施加向下25.4mm位移，并考慮重力影響； ⑦進行計算，得到沖壓結束后的Blank狀態； ⑧進行如下設置Tools——Options——Export——Include Node Location——Yes，確保輸出的厚度文件及應力文件中包含節點坐標信息； ⑨在后處理中插入Thickness、三個方向的Normal Stress、Shear Stress，并右鍵Export，將導出的Excel文件另存為csv格式； ⑩在F項的External Data中讀入Thickness的csv文件，并刷新； ⑪點擊D項的D3 Model，在import Thickness右鍵Import，得到沖壓完成后的Blank厚度分布圖； ⑫在G項的External Data中讀入各方向的應力csv文件，并刷新； ⑬點擊E項的E4 setup，設置邊界條件，由于該模型為對稱邊界條件，因此進行如下設置； ⑭使用import load選項，右鍵import應力分布； ⑮點擊solve求解，得到回彈分析結果。 4、總結 通過以上介紹，以Workbench平臺為依托，利用Explicit Str和Mechanical能夠快速方便的實現沖壓及回彈仿真，避免了采用傳統的LS-DYNA經典界面需要掌握大量命令流及理論的弊端，使工程設計人員能夠快速進行薄板件的沖壓及回彈仿真。 ANSYS軟件通過完整的材料本構關系、求解能力，為沖壓及回彈仿真提供了強有力的技術保障，因此設計人員可以以此進行沖壓及回彈仿真，為沖壓工藝參數的設置提供參考依據，從而合理優化沖壓工藝。 [參考文獻] [1]薄板沖壓成型過程的計算機仿真與應用 鐘志華 李光耀 |
