多工位級進模成形仿真算法研究與系統(tǒng)集成.pdf

1、在汽車結構件、五金家電、儀器儀表、以及3C產(chǎn)品(計算機、通信和消費電子)等領域,多工位級進模得到廣泛的應用。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和行業(yè)競爭的日益激烈,產(chǎn)品形狀越來越復雜,質量要求越來越高,生產(chǎn)周期越來越短,成本控制越來越嚴格,再加上新型的高速機床的應用,使級進模零件成形工藝不僅非常復雜,而且成形工序也很多。此外,級進模前后工序之間的關聯(lián)性非常強,在產(chǎn)品、條料和模具設計的過程中需要考慮的因素也非常多,造成級進模工藝和模具設計難度很大,傳統(tǒng)

2、的依靠經(jīng)驗和反復試模的方法已經(jīng)不能滿足行業(yè)的需求。有限元數(shù)值模擬技術在汽車覆蓋件和航空鈑金件等大中型模具的沖壓成形中已經(jīng)得到了廣泛應用,并且取得了良好的經(jīng)濟效益,但是,數(shù)值模擬在精密多工位級進模領域應用不多。因此,需要開發(fā)一套面向級進模產(chǎn)品、條料和模具設計全流程的仿真系統(tǒng)。
　　論文結合國家自然科學基金資助項目“復雜汽車結構件多工位級進模條料設計的快速仿真模型與關鍵算法研究”(項目編號50905067)和華富集團昆山嘉華電子有限公

3、司資助項目“級進模成形仿真系統(tǒng)研究”,對基于實體殼單元的中厚板或厚板成形和回彈模擬算法、復雜級進模零件中間構型生成算法以及CAD/CAE集成技術進行了深入研究,并在此基礎上,開發(fā)了面向復雜級進模產(chǎn)品、條料和模具設計全流程的CAD/CAE集成系統(tǒng)StampingWorks。
　　為了準確模擬級進模零件厚向擠壓成形效果,開發(fā)了一種新的全三維實體殼單元模型。在求解實體殼單元節(jié)點內力時采用了平面內單點、厚向多點積分方案,既能剔除體積閉鎖和

4、剪切閉鎖的不良影響,也能準確描述彎曲效應,并對這種平面內不精確積分激活的沙漏模式進行了處理。針對實體殼單元在板料成形中常常出現(xiàn)的厚向閉鎖問題,提出了一種改進的平面應力本構模型,使得實體殼單元能同時獲得實體單元和殼單元的特性。此外,推導了實體殼單元隱式增量算法列式,針對實體殼單元平面內完全減縮積分可能引起的病態(tài)情況,提出了一種基于二階泰勒展開的穩(wěn)定化方法。并編寫了實體殼單元動力顯式和隱式增量計算程序,用于中厚板/厚板的成形和回彈模擬。給出

5、了實體殼單元模擬成形和回彈的若干個算例,并通過模擬結果與實驗結果進行對比來驗證實體殼單元的有效性和有限元求解程序的穩(wěn)健性。
　　復雜級進模條料中間構型設計基本以手工造型為主,耗時費力,精度差,是設計過程中的主要難點。針對級進模零件中大部分的成形工序都是彎曲成形的特點,在已知產(chǎn)品最終構型的情況下,提出了一種基于幾何旋轉和有限元逆算法的中間構型生成算法,用于復雜級進模條料設計。這種算法通過設置相關的求解條件,如旋轉軸、固定區(qū)、固定約束

6、線、變形區(qū)、形狀約束線、非變形區(qū)、等長線、等長線縮放因子以及旋轉角度等,通過曲面網(wǎng)格快速求解零件初步中間構型。將獲得的初步中間構型網(wǎng)格作為修邊線逆向展開的參考區(qū)域,能準確地獲得級進模零件中間構型的邊界線,完成中間構型的精確設計。
　　在SolidWorks軟件上還沒有一套完整的板料成形數(shù)值模擬解決方案。本文基于所開發(fā)的實體殼單元求解器和中間構型生成算法,開發(fā)了首個無縫集成于SolidWorks平臺的板料成形數(shù)值模擬系統(tǒng)Stampi

7、ngWorks,提供面向復雜級進模零件產(chǎn)品、條料及模具設計全過程的專業(yè)分析工具。該系統(tǒng)包括面向級進模零件產(chǎn)品設計的整體毛坯展開與可成形性評估系統(tǒng)BlankEstimationXpert(BEX)、面向條料設計的級進模零件中間構型設計與分步展開系統(tǒng)MultistepUnfoldXpert(MUX)以及面向工藝與模具設計的級進模全工序成形同步仿真系統(tǒng)FormingAnalysisXpert(FAX),并在汽車結構件和3C等多個企業(yè)推廣應用,