搜索ABAQUS在沖壓成形有限元模擬中的應用
2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
一、模擬加工過程中的成本節約
加工成形技術是制造工業的中一種重要的技術。當前,制造行業加工工藝正朝著高技術的方向發展,越來越多的公司在產品研發和制造過程中開始注重仿真技術的應用。
采用ABAQUS進行仿真模擬的目的是節約開發成本、加快研發速度和提高產品質量。ABAQUS可以針對不同操作系統(如Unix,Linux和Windows等)進行單機或多機并行運算,節省更多運算時間。
下面以ABAQUS某汽車用戶的車門設計為例,說明ABAQUS在沖壓成型有限元模擬中的應用。
傳統的車門設計流程如圖1所示。
圖1 某型號汽車車門的傳統設計流程
其中主要設計及加工成本如下:
1.軟質模具的設計和加工成本為20萬美元;
2.初期生產并修改模具的周期一般不低于12周;
3.硬質模具的設計修改和加工成本為75萬美元;
4.最后產品試生產、模具方案的定型、修正生產流程直至正式生產的周期一般為8~9個月。
其中,硬質模具的設計費用包含在前期軟質模具設計費用之中,后期只計算修改模具設計的費用。
采用ABAQUS進行數字仿真之后,設計流程如圖2所示。
圖2 引入ABAQUS后某型號汽車車門的設計效果
修改設計流程之后,主要設計和加工成本如下:
1.軟質模具的設計和加工成本為10萬美元;
2.初期生產并修改模具的周期縮短為4周;
3.硬質模具的設計修改和加工成本為25萬美元;
4.最后產品試生產、模具方案的定型、試生產、修正生產流程直至正式生產的周期一般為3.5~4個月。
經過以上計算可以明確看出,僅車門的設計費用就節約了2/3,而設計周期則縮短為原來的1/3。
二、模擬加工成形過程中的難點
加工成形過程的數值模擬受到材料非線性、幾何非線性和邊界非線性的綜合影響,直接計算的難度非常大。從力學本質來看,很多的成形過程可以簡化為準靜態過程,對該過程的有限元模擬通常有兩種方法:靜力隱式方法和動力顯式方法。根據動力松弛法的原理,動力系統的穩態解和靜力解是一致的。所以本文所涉及的算例均采用顯式動力學的方法,即使用ABAQUS/EXPLICIT求解器模塊,對不同的加工成形過程進行模擬。
算例表明,ABAQUS在處理加工成形中可以得到令人滿意的結果。
三、實際應用
1.普通油箱的沖壓成形
本實例模擬油箱的沖壓成型過程。圖3所示為實際成型時油箱的一半的形狀。考慮到在沖壓成型過程中,油箱結構的對稱性,本文通過模擬圖3左下所示的結構,對其進行模擬分析,達到分析整個油箱成型的目的。首先,通過ABAQUS/CAE完成圖3右側所示的裝配圖,其中平面鋁板將被沖壓成型為圖3左下的結構。成形的全過程如圖4所示,模擬結果跟實際生產過程相吻合。其中,圖5所示為整個過程中內能和動能的變化曲線,可以確定模擬過程為準靜態。圖6表現的是成型后金屬板的厚度分布云圖。圖7給出了與厚度變化最大處的單元相關的四個節點處的厚度在時間域內的變化曲線。
圖3 油箱的結構模擬圖及裝配圖
圖4 油箱沖壓成形過程示意圖
圖5 整個過程中內能和動能的變化曲線
圖6 厚度分布云圖
圖7 與厚度變化最大處的單元相關的四個節點處的厚度在時間域內的變化曲線
2.鈦合金板材的沖壓成形
鈦合金板材的沖壓成型ABAQUS模擬過程如圖8所示。
圖8 沖壓成型的ABAQUS模擬過程
3.蒙拉成形
蒙拉成型的ABAQUS模擬如圖9所示。
圖9 蒙拉成型的ABAQUS模擬示意圖
圖10 模具應力的變化曲線
4.橡皮囊成形及鈑金成形
橡皮囊成形及鈑金成形如圖11、圖12、圖13所示。
圖11 橡皮囊及鈑金成形的示意圖
圖12 第一步成型示意圖
圖13 第二步成型示意圖
5.彎管成形
彎管成形如圖14所示。
圖14 彎管成型ABAQUS模擬示意圖
6.圓錐管成形
圓錐管成形如圖15所示。
圖15 圓錐管成型的ABAQUS模擬示意圖
四、結論
以上實例的模擬都是在ABAQUS平臺下進行的。結果表明,采用ABAQUS處理加工成型過程中所涉及到的非線性力學問題,能夠得到比較令人滿意的結果。此外,ABAQUS還提供了種類豐富的用戶子程序接口,用戶可以根據需要編寫特殊的本構關系曲線、復雜的載荷和邊界條件以及靈活多樣的用戶單元等,這些功能目前在研究領域和工業領域中都取得了廣泛地應用。
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