【正文】 等等，而且每種單元又有許多算法可以選擇，比如以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法。4. 充足的接觸方式：目前l(fā)sdyna具有50多種可以供用戶(hù)選擇的接觸分析方式，使得其不僅可以求解各種剛體對(duì)剛體、柔體對(duì)剛體、柔體對(duì)柔體等接觸問(wèn)題，并且可以對(duì)接觸表面的固連失效、流體與固體的界面以及靜動(dòng)力摩擦等問(wèn)題進(jìn)行分析。5. 自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能：通常薄板沖壓變形模擬、薄壁結(jié)構(gòu)受壓屈服、三維鍛壓?jiǎn)栴}等大變形用自動(dòng)剖分網(wǎng)格技術(shù)來(lái)解決，使得彎曲變形嚴(yán)重的區(qū)域皺紋更加清晰。6. 強(qiáng)大的軟硬件平臺(tái)支持：幾乎所有類(lèi)型的操作平臺(tái)和工作站都被lsdyna支持并可平行運(yùn)算，lsdyna能針對(duì)不同的系統(tǒng)進(jìn)行平行處理運(yùn)算，包括SMP（Share Memory Parallel）與MP(Massively Parallel)。另外，lsdyna作為典型的結(jié)構(gòu)非線性分析工具，可以模擬模型尺寸大的航空航天工業(yè)、土木工程，小至DNG、IC。只要是結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)的領(lǐng)域，幾乎都有l(wèi)sdyna的應(yīng)用實(shí)例，有力促進(jìn)了包括航空航天、石油行業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)等技術(shù)行業(yè)發(fā)展，影響是十分深遠(yuǎn)的。與一般的CAE輔助分析軟件操作過(guò)程類(lèi)似，ansys/lsdyna分析過(guò)程也包括問(wèn)題的規(guī)劃、前處理、求解以及后處理四部分。 LSDYNA分析流程1. 問(wèn)題的規(guī)劃在分析的開(kāi)始，必須先做好問(wèn)題的規(guī)劃，即確定如何讓有限元程序模擬實(shí)際的物理系統(tǒng)，如分析的目的是什么？將模擬模型中哪些細(xì)節(jié)？將選擇哪種單位類(lèi)型等等。好的規(guī)劃常常與精度和成本、計(jì)算的時(shí)間有著直接的聯(lián)系，甚至決定著分析是否成功。2. 前處理前處理主要包括設(shè)置Preference選項(xiàng)，指定分析所選用的單元類(lèi)型，如果有實(shí)常數(shù)的話，還要定義相應(yīng)的實(shí)常數(shù)，以及定義材料模型、創(chuàng)建幾何實(shí)體模型后，對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義part、定義接觸信息、邊界條件和載荷等。3. 加載和求解指定分析的接觸時(shí)間與各項(xiàng)控制求解參數(shù)，形成lsdyna程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入文件，即關(guān)鍵字K文件，然后，遞交給lsdyna970求解器進(jìn)行計(jì)算。4. 結(jié)果處理與分析后處理有基于ansys和基于lsprepost兩種不同的后處理方式。既可以使用ansys通用后處理post1，來(lái)觀察整體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，使用時(shí)間歷程后處理post26，來(lái)繪制時(shí)間歷程曲線，也可以用lsprepost進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力、時(shí)間歷程曲線的繪制。 有限元模擬建模首先，對(duì)機(jī)器人滾壓包邊進(jìn)行建模，實(shí)體建模有2種思路：自頂向下的構(gòu)造模型和自底向上的構(gòu)造模型。在此采用自底向上的思路來(lái)建模。結(jié)合實(shí)際情況，工藝和幾何參數(shù)分別是：滾輪直徑取50mm；內(nèi)外板長(zhǎng)度取200mm，并使其厚度相等，；取外板的寬度為32mm；翻邊高度定為7mm；內(nèi)板離外板翻邊處的距離為2mm等主要參數(shù)。在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下,本文后章節(jié)都是以這些參數(shù)得出結(jié)論。外板內(nèi)板胎模滾輪滾邊夾具(a) 機(jī)器人滾壓包邊三維模型滾輪胎模滾邊夾具內(nèi)板外板(b) 機(jī)器人滾壓包邊二維模型圖 機(jī)器人滾壓包邊模型設(shè)置單元屬性有限元模型建好以后，接著設(shè)置單元屬性，其中，單元屬性包括：?jiǎn)卧?lèi)型（TYPE）、實(shí)常數(shù)（REAL）和材料特性（MAT）等。本文模型中，滾邊夾具和胎模的建立，采用殼單元的原因是：對(duì)于機(jī)器人滾邊的有限元模擬過(guò)程中，采用殼單元不僅能減小模型的計(jì)算規(guī)模，縮短仿真的時(shí)間，而且滾邊結(jié)果的精度也略勝于實(shí)體單元[2]。而且，要分析內(nèi)外板的變形屬性，所以把內(nèi)外板定義為變形體，把滾輪、滾邊夾具以及胎模定義為剛體。在本文的有限元模擬分析中，使用的強(qiáng)化模型是：式中，K為強(qiáng)化系數(shù)，是塑性應(yīng)變，n為強(qiáng)化系數(shù)。采用的材料是深沖鋼板AKDQ（Aluminum Killed Draw Quality steel），該材料的泊松比v=，彈性模量E=200GPa，材料的強(qiáng)化特性如下圖所示。 材料應(yīng)力應(yīng)變曲線在進(jìn)行滾邊過(guò)程中，內(nèi)板的變形和位移很小，但是，如果將內(nèi)板設(shè)置為剛體，則會(huì)影響外板在滾邊過(guò)程中的上翹，這將可能導(dǎo)致仿真結(jié)果出現(xiàn)誤差。所以，為了仿真的準(zhǔn)確性，通常也把滾邊內(nèi)板的材料性質(zhì)考慮進(jìn)去[3]。由于本文模擬計(jì)算規(guī)模較大，為了縮短計(jì)算時(shí)間，所以將內(nèi)外板定義成一樣的單元屬性。無(wú)論采用哪種方法為所需要的實(shí)體模型指定屬性，都必須事先定義所需要的單元類(lèi)型、材料屬性以及實(shí)常數(shù)。對(duì)模型的每個(gè)區(qū)域指定單元屬性，是為了避免在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，重置單元屬性。劃分網(wǎng)格 在對(duì)模型設(shè)置完屬性后，接著對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在為模型劃分網(wǎng)格時(shí)，它的屬性將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到單元上。網(wǎng)格的形狀多種多樣，通常情況下，使用何種網(wǎng)格形狀，取決于所選擇的單元類(lèi)型。如本文模型中的內(nèi)外板，該單元是正方形，那么，在劃分的時(shí)候選擇四面體選項(xiàng)。這樣選擇的原因是，為了防止因?yàn)閱卧耐嘶?，而造成?duì)分析結(jié)果的可靠性產(chǎn)生較大影響。因此，在指定單元形狀時(shí)，優(yōu)先考慮單元形狀本身形式的使用，如果不能劃分，那么再考慮退化形式。，如前所述，由于在滾邊過(guò)程中，內(nèi)板的變形和位移較小，對(duì)仿真的結(jié)果影響也較小，所以，可以將其網(wǎng)格劃分的稍微大一些，在減少計(jì)算時(shí)間的情況下，也對(duì)結(jié)果的影響較小。而對(duì)外板的網(wǎng)格劃分，就比較麻煩一些，因?yàn)橥獍迨侵饕淖冃螀^(qū)，所以網(wǎng)格的劃分較內(nèi)板就要?jiǎng)澐值募?xì)一些。但是，若整塊外板的網(wǎng)格劃分都很細(xì)的都話，計(jì)算規(guī)模就增大，也加大了計(jì)算時(shí)間。所以，我們只需在外板的翻邊部分，還有滾輪在包邊過(guò)程中，使外板可能發(fā)生翹曲的部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，這樣不僅能減少計(jì)算時(shí)間，也能得到較精確的結(jié)果。 滾邊內(nèi)外板網(wǎng)格劃分示意圖定義接觸lsdyna程序有50多種可以選擇的接觸分析方式，可以求解各種柔體對(duì)柔體、柔體對(duì)剛體、剛體對(duì)剛體等接觸問(wèn)題。它有三種不同的算法來(lái)處理碰撞、滑動(dòng)接觸界面，即動(dòng)態(tài)約束法（Kinematic constraint method）、罰函數(shù)法（Penalty method）、分布參數(shù)法（Distributed parameter method）。此次模擬采用罰函數(shù)法，基本原理是：在每一個(gè)時(shí)間步里，首先檢查各個(gè)從節(jié)點(diǎn)是否穿透主面，若沒(méi)有穿透，則不做任何處理，如果穿透了，則在該從節(jié)點(diǎn)與被穿透主面之間引入一個(gè)比較大的界面接觸力，并且，其大小的穿透深度以及主面的剛度成正比。另外，lsdyna普通（Normal）、自動(dòng)（Automatic）、剛體（Rigid）等接觸類(lèi)型。此次模擬采用自動(dòng)接觸類(lèi)型，其與普通接觸類(lèi)型的區(qū)別在于：對(duì)殼單元接觸力的處理方式不同，普通接觸在計(jì)算接觸的時(shí)候，對(duì)殼的厚度不給予考慮，而自動(dòng)接觸允許接觸出現(xiàn)在殼單元的兩側(cè)。兩種接觸類(lèi)型中的殼單元接觸力。在實(shí)際模擬中，滾輪與外板翻邊部分接觸、胎模與外板底面接觸、外板與內(nèi)板接觸以及滾邊夾具與內(nèi)板接觸。在進(jìn)行l(wèi)sdyna接觸分析時(shí)應(yīng)注意：在定義材料的特性時(shí)要注意單位的協(xié)調(diào)，因?yàn)椴徽_的單位將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的響應(yīng)異常，甚至無(wú)法計(jì)算；同時(shí)，也要確保模型中使用的材料數(shù)據(jù)是精確的，因?yàn)槎鄶?shù)非線性的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的精度與輸入材料數(shù)據(jù)質(zhì)量是密切有關(guān)；并且，在相同的PART之間不要定義多重接觸；避免單點(diǎn)接觸，容易引起沙漏模式。施加載荷、求解 在對(duì)模型完成單元、實(shí)常數(shù)、材料性質(zhì)定義以及實(shí)體建模、有限元網(wǎng)格劃分，在此次模擬中，需對(duì)滾子施加載荷，以及對(duì)板進(jìn)行約束的設(shè)定。然后，一切設(shè)置完成后，就可以開(kāi)始求解，但在求解之前，要對(duì)一些求解控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，基本內(nèi)容包括計(jì)算時(shí)間控制，輸出文件控制以及高級(jí)求解控制。等求解完成后，分析結(jié)果，得出結(jié)論。 有限元分析結(jié)果 包邊質(zhì)量缺陷機(jī)器人滾壓包邊零件質(zhì)量的好壞與否,與其它包邊方式一樣,將會(huì)直接影響車(chē)身裝配尺寸的精度、車(chē)身覆蓋件的表面質(zhì)量、以及整車(chē)外觀的強(qiáng)度和美觀性。因此，機(jī)器人滾壓包邊質(zhì)量的控制顯得尤為重要。在一般包邊過(guò)程中，主要三種典型的包邊質(zhì)量問(wèn)題[4]：輪廓邊緣內(nèi)移或者外移；包邊輪廓附近的卷曲以及包邊外板件的面內(nèi)翹曲；回彈現(xiàn)象。，是一種尺寸精度問(wèn)題，它主要影響汽車(chē)覆蓋件的裝配質(zhì)量。例如：汽車(chē)前、。圖中 S為邊緣內(nèi)移或邊緣外移量 C為內(nèi)外板間隙 輪廓邊緣內(nèi)移或外移間隙不均勻 汽車(chē)前車(chē)門(mén)與車(chē)體之間間隙不均勻包邊過(guò)程中輪廓附近出現(xiàn)的卷曲，（a）所示。首先，我們需要對(duì)基準(zhǔn)面作一個(gè)說(shuō)明，基準(zhǔn)面：即被包邊的外板始終保持不變形，也沒(méi)有任何位移的外輪廓面。這里所說(shuō)的卷曲就是低于基準(zhǔn)面的局部凸起，而翹曲則是高于基準(zhǔn)面的局部凸起，（b）所示。回現(xiàn)象彈也是包邊過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，（c）所示，回彈發(fā)生在預(yù)包邊和最終包邊過(guò)程之后（圖4d）。包邊成形后的回彈現(xiàn)象將會(huì)影響內(nèi)外板之間的夾緊力。如果夾緊力過(guò)小，內(nèi)板和外板會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)，影響最后的裝配效果。（a）（b）（c）卷曲和翹曲都是在包邊過(guò)程中的一種面缺陷[5]，翹曲出現(xiàn)在預(yù)包邊和終包邊過(guò)程中，而卷曲則只出現(xiàn)在終包邊結(jié)束時(shí)，并且板料開(kāi)始回彈而定位面沒(méi)有固定的時(shí)候。因?yàn)楸疚脑谘芯繚L邊過(guò)程中定位面始終保持固定，因此，暫對(duì)卷曲的演化過(guò)程不做討論。包邊成形過(guò)程保留下來(lái)的局部翹曲，其主要影響涂裝后汽車(chē)表面質(zhì)量。上面討論的輪廓邊緣的內(nèi)移或外移量、卷曲、翹曲以及回彈等包邊過(guò)程中所出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷問(wèn)題，主要是通過(guò)對(duì)包邊模具進(jìn)行研究或?qū)嶋H生產(chǎn)過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的。對(duì)于機(jī)器人滾壓包邊是否也存在著此類(lèi)缺陷，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和證實(shí)。因?yàn)檫@些問(wèn)題以及包括由此引起的質(zhì)量缺陷問(wèn)題，是汽車(chē)制造企業(yè)在包邊成形工藝方案的制定以及滾邊程序的設(shè)計(jì)等必須要面對(duì)和解決的問(wèn)題。但是由于滾邊過(guò)程的復(fù)雜性，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷產(chǎn)生前的完全預(yù)測(cè)和控制，是相當(dāng)困難的。那么，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通常是通過(guò)對(duì)滾邊過(guò)程的反復(fù)調(diào)試，來(lái)實(shí)現(xiàn)滾邊過(guò)程質(zhì)量缺陷問(wèn)題的最小化。 摩擦對(duì)滾邊的影響摩擦在滾壓包邊模擬過(guò)程中是一個(gè)重要因素[6]，它影響滾輪力/位移的特性，以及局部應(yīng)力應(yīng)變的分布。摩擦量的大小由摩擦系數(shù)μ定義。那么，我們可以假設(shè)摩擦系數(shù)對(duì)滾邊結(jié)果有影響，主要有以下2個(gè)原因：l 在滾邊過(guò)程中，滾輪與外板的接觸力大，尤其是在終包邊過(guò)程中。l 在模擬過(guò)程中，可能有許多特定的接觸組件。對(duì)所有組件（鋼和鋁）之間的相互作用，我們假定摩擦系數(shù)是恒定的。接觸力是由摩擦系數(shù)、定義阻礙/滑移性能兩部分組成。 為了研究摩擦對(duì)滾壓包邊過(guò)程的影響，我們可以通過(guò)改變摩擦系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程。主要是觀察其對(duì)面缺陷（翹曲）以及邊緣卷入和卷出量的大小，來(lái)判定摩擦對(duì)滾壓包邊過(guò)程的影響。，所對(duì)應(yīng)的預(yù)滾邊和終滾邊的邊緣卷入量，從圖里可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增大，預(yù)滾邊和終滾邊對(duì)邊緣卷入量的影響大至是：先逐漸減少，再逐漸增加，預(yù)滾邊和終滾邊的卷入量最小。從圖中可以看出，卷入量上下浮動(dòng)比較平穩(wěn)，所以，摩擦系數(shù)對(duì)滾壓包邊影響不是很大，即在滾邊壓力相同的情況下，我們可以認(rèn)為摩擦對(duì)其也有類(lèi)似的影響結(jié)果。 ，從中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，翹曲量的大小基本不變，并且外板發(fā)生翹曲的量很小。所以，摩擦系數(shù)對(duì)外板翹曲量的影響也是非常小的。 摩擦系數(shù)對(duì)翹曲量的影響 TCPRTP距離對(duì)滾邊的影響 TCPRTP距離對(duì)450滾邊的影響TCP RTP的距離是：滾邊工具中心點(diǎn)TCP到位于胎模目標(biāo)點(diǎn)RTP的垂直距離。在滾輪滾壓包邊過(guò)程中，滾邊工具中心點(diǎn)（TCP）與位于胎模的目標(biāo)點(diǎn)（RTP）始終保持在同一直線上，來(lái)保證滾輪滾邊的軌跡。在開(kāi)始滾邊時(shí)，滾輪沿外板彎曲的邊緣的局部坐標(biāo)Z軸方向移動(dòng)，在此過(guò)程中達(dá)到TCP – RTP的距離。在滾邊過(guò)程中，該距離保持恒定。 機(jī)器人滾邊過(guò)程中TCPRTP距離TCPRTP距離為在滾邊過(guò)程中定義變形量的因素之一。在摩擦系數(shù)、預(yù)滾邊角度以及速度等參數(shù)恒定的情況下， 改變TCPRTP距離來(lái)觀察其對(duì)卷入卷出量、翹曲以及輪廓邊緣波浪的影響。（a）和（b）是450預(yù)滾邊時(shí)，TCPRTP距離對(duì)輪廓邊緣卷入量和外板邊緣翹曲的影響。 （a） （b） TCPRTP距離對(duì)輪廓邊緣面缺陷的影響，TCPRTP距離對(duì)滾邊輪廓的卷入卷出量影響很大，不僅預(yù)滾邊卷入量大，而且終滾邊卷入量也大；但TCPRTP距離大概為1的地方，其預(yù)滾邊和終滾邊卷入量都達(dá)到了最小值。（b）圖中可以看出，，但每個(gè)TCPRTP值之間相差不是很大。至于TCPRTP距離對(duì)波浪的影響。（a） （b）（c） （d）（e） 不同的TCPRTP值對(duì)450預(yù)滾邊輪廓波浪的影響，不同的TCPRTP值對(duì)450預(yù)滾邊邊緣輪廓產(chǎn)生波浪的影響，、產(chǎn)生較明顯的波浪，輪廓邊緣波浪起伏較為明顯，、。，甚至可以看出滾邊邊緣較平滑。但是單從模擬結(jié)果中截圖來(lái)判斷TCPRTP值對(duì)滾邊輪廓邊緣波浪起伏的影響，事實(shí)上是不合理的。因?yàn)榻貓D的大小反映不出模擬出的真實(shí)波浪的大小，可能會(huì)影響直觀判斷。為了進(jìn)一步分析TCPRTP值對(duì)輪廓邊緣波浪起伏的影響，我們引入失穩(wěn)這個(gè)概念來(lái)討論。失穩(wěn)就是穩(wěn)定性失效，也就是說(shuō)：受力構(gòu)件喪失了保持穩(wěn)定平衡的能力。比如，指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比（如構(gòu)件長(zhǎng)度和截面邊長(zhǎng)之比）過(guò)大，而在給予不大的作用力下，受力構(gòu)件突然發(fā)生作用力平面外的極大變形，并不能保持平衡的現(xiàn)象。 PP2為施加在桿件兩端的壓力 ；L為桿件的長(zhǎng)度 桿件失穩(wěn)現(xiàn)象所以，從上圖可以看出，軸向受壓的細(xì)長(zhǎng)直桿，當(dāng)受到過(guò)大的壓力時(shí)，可能會(huì)突然變彎，失去原來(lái)處于平衡狀態(tài)的直線形式，從而喪失了繼續(xù)承載的能力，稱(chēng)這種現(xiàn)象為喪失穩(wěn)定，即失穩(wěn)。（a）滾壓包邊產(chǎn)生波浪說(shuō)明示意圖，假設(shè)速度v的方向水平向右，滾子的角速度w沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。（b）取了外板3小部分來(lái)分析其受力變形狀況，進(jìn)而簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)明滾邊過(guò)程中產(chǎn)生波浪起伏的原因。由于滾輪滾壓外板時(shí)，其受力比較復(fù)雜，此處指考慮外板在滾輪的作用下只受壓力的作用，忽略滾輪與外板之間的摩擦等因素。（b）