【正文】 新零件層中的重疊單元是多余的單元，可以直接將此零件層直接刪除，通過(guò)菜單“零件層” →“ 刪除”，選擇該零件層后刪除。模型檢查對(duì)話(huà)框中包含一些幫助網(wǎng)格質(zhì)量的功能，這里主要用到顯示邊界、平面法向一致、鎖模和重疊單元。劃分后的網(wǎng)格結(jié)果顯示如圖 36：21 / 703) 網(wǎng)格檢查修補(bǔ)為了防止網(wǎng)格中存在的一些潛在的、影響模擬的缺陷，在創(chuàng)建網(wǎng)格后需要通過(guò)多個(gè)操作來(lái)檢查網(wǎng)格的質(zhì)量。 圖 34 網(wǎng)格劃分 圖 35 單元選項(xiàng)框圖 36 曲面網(wǎng)格劃分結(jié)果本課題中模型的曲面網(wǎng)格劃分操作如下：先設(shè)置 DIE 零件層為當(dāng)前零件層，選擇菜單“前處理 ” →“ 單元” ，如圖 34，從彈出的單元選項(xiàng)框中選擇“曲面網(wǎng)格劃分”。但是，在編輯或修改零件層時(shí)，一定要注意查看界面右下角顯示出的當(dāng)前零件層是否是要修改的零件層，如果不是，則點(diǎn)擊“ 當(dāng)前零件層 ”進(jìn)行調(diào)整，如圖 33 所示，一定要保證零件層的工作狀態(tài)的正確性，否則會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤。圖 31 車(chē)門(mén) IGES 曲面 創(chuàng)建 DIE1) 創(chuàng)建 DIE 零件層選擇菜單“零件層 ” →“ 創(chuàng)建”，建立一個(gè)新的零件層 DIE（凹模） ，如圖 32 所示。選擇菜單“文件”→“導(dǎo)出” →“iges”，彈出對(duì)話(huà)框，設(shè)置好導(dǎo)出路徑，選擇內(nèi)板結(jié)構(gòu)導(dǎo)出對(duì)象，確定后，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)生成iges 格式文件。tx?t tt? 本章小結(jié)本章介紹汽車(chē)覆蓋件拉延成形有限元仿真的相關(guān)理論，其中主要介紹了汽車(chē)覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬有限元理論、幾何非線(xiàn)性、Barlat 屈服準(zhǔn)則、汽車(chē)覆蓋件沖壓成形單元模型與有限元控制方程的求解。采用 ，利用虛功原理建立的非線(xiàn)性大變形有限元控制方程為： （252）cextfFKCxM????式中，M 表示質(zhì)量矩陣 （253）???????dNTnee??N 表示單元總數(shù)， 表示插值矩陣，C 表示阻尼矩陣N17 / 70 （254）??????dNcCTnee???K 表示總體剛度矩陣 （255）?????BDKepTnee?表示外力矢量extF （256）????????????ne TbTxtet tdsNf)(1?? （257）Tzyxff表示單位質(zhì)量的體力矢量；f表示接觸力矢量，它是法向接觸力和切向摩擦力的合力；c、 、 分別代表位移矢量、速度矢量和加速度矢量；x? （258）??Tx321? （259）?? （260）??Txx321代表總內(nèi)力矢量，它可由式（246）和式（247）直接確定。利用式（224） ，把按式（248）和式（249）在局部坐標(biāo)系中的單元節(jié)點(diǎn)力矢量和單元節(jié)點(diǎn)處力矩矢量分別表示為 和 ，則有fm （250 ）?????????????zyxzyxzyx ffeff ?321 （251）?????????????zyxzyxzyx mem?321 有限元控制方程的求解汽車(chē)覆蓋件金屬板材拉延成形有限元數(shù)值模擬仿真常見(jiàn)的有三種格式，即靜力隱式格式、靜力顯示格式和動(dòng)力顯示格式。B205?（3）應(yīng)力合成和節(jié)點(diǎn)力由式（243 ） ，并結(jié)合彈塑性本構(gòu)關(guān)系，可以確定出在局部坐標(biāo)系中的應(yīng)力 ；????對(duì)應(yīng)力 沿殼單元厚度方向進(jìn)行積分，可獲得在局部坐標(biāo)系下的單元內(nèi)的應(yīng)力合力????與合力矩 ，即RfRm （246）zdf?????? （247 ）RR??利用虛擬功原理，對(duì)上述單元內(nèi)的應(yīng)力合力和合力矩進(jìn)行一點(diǎn)積分，可獲得局部坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)力矩，為 （248）????????????????)??(? )??(?41414141iiRyziRxzixiixyiyiyiiRxyiRxix fNfAf fff fff （249）???????????0? )?4??(?4141z RxzxyiiRxiiy yzxyiiyiixmfkmNAf式（249 ）中，A 表示單元的面積，k 表示剪切系數(shù)。由于?? （241）?????????????????????????yNxJyxNiiiiii ?????)4,321(?i所以 （242）????????????????????iiiiNJyx1? )4,321(?i上式中 。假設(shè)全局坐標(biāo)下的某一向量為 ，??TzyxA?則與之對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系的向量為 ，則坐標(biāo)變換為??TzyxA???13 / 70 （224）????AqeAzyxzyxzyx ??321??????????????上述變換的逆變換為 （225）??qT??（2）應(yīng)變速率與節(jié)點(diǎn)變形速度之間的關(guān)系根據(jù)梅德林（Mindlin）的板殼理論，殼中任一點(diǎn)的速度矢量可以表示為 （226 ）????3?ezm上式中 表示的是 BT 殼單元中面的速度矢量； 表示的是角速度矢量；? 表示的是該點(diǎn)沿殼單元厚度方向距中面的距離。圖22 為共轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定義的示意圖，圖 22 中 4 表示面上的 BT 殼單元 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)?；谶@一點(diǎn)，作者 [43]對(duì)幾類(lèi)基于梅德林（Mindlin）理論的 型殼單元的綜合性能進(jìn)行了比較，認(rèn)為 BT 殼單元是最適合用于0C汽車(chē)覆蓋件模具金屬板料拉延成形數(shù)值模擬仿真分析的。由于 Barlat 屈服準(zhǔn)則模型僅僅限于平面應(yīng)力狀態(tài)，因此彈性本構(gòu)矩陣可以簡(jiǎn)化為： （214）??????????21012??EDe將式（214 ）和（29 ）代入彈塑性矩陣的一般式（28） ，整理可得出相應(yīng)的彈塑性矩陣表達(dá)式為： （215）?? ???????????????0)1(202232122 AnEEDep ???11 / 70上式中： 2121)(???nKaH 22?234hyx? （216）241KHyx??? 15?nc 264hyx??27KpHxy??21???EDe )(6542312HmHAx ???? （217）375122 )(AExy ?????)(165324124 HmhHAy ???式（215 ）表示材料在平面各向異性屈服準(zhǔn)則下的彈塑性本構(gòu)關(guān)系矩陣 [42] 汽車(chē)覆蓋件沖壓成形單元模型在汽車(chē)覆蓋件沖壓模具行業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用中，常見(jiàn)的單元模型是殼單元和膜單元，殼單元對(duì)起皺的計(jì)算比膜單元更準(zhǔn)確，但是計(jì)算速度沒(méi)有膜單元快。考慮平面應(yīng)力條件下材料面內(nèi)各向異性，Barlat 等人建立了對(duì)應(yīng)的屈服函數(shù)表達(dá)式： （29）nnnKcaKaf ?22121 ?????上式中：， （210）1yXh?222)(xyyXPh?上式中 分別表示板料的扎制方向和橫向； 表示的是沿扎制方向的等效應(yīng)力；yx, ?表示的是與金屬板材晶體形狀相關(guān)的指數(shù)，對(duì)于體心立方材料 ，對(duì)于面心立方m 8?m材料 ； 分別是描述塑性各向異性的材料參數(shù)，由各向異性系數(shù) 確6?phca, 9045,r定：， ， （211）90012r??ac??2901rh?值無(wú)法由顯式給出，必須進(jìn)行隱式求解方能獲得。??Ff Barlat 屈服準(zhǔn)則判斷板料屈服的準(zhǔn)則有很多種，人們常用的屈服準(zhǔn)則有 Tresca 屈服準(zhǔn)則、Hill 屈服準(zhǔn)則、von Mises 屈服準(zhǔn)則和 Barlat 屈服準(zhǔn)則等等。其中一個(gè)用大寫(xiě)字母 來(lái)iX)3,21(?表示參考構(gòu)形 V 的坐標(biāo)系，另一個(gè)用小寫(xiě)字母 來(lái)表示現(xiàn)時(shí)構(gòu)形 的坐標(biāo)系，)3,21(?ixv如圖 21 所示。 幾何非線(xiàn)性在汽車(chē)覆蓋件拉延成形過(guò)程中，由于沖壓用板料在模具力的作用下發(fā)生了較大的塑性變形，同時(shí)產(chǎn)生了較大的應(yīng)變和應(yīng)力，因此需要對(duì)大變形中應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行定義，進(jìn)而建立非線(xiàn)性的幾何方程和物理方程。當(dāng)沖壓板料的材料應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí)，其將呈現(xiàn)彈塑性的性質(zhì)，這種彈塑性的產(chǎn)生與加載力的大小、應(yīng)變速率、材料性能等因素相關(guān)。對(duì)沖壓板材在拉延成形過(guò)程中的幾何非線(xiàn)性分析時(shí)，為了保證計(jì)算精度、求解過(guò)程和結(jié)果的穩(wěn)定性，通常采用增量法進(jìn)行分析。沖壓模具拉延成形過(guò)程是金屬板料成形過(guò)程中幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性、邊界條件非線(xiàn)性等多重非線(xiàn)性的復(fù)雜多體接觸力學(xué)問(wèn)題。金屬板料在模具施加的壓力作用下發(fā)生大的撓度、大變形的塑性變形 [9]。這一變革不但大大減輕了工人的工作強(qiáng)度，而且更重要的是極大的提高了沖壓板件的質(zhì)量，有效的縮短了生產(chǎn)周期，同時(shí)降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)被公認(rèn)為沖壓產(chǎn)業(yè)的標(biāo)識(shí)性里程碑。目前，有限元理論已經(jīng)開(kāi)發(fā)成比較成熟的商業(yè)用軟件，被廣大企業(yè)所采用。針對(duì)大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、小應(yīng)變的非線(xiàn)性問(wèn)題的分析常常采用 T. ；而對(duì)于大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形的非線(xiàn)性問(wèn)題，運(yùn)用 。有限元分析法的基本步驟是將連續(xù)空間的求解區(qū)域離散成許多小單元，然后將這些小單元按一定的方式重新組合在一起，進(jìn)而近似模擬仿真整個(gè)求解域內(nèi)的變化情況。上世紀(jì)八十年代中期，韓廉和小林使用殼單元理論，首次運(yùn)用剛性有限元法分析了方形盒的拉深過(guò)程，標(biāo)識(shí)著有限元沖壓成形三維數(shù)值模擬仿真的開(kāi)始。小林和基姆采用軸對(duì)稱(chēng)理論，運(yùn)用剛塑性有限元法分析了正交各向異性材質(zhì)的脹形問(wèn)題。1977 年在美國(guó)通用汽車(chē)公司舉行的關(guān)于板料沖壓成形力學(xué)分析討論會(huì)上，由小林和王共同提交的關(guān)于沖壓板料成形有限元分析論理論的發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代沖壓成形有限元仿真研究的先河。小林和李在上世紀(jì)七十年代首次提出了剛塑性有限元法，其數(shù)模特征是材料在屈服發(fā)生前呈剛性，屈服發(fā)生后的材料流動(dòng)看作是不可壓縮的非牛頓流體的流動(dòng)。在上世紀(jì)七十年代西比特、馬薩爾和賴(lài)斯成功建立了 、大變形的彈塑性有限元法。 在有限元法產(chǎn)生初期，只能進(jìn)行分析處理彈性力學(xué)問(wèn)題。7 / 70第 2 章 汽車(chē)覆蓋件拉延成形理論 汽車(chē)覆蓋件拉延成形有限元仿真理論概述 在上世紀(jì)六十年代初期，克拉夫教授發(fā)表“有限元法分析平面應(yīng)力” 著名論文，在該篇論文中首次提出了“ 有限元 ”一詞 [24]。然后對(duì)沖壓模具 CAE 數(shù)值模擬分析的目的及意義和 Autoform 軟件做了簡(jiǎn)短的介紹。（2）打開(kāi) Dynaform 進(jìn)行前處理，導(dǎo)入 Dynaform 選拉延類(lèi)型和接觸方式，再進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分，劃分后再網(wǎng)格檢查與修復(fù)確保網(wǎng)格合理無(wú)誤，接下來(lái)定義成形工具（凹模、凸模、壓邊圈等）和材料屬性，選擇材料模型及單元公式，預(yù)估毛坯外形，劃分毛坯網(wǎng)格，設(shè)置成形參數(shù)；（3）提交求解器進(jìn)行仿真計(jì)算（4）打開(kāi) Dynaform 進(jìn)行后處理，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、厚度分析,出成形極限圖 FLD，最后坯料與工具間距離；（5）查看結(jié)果是否滿(mǎn)意，如不滿(mǎn)意找出現(xiàn)場(chǎng)與 CAE 分析的不符之處，并將其反饋給CAE，改進(jìn)方案進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)模具的調(diào)試，直到調(diào)出合格的拉延模具。5 / 70用 3D 軟件（如 UG、PRO/E 等）建立零件曲面模型用 3D 軟件（如 UG、PRO/E 等）建立零件導(dǎo)入 DYNAFORM 選拉延類(lèi)型和接觸方式有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格檢查及修補(bǔ)定義成形工具（凹模、凸模、壓邊圈等）定義材料屬性，選擇材料模型及單元公式預(yù)估毛坯外形，劃分毛坯網(wǎng)格設(shè)置成形參數(shù)求解器仿真計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變、厚度分析FLD坯料與工具間距離修改模型修改接觸方式修改單元公式修改成形參數(shù)不滿(mǎn)意開(kāi) 始結(jié)束結(jié)果是否滿(mǎn)意前前處理后后處理圖 12 汽車(chē)覆蓋件拉延成形數(shù)值模擬技術(shù)路線(xiàn)圖 課題的研究方案本課題采用拉延成形 CAE 技術(shù)針對(duì)某新款車(chē)型汽車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，對(duì)影響其拉延成形質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得其最佳工藝參數(shù)組合。 圖 11 汽車(chē)門(mén)內(nèi)板零件各章節(jié)主要內(nèi)容如下：第一章、闡述了汽車(chē)覆蓋件沖壓模具數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以及Dynaform 軟件的簡(jiǎn)介與本論文的主要內(nèi)容和課題是的研究方案；第二章、論述了某款新型汽車(chē)覆蓋件車(chē)門(mén)內(nèi)板沖壓模具拉延成形數(shù)值模擬技術(shù)的有限元理論；第三章、用 Dynaform 進(jìn)行前處理，導(dǎo)入 Dynaform 選拉延類(lèi)型和接觸方式，再進(jìn)行有限網(wǎng)格