ABAQUS在沖壓成形有限元模擬中的應(yīng)用

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

一、模擬加工過程中的成本節(jié)約

加工成形技術(shù)是制造工業(yè)的中一種重要的技術(shù)。當(dāng)前,制造行業(yè)加工工藝正朝著高技術(shù)的方向發(fā)展,越來越多的公司在產(chǎn)品研發(fā)和制造過程中開始注重仿真技術(shù)的應(yīng)用。

采用ABAQUS進(jìn)行仿真模擬的目的是節(jié)約開發(fā)成本、加快研發(fā)速度和提高產(chǎn)品質(zhì)量。ABAQUS可以針對(duì)不同操作系統(tǒng)(如Unix,Linux和Windows等)進(jìn)行單機(jī)或多機(jī)并行運(yùn)算,節(jié)省更多運(yùn)算時(shí)間。

下面以ABAQUS某汽車用戶的車門設(shè)計(jì)為例,說明ABAQUS在沖壓成型有限元模擬中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的車門設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

ABAQUS在沖壓成形有限元模擬中的應(yīng)用ansys圖片圖片1

圖1 某型號(hào)汽車車門的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

其中主要設(shè)計(jì)及加工成本如下:

    1.軟質(zhì)模具的設(shè)計(jì)和加工成本為20萬美元;
    2.初期生產(chǎn)并修改模具的周期一般不低于12周;
    3.硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)修改和加工成本為75萬美元;
    4.最后產(chǎn)品試生產(chǎn)、模具方案的定型、修正生產(chǎn)流程直至正式生產(chǎn)的周期一般為8~9個(gè)月。

其中,硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)費(fèi)用包含在前期軟質(zhì)模具設(shè)計(jì)費(fèi)用之中,后期只計(jì)算修改模具設(shè)計(jì)的費(fèi)用。

采用ABAQUS進(jìn)行數(shù)字仿真之后,設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

ABAQUS在沖壓成形有限元模擬中的應(yīng)用ansys圖片圖片2

圖2 引入ABAQUS后某型號(hào)汽車車門的設(shè)計(jì)效果

修改設(shè)計(jì)流程之后,主要設(shè)計(jì)和加工成本如下:

    1.軟質(zhì)模具的設(shè)計(jì)和加工成本為10萬美元;
    2.初期生產(chǎn)并修改模具的周期縮短為4周;
    3.硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)修改和加工成本為25萬美元;
    4.最后產(chǎn)品試生產(chǎn)、模具方案的定型、試生產(chǎn)、修正生產(chǎn)流程直至正式生產(chǎn)的周期一般為3.5~4個(gè)月。

經(jīng)過以上計(jì)算可以明確看出,僅車門的設(shè)計(jì)費(fèi)用就節(jié)約了2/3,而設(shè)計(jì)周期則縮短為原來的1/3。

二、模擬加工成形過程中的難點(diǎn)

加工成形過程的數(shù)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(jì)算的難度非常大。從力學(xué)本質(zhì)來看,很多的成形過程可以簡(jiǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)過程,對(duì)該過程的有限元模擬通常有兩種方法:靜力隱式方法和動(dòng)力顯式方法。根據(jù)動(dòng)力松弛法的原理,動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)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(dòng)力學(xué)的方法,即使用ABAQUS/EXPLICIT求解器模塊,對(duì)不同的加工成形過程進(jìn)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(jié)果。

三、實(shí)際應(yīng)用

1.普通油箱的沖壓成形

本實(shí)例模擬油箱的沖壓成型過程。圖3所示為實(shí)際成型時(shí)油箱的一半的形狀。考慮到在沖壓成型過程中,油箱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,本文通過模擬圖3左下所示的結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行模擬分析,達(dá)到分析整個(gè)油箱成型的目的。首先,通過ABAQUS/CAE完成圖3右側(cè)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(jié)構(gòu)。成形的全過程如圖4所示,模擬結(jié)果跟實(shí)際生產(chǎn)過程相吻合。其中,圖5所示為整個(gè)過程中內(nèi)能和動(dòng)能的變化曲線,可以確定模擬過程為準(zhǔn)靜態(tài)。圖6表現(xiàn)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(guān)的四個(gè)節(jié)點(diǎn)處的厚度在時(shí)間域內(nèi)的變化曲線。

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圖3 油箱的結(jié)構(gòu)模擬圖及裝配圖

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圖4 油箱沖壓成形過程示意圖

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圖5 整個(gè)過程中內(nèi)能和動(dòng)能的變化曲線

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圖6 厚度分布云圖

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圖7 與厚度變化最大處的單元相關(guān)的四個(gè)節(jié)點(diǎn)處的厚度在時(shí)間域內(nèi)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。

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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。

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圖9 蒙拉成型的ABAQUS模擬示意圖

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圖10 模具應(yīng)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。

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圖11 橡皮囊及鈑金成形的示意圖

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圖12 第一步成型示意圖

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圖13 第二步成型示意圖

5.彎管成形

彎管成形如圖14所示。

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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。

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圖15 圓錐管成型的ABAQUS模擬示意圖

四、結(jié)論

以上實(shí)例的模擬都是在ABAQUS平臺(tái)下進(jìn)行的。結(jié)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(xué)問題,能夠得到比較令人滿意的結(jié)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(jù)需要編寫特殊的本構(gòu)關(guān)系曲線、復(fù)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(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中都取得了廣泛地應(yīng)用。

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