汽车覆盖件冲压成形有限元数值模拟中关键技术的研究与开发
关注+2019-04-26作者：不详
微软雅黑; font-size: 15px; text-indent: 30px;">汽车工业的发展水平，一定程度上代表了一个国家的工业发展水平。目前，汽车工业已经成为我国的支柱产业。但在覆盖件模具的设计制造、材料选择、毛料形状和尺寸的确定、冲压工艺规划等方面，国内汽车企业还没有完全摆脱传统的“试错”过程，这会造成生产成本高，开发周期长。为了能够在激烈的国际竞争中生存和发展，各汽车生产厂家都迫切需要新的技术来改革传统的模具设计制造过程。在国家自然科学基金与中国一汽集团的支持下，本课题组开发了汽车覆盖件冲压成形有限元数值模拟软件系统SHEETFORM。为了提高系统的精度和速度，本文对汽车覆盖件冲压成形有限元数值模拟中的关键技术进行了深入的研究和探索。本文首先研究了采用修正的拉格朗日法描述的有限应变弹塑性有限元基本方程的建立与求解。指出，无论采用何种方法求解非线性方程组，其中线性方程组的求解方法对计算效率都起着至关重要的影响。原系统中采用了三角分解法，但在分析大型汽车覆盖件的冲压成形时，由于需要占用较多的物理内存来存储整体刚度矩阵，导致程序计算速度较慢。为了提高计算效率，提出采用对称逐次超松弛预处理共轭梯度法(SSOR-PCG)取代三角分解法。基于提出的广义相邻结点与结点相邻关系的两个概念，分析了整体刚度矩阵的组装过程及其元素的特征，结合迭代法求解过程中刚度矩阵恒定的特点，提出了一种新的适合迭代法的刚度矩阵存储方法，较大程度地节省了内存，而且避免了结点编号的优化问题。与原系统的计算效率相比，新求解方法能节省20%~90%左右的计算时间，具体值依赖于分析模型的大小。研究了用于汽车覆盖件冲压成形数值模拟中的四节点四边形Mindlin壳单元模型，并导出了其具体的单元计算公式，包括速度梯度、应变位移矩阵和单元刚度等。研究了用于汽车覆盖件冲压成形数值模拟中的弹塑性材料屈服模型，推导了von Mises、Hill48、Barlat89、Barlat91屈服准则下本构矩阵的计算公式。研究了本构方程的时间积分算法。为了提高原系统中应力求解的精度，提出了两种解决方案：一是将原系统中采用的欧拉法与子增量法结合起来；二是采用最近点投影法。研究了最近点投影法在有限元代码中的具体实现方法，针对屈服函数的二次和非二次性质，分别提出各自适合的迭代求解算法。研究了拉延筋力能参数的解析模型。基于提出的拉延筋的常规设计量的概念，分别提出了适合圆形筋、拉延槛和矩形筋的弯曲角的计算方法。该算法拓宽了国内外现有的圆形筋阻力解析模型的适用范围。在Stoughton模型的基础上，分别推导出了适合矩形筋和拉延槛的阻力解析模型。根据力的平衡原理，分别提出了适合圆形筋、拉延槛和矩形筋的最小压边力的计算方法。最后将上述解析模型集成到原系统中构成拉延筋力能参数预测功能模块，基本满足了汽车覆盖件模具中拉延筋设计的多样化需求。研究了汽车覆盖件冲压成形数值模拟中的等效拉延筋技术。基于提出的等效拉延筋单元的接触特征空间的概念，提出了一种等效拉延筋与板料之间的接触搜索算法；制定了拉延筋力能参数在有限元方程中的施加策略，建立了等效拉延筋的有限元模型。建立了基于无模法回弹模拟的有限元模型。在模拟的初始，提出了一种新的对高斯积分点的弹塑性状态的初始化方法，提高了模拟精度。最后，采用改进和更新后的软件系统SHEETFORM模拟了若干个实际冲压件的拉深成形情况。通过将模拟结果与实验值或其它商品化软件的模拟结果进行对比分析，验证了该系统具有一定的计算稳定性和工程实用性。