多工位級進模成形仿真算法研究與系統(tǒng)集成.pdf

1、在汽車結(jié)構(gòu)件、五金家電、儀器儀表、以及3C產(chǎn)品(計算機、通信和消費電子)等領(lǐng)域,多工位級進模得到廣泛的應(yīng)用。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和行業(yè)競爭的日益激烈,產(chǎn)品形狀越來越復(fù)雜,質(zhì)量要求越來越高,生產(chǎn)周期越來越短,成本控制越來越嚴(yán)格,再加上新型的高速機床的應(yīng)用,使級進模零件成形工藝不僅非常復(fù)雜,而且成形工序也很多。此外,級進模前后工序之間的關(guān)聯(lián)性非常強,在產(chǎn)品、條料和模具設(shè)計的過程中需要考慮的因素也非常多,造成級進模工藝和模具設(shè)計難度很大,傳統(tǒng)

2、的依靠經(jīng)驗和反復(fù)試模的方法已經(jīng)不能滿足行業(yè)的需求。有限元數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件和航空鈑金件等大中型模具的沖壓成形中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,并且取得了良好的經(jīng)濟效益,但是,數(shù)值模擬在精密多工位級進模領(lǐng)域應(yīng)用不多。因此,需要開發(fā)一套面向級進模產(chǎn)品、條料和模具設(shè)計全流程的仿真系統(tǒng)。
　　論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金資助項目“復(fù)雜汽車結(jié)構(gòu)件多工位級進模條料設(shè)計的快速仿真模型與關(guān)鍵算法研究”(項目編號50905067)和華富集團昆山嘉華電子有限公

3、司資助項目“級進模成形仿真系統(tǒng)研究”,對基于實體殼單元的中厚板或厚板成形和回彈模擬算法、復(fù)雜級進模零件中間構(gòu)型生成算法以及CAD/CAE集成技術(shù)進行了深入研究,并在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了面向復(fù)雜級進模產(chǎn)品、條料和模具設(shè)計全流程的CAD/CAE集成系統(tǒng)StampingWorks。
　　為了準(zhǔn)確模擬級進模零件厚向擠壓成形效果,開發(fā)了一種新的全三維實體殼單元模型。在求解實體殼單元節(jié)點內(nèi)力時采用了平面內(nèi)單點、厚向多點積分方案,既能剔除體積閉鎖和

4、剪切閉鎖的不良影響,也能準(zhǔn)確描述彎曲效應(yīng),并對這種平面內(nèi)不精確積分激活的沙漏模式進行了處理。針對實體殼單元在板料成形中常常出現(xiàn)的厚向閉鎖問題,提出了一種改進的平面應(yīng)力本構(gòu)模型,使得實體殼單元能同時獲得實體單元和殼單元的特性。此外,推導(dǎo)了實體殼單元隱式增量算法列式,針對實體殼單元平面內(nèi)完全減縮積分可能引起的病態(tài)情況,提出了一種基于二階泰勒展開的穩(wěn)定化方法。并編寫了實體殼單元動力顯式和隱式增量計算程序,用于中厚板/厚板的成形和回彈模擬。給出

5、了實體殼單元模擬成形和回彈的若干個算例,并通過模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比來驗證實體殼單元的有效性和有限元求解程序的穩(wěn)健性。
　　復(fù)雜級進模條料中間構(gòu)型設(shè)計基本以手工造型為主,耗時費力,精度差,是設(shè)計過程中的主要難點。針對級進模零件中大部分的成形工序都是彎曲成形的特點,在已知產(chǎn)品最終構(gòu)型的情況下,提出了一種基于幾何旋轉(zhuǎn)和有限元逆算法的中間構(gòu)型生成算法,用于復(fù)雜級進模條料設(shè)計。這種算法通過設(shè)置相關(guān)的求解條件,如旋轉(zhuǎn)軸、固定區(qū)、固定約束

6、線、變形區(qū)、形狀約束線、非變形區(qū)、等長線、等長線縮放因子以及旋轉(zhuǎn)角度等,通過曲面網(wǎng)格快速求解零件初步中間構(gòu)型。將獲得的初步中間構(gòu)型網(wǎng)格作為修邊線逆向展開的參考區(qū)域,能準(zhǔn)確地獲得級進模零件中間構(gòu)型的邊界線,完成中間構(gòu)型的精確設(shè)計。
　　在SolidWorks軟件上還沒有一套完整的板料成形數(shù)值模擬解決方案。本文基于所開發(fā)的實體殼單元求解器和中間構(gòu)型生成算法,開發(fā)了首個無縫集成于SolidWorks平臺的板料成形數(shù)值模擬系統(tǒng)Stampi

7、ngWorks,提供面向復(fù)雜級進模零件產(chǎn)品、條料及模具設(shè)計全過程的專業(yè)分析工具。該系統(tǒng)包括面向級進模零件產(chǎn)品設(shè)計的整體毛坯展開與可成形性評估系統(tǒng)BlankEstimationXpert(BEX)、面向條料設(shè)計的級進模零件中間構(gòu)型設(shè)計與分步展開系統(tǒng)MultistepUnfoldXpert(MUX)以及面向工藝與模具設(shè)計的級進模全工序成形同步仿真系統(tǒng)FormingAnalysisXpert(FAX),并在汽車結(jié)構(gòu)件和3C等多個企業(yè)推廣應(yīng)用,