板料成形有限元模拟系统前处理模块中关键技术的研究

板料成形有限元模拟系统前处理模块中的关键技术的研究

Du Ting，Zhang Zhibing， Liu Yuqi， Li Zhigang

（华中科技大学国家重点塑性成形模具技术实验室，中国武汉 430074）

摘要：金属板料成形快速分析系统FASTAMP是一个具有完全独立版权商业的有限元模拟系统。前加工模块FASTAMP_PRE 几层了常用的CAD文件接口（IGES/VDA）和NASTRAN的网格文件接口，它兼容绝大部分流行的CAD系统；它内部快速表面网格化可以网格化绝大部分复杂的表面模型；点线面元编辑的作用可以用于修复常用的表面和有限元模型缺陷；人性化的界面和简单的操作系统使其已易于应用于工程应用上

前加工模块作为一个在商业化有限元模拟系统的关键技术上是非常重要的。许多应用程序表明FASTAMP系统可以完全满足板料成形模拟的有限元模型的建立要求并且最后达到商业水平

关键词：板料成形；FASTAMP；预处理；有限元网格；面编辑

0 介绍

金属板料成形被广泛的应用于航空航天领域，汽车，家用电器行业。特别是汽车行业50-70%的汽车产品的重量由冲压件构成。传统的成型工艺分析和模具设计与制造主要取决于工程师的经验。物料流的成形数据和应力应变分布数据主要由实际经验获得。由于现场的影响因素，传统的设计工艺无法满足行业的发展需求。然而板料的成形数据模拟系统的出现改变了上述的问题。最近数据模拟技术已经作为一项关键的技术被广泛的应用于新发展的汽车行业。许多商业化的系统发布并且应用于实际的行业，比如Autoform，Dynaform和Pam_stamp等 板料成形快速分析系统——FASTAMP通过华中科技大学的国家重点塑性成形模具技术实验室得到了充分的发展。此系统集合了解算器基于逆算法和有限元增量算法的发展，他的仿真速度和精度都大大高于传统的分析系统。FASTAMP系统可以完成对空白文档估计的分析任务，比如加工工艺参数的优化和成形过程的仿真都可以在此系统中得以实现。

作为FASTAMP系统的前加工模块，主要模拟数据的准备可以通过FASTAMP_PRE模块实现，它可以进一步分为五个子模块如输入输出函数，图形显示，网格的操作和生成，约束的修复和定义，工具的组装。前加工模块的完成集成了一般的CAD翻译，先进的表面网格化和表面有限元修复。人性化的界面和简单的操作方式提高了模块的实用性和适用性，这些在一些工程实例上都得到了证实。

1 FASTAMP_PRE模块的结构设计

前加工模块的函数限制了有限元模拟分析模型的建立和完成数据输入和处理的任务。完成的前加工模块可以完成以下功能：接收常用的CAD交换文件和有限元文件；编辑和修复复杂的表面模型；网格化具有高质量的几何模型；一般的网格修复；建立与工艺参数和边界条件等效的模型，比如夹持力和拉延筋等。 前加工模块发展是最为困难的，因为它在有限元分析系统三个子模块里它是最多。基于动态链接库的概念采用系统可维护性和可扩展性的系统设计工艺。大多数子模块作为动态链接库被设计出来，主要模块仅仅支持主机和数据结构。 三个子模块组成了下文将介绍的FASTAMP_PRE模块。 1.1CAD翻译模块

有限元模拟系统一定要可以输入/输出几何模型数据和根据不同的系统改变数据。IGES/VDA兼容接口的表面数据和NASTRAN网格数据必须可以支持FASTAMP_PRE这个模块这样才能保证模型数据的可用性。

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一个独立的动态数据库设计出来可以完成模型数据的改变和翻译，因为以前的模型数据格式太为复杂。

1.2图形显示模块

这个模块主要支持一个统一的接口通过封装独立的图形函数作为一个整个系统的一个基本平台，用于增强系统的可扩展性和可维护性。 1.3接口控制模块

人性化的用户界面是系统成功应用的一个关键因素。典型的窗口风格采用的是图标工具栏，动态菜单，函数对话框来实现真正的人性化用户界面。常用的控制和对话框从主要模块中分离出来通过设计独立的动态链接库来简化主要模块的结构。很容易可以看出来考虑到可维护性和可扩展性这个设计会有多语言版本。 1.4主程序模块

他极大的抑制了主程序在发展和降低复杂程度上的难度，这样子程序才可以被优先分离出来。具体来说就是子程序数据之间的沟通和协调是通过主程序来实现的，子程序只有特定载体功能的主机。

由于整个系统的可维护性和可扩展性，函数模块的分离概念是采用将其分为一个复杂而更独立的系统和一个小的子系统。除了主模块以外的所有子模块都将作为一个动态链接库被设计出来，因为分离调试和集中运行测试是一个易于重用的节约发展成本的新计划。

FASTAMP_PRE模块易于操作而且采用人性化的用户界面设计带有工具栏图标和中文菜单的全中文窗口模式。大多数的运算操作可以通过函数对话框来实现，用户可以用鼠标和极少部分的参数输入来快速地建立分析模型。特别是撤销和快速地保存函数可以减少操作失误。 和其他分析系统来比较FASTAMP具有杰出的技术特性：

1）复杂的表面数据格式IGES\\VDA和网格数据格式Nastran可以通过兼容数据翻译界面翻译出来，这个翻译界面是可以应用于大多数的CAD模型建立系统和有限元分析系统中而没有任何的数据转换困难。

2）表面智能网格化可以支持多元素模式来保证最接近网格模型。可以不需要太多的元素就可以充分的考虑几何特性。

3）强大的模型缺陷修复函数可以让使用者快速地修复一般缺陷比如表面丢失，表面的孔等 4）人性化的图形操作方式基于OpenGL库便利图形规模，旋转，平移，缩放功能，大多数的图形操作也支持右键菜单操作。

5）丰富的材料类型，有超过四十种钢材料和铝材料，和一般的各向同性和各向异性材料。 6）丰富的工具设置功能，可以完成工具定义，摩擦约束，自动定位，来快速地建立有限元分析模型

2 FASTAMP_PRE模块特性

作为FASTAMP系统的前加工模块，此模块集成了FASTAMP_Solver和FASTAMP_Post来完成整个板料快速成形分析系统。 2.1CAD翻译和表面编辑

FASTAMP_PRE模块集成了高兼容性的IGES/VDA表面数据翻译器，它可以在不同的CAD系统里读取大多数的模型数据而且可以输入/输出复杂的表面数据。表面模型数据可以通过全三维的方式显示在一个平面图形形式内。图1显示的是Numisheet 2005年行李箱箱盖表面模型的三维结果。

通常一些表面缺陷会出现在模型建立和表面数据翻译的步骤上，会引起一些低质量的有限元网格模型。因此在分析系统里为了得到可以接受的网格模型表面，缺陷修复函数就非常需要了。在FASTAMP_PRE支持大多数点/线/面/元素编辑，如此才可以修复有缺陷的几何模型。

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2.2表面网格化

表面网格化是在有限元模型建立的过程中最重要的一个步骤。不同的有限元解算器需要使用者有不同质量的网格模型。一般来说合格的网格模型要具有最基础的兼容要求，这就意味着所有的节点都要定位于元模型上的相对位置，所有的元素都必须是凸的，几何模型形状以及拓扑结构和元模型的关系必须是正确的。

在FASTAMP系统里有两种形式的解算器包括逆算法（一个步骤/单步）和增量算法，这就要求不同的有限元类型。因此两种高效的表面网格化就被应用在FASTAMP_PRE模块里来生成不同形式的有限元。图2显示的是有限元模型用逆算法算出来的固定大小的部分，这个意味着大多数元大小几乎近似只有少部分网格模型上会出现异常元素。图3显示的是有限元模型用增量算法算出来的可变大小的部分，这意味着不同的元素大小的模型将比固定大小的模型更大并且决定模型表面曲率的因素是网格密度。因此同样的表面模型，在元素数量中可变大小网格化的部分比固定大小网格化少得多。

图4显示的是有限元模型在逆算法网格化工具下的结果，它一般用于网模部分模型来适应大多数的表面模型特性。网格密度被添加在曲率很大的地带和需要减少平面区域的地方，用这个方法来减少搜索步骤的时间消耗。图5显示的是有限元模型在增量算法下的空白网格，它被用于网格化最初的平面空白。网格密度必须满足兼容规则的要求甚至更低因为适应网格的函数必须支持模拟步骤。 2.3等效拉延筋模型

真正的拉延筋大小太小而不能在有限元分析步骤里被准确的模拟出来。需要很多元素来模拟拉延筋和空白之间的接触问题。这是不现实的，因为分析步骤所花费的时间太长而无法接受。一般来说等效拉延筋模型是采用有限元分析，它完全就是在模具表面考虑强加入一条抽象的线。必须考虑阻力，塑料厚度应变和最小夹持力来得到最准确的等效模型。用三个等效的拉延筋模型来模拟真实矩形的结果。图6显示的是在FASTAMP_PRE模块的成形步骤上拉延筋的边缘和半圆区域。在模拟结果和经验的比较中这个模拟结果是准确的，它可以完全满足分析需要的精度。 2.4解算器模块

四个解算器模块被发展和应用于FASTAMP_PRE模块中的不同工程领域，它同样的系统里采用了逆算法和增量算法。图7显示的是不同解算器模块的使用界面。逆算法模块主要应用于毛坯轮廓估算，成形性分析，参数优化。翻边分析模块主要应用于3D翻边成形性和修剪线分析。多步骤发展模块主要应用于进一步将毛坯逐步成形得到准确的中间外形结构。模具设计和虚拟成形经验主要是分析增量算法模块而得到最为准确的成形结果。 用户在不同领域的需求通过发展不同的应用程序模块被仔细划分，这增加了实用性和适用性而且丰富了FASTAMP系统的产品列表。

3结论

作为FASTAMP系统的前加工模块，FASTAMP_PRE具有强大的有限元模型建立函数，人性化的图形使用界面和便利的输入输出界面。用户可以快速地建立分析模型却只需要少量的参数输入和鼠标操作。撤销函数可以避免操作错误。

和其他国内或者国外的分析系统比较FASTAMP系统有杰出的技术特性。

1）设计清晰的函数模块和优化系统结构使得其具有良好的可扩展性和可维护性

2）复杂的表面数据格式IGES/VDA 和网格数据格式Nastran可以通过兼容的数据翻译界面翻译出来，因此可以应用于大多数CAD模型建立系统中和有限元模拟分析系统而没有麻烦的数据转换。

3）智能化的表面网格支持多元素模式来保证大多数近似的网格模型

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4）丰富的点线面元素编辑函数，可以修复一般的模型表面缺陷。

5）人性化的图形用户界面，便利的操作方式，独立的具有高便携性的图形平台 6）不同的解算器模块应用于广泛的领域来帮助用户快速地降低设计成本

FASTAMP_PRE模块集成了解算器和FASTAMP_POST模块来组成板料成形快速分析系统FASTAMP，它可以应用在汽车，家电，模具设计和制造行业。设计成本可以在很大程度上得到降低，在设计步骤上大多数不确定问题都可以得到解决如此便可以快速地增强企业的竞争力。 参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lgd2.html