賈衛(wèi)星

摘要：隨著近幾年我國不斷提高的汽車設(shè)計和開發(fā)技術(shù)，有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，在未來汽車新車型的試制和研發(fā)過程中也發(fā)揮了很大的作用。本文對有限元仿真技術(shù)進(jìn)行簡要分析，同時也對板材成形中有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探索，為我國汽車行業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：有限元仿真；板材成形；應(yīng)用分析

在我國國民經(jīng)濟(jì)的構(gòu)成中，汽車行業(yè)占據(jù)著極其重要的地位，板材成形隨著汽車行業(yè)的發(fā)展也得到了很大的進(jìn)步。為了滿足新時代汽車對板材越來越高的質(zhì)量要求，鋼鐵行業(yè)加大了對生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)和完善的力度，同時也以不同用戶的需求進(jìn)行了不同特點(diǎn)冷軋薄板系列化產(chǎn)品的設(shè)計。通過對用戶不同需求的深入了解，如何實(shí)現(xiàn)選材和用材的合理性已經(jīng)是現(xiàn)階段中鋼鐵行業(yè)繼新產(chǎn)品開發(fā)后的又一重點(diǎn)項(xiàng)目。

1有限元仿真技術(shù)發(fā)展分析

在板材形成所采用的技術(shù)中，有限元仿真是較為先進(jìn)的一種，在汽車和鋼鐵等各個行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。有限元仿真技術(shù)具備一定的柔性和經(jīng)濟(jì)性，能將企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)成本大幅度降低，還能完成大部分常規(guī)試驗(yàn)手段無法完成的數(shù)據(jù)測量任務(wù)，使企業(yè)對新產(chǎn)品研發(fā)和市場競爭的能力得到有效提升。

當(dāng)前，國外有大部分汽車制造公司將沖壓成型過程的有限元仿真研究與新車型的設(shè)計和開發(fā)共同進(jìn)行，使汽車設(shè)計的智能化和生產(chǎn)的快速化得到了很大的助力。在汽車制造公司對車型開發(fā)和研制的過程中也有部分鋼鐵行業(yè)以先期介入的模式同步參與其中。在對車輛零部件沖壓成型有限元仿真全面開展的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶需求與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性將汽車零部件的選材的科學(xué)性實(shí)現(xiàn)，從而為新車型投入生產(chǎn)后零件與用材對路供應(yīng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障。

2成形過程有限元仿真關(guān)鍵技術(shù)

在對仿真軟件應(yīng)用的過程中，對沖壓成形仿真技術(shù)難點(diǎn)的了解和掌握有著極其重要的作用。這是因?yàn)橛嬎銠C(jī)仿真理論和方法以及仿真程序即便完全正確、可靠，但是在沖壓成形和工藝中仿真計算的應(yīng)用是否成功無法得到有效保證[1]。這就要求仿真軟件操作人員必須具備充足的理論知識，如有關(guān)沖壓成形的計算力學(xué)知識、計算機(jī)應(yīng)用知識、基礎(chǔ)力學(xué)知識、有限元方法知識、材料與沖壓工藝知識等。

2.1有限元仿真求解方法

板材成形的過程通常為準(zhǔn)靜態(tài)，而傳統(tǒng)的模擬計算方法在求解時是利用靜力隱式算法進(jìn)行的。該算法有著嚴(yán)格的理論性，然而由于較差的迭代收斂性和較大的整體剛度矩陣帶寬兩個缺點(diǎn)存在于計算過程中，影響了多重非線性和大規(guī)模工程問題的分析。為了完善該過程，自20世紀(jì)90年代起，大量研究人員便在三維板料成形的仿真中如何利用動力學(xué)方程中心差分顯示積分方法來完成展開了研究，也取得了一定的研究成果。

動力顯式解法與靜力隱式解法有著相似的應(yīng)力應(yīng)變計算、單元類型的選擇和材料本構(gòu)模型的確定，而這兩者在求解方程、回彈計算、接觸處理和時間步長的選取等方面存在著一定的差別。動力系統(tǒng)通過過渡后的靜力解和穩(wěn)態(tài)解根據(jù)動力松弛法原理而言是相同的，所以在對靜力問題分析時也可采用動力顯式算法。在動力顯式計算模型中，實(shí)際上對速度、加速度等運(yùn)動變量進(jìn)行了考慮，約束模具與工件之間接觸的條件不但和位移有一定的關(guān)系，同時也要與兩接觸點(diǎn)之間速度和加速度保持協(xié)調(diào)關(guān)系。所以從某一方面而言，動力顯式算法相對于靜力隱式解法與沖壓過程的本質(zhì)更為靠近。

2.2幾何模型的描述

通常情況下沖壓零件都是以拉深、擴(kuò)孔、切邊、脹形、整形和翻邊等工序組成整個生產(chǎn)過程，沖壓成型仿真可將任意一道零件沖壓生產(chǎn)的工序進(jìn)行仿真。在仿真時需要對其工藝過程回溯，將產(chǎn)品設(shè)計信息變成有關(guān)中間過程的信息。因此在進(jìn)行板料成形有限元仿真時，模具幾何形狀的準(zhǔn)確有效描述是重要的基礎(chǔ)。在板料成形有限元計算中，對模具型腔曲面的幾何形狀進(jìn)行描述多以有限元網(wǎng)格進(jìn)行。而近年來大型三維CAD軟件得到了很大的進(jìn)步，用參數(shù)曲面的方法對CATIA，Unigraphics軟件系統(tǒng)完成幾何模型的建立進(jìn)行描述，借助IGES文件格式傳至CAE軟件從而將網(wǎng)格描述模型生成。因此，影響仿真計算結(jié)果的因素中，板料有限元網(wǎng)格模型的建立是極為重要的一種。

2.3接觸處理

在板材成形計算機(jī)仿真領(lǐng)域中，接觸問題是重難點(diǎn)。板料成形過程中通過板料表面接觸模具表面可以傳遞板料的作用力。模具表面是主表面，而板料表面是從表面。仿真計算是否能夠正常進(jìn)行，對主從表面接觸狀態(tài)的判斷以及位移約束條件與邊界摩擦條件的選擇有著決定性作用。

罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法在接觸算法中較為常用。通過拉格朗日乘子法可將約束接觸節(jié)點(diǎn)位移的條件引入剛度方程，從而精確的在總剛度方程中將幾何約束條件滿足。但是需要將乘子引入每個接觸節(jié)點(diǎn)中，故而拉格朗日乘子法會導(dǎo)致未知量加大。而罰函數(shù)法則是將兩接觸體接觸過程中約束材料不能互相覆蓋的條件當(dāng)為懲罰項(xiàng)引入方程，接觸壓力假定正比于主動體侵入從動體的量值。在這個假定下。采用罰函數(shù)法得到的方程不包括拉格朗日乘子。僅以位移作為基本未知數(shù)，因此罰函數(shù)法控制方程的階數(shù)和帶寬都小于拉格朗日乘子法。但是。罰函數(shù)法的精度強(qiáng)烈依賴于所用罰因子的精度，且罰因子數(shù)值較大時收斂性變差。

2.4邊界條件的設(shè)置

板料成形過程中與邊界條件的摩擦和接觸等有著必然的聯(lián)系，國際上目前已有大量研究小組、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)對板料成形中摩擦接觸問題開展了研究。沖壓過程實(shí)質(zhì)上是力學(xué)分析中復(fù)雜的多體接觸問題，在板料成形途中，模具不斷接觸并分離與板料，呈相互引導(dǎo)、約束從而將板料成形。而現(xiàn)階段中對接觸進(jìn)行計算的方法多為罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法等，不但對接觸力進(jìn)行了考慮，也不會將系統(tǒng)的自由度增加，在沖壓成形中對摩擦和潤滑的計算是極其重要的關(guān)鍵因素[3]，也可能會是對沖壓零件質(zhì)量造成影響的因素。由于該問題極為復(fù)雜以及重要的特性，促使大量研究人員投入到該問題的研究當(dāng)中，所涉及的研究范圍包含多體間摩擦潤滑模型中靜、動態(tài)摩擦系數(shù)的確定等。

而有限元仿真計算中還包括壓邊力的加載曲線、壓力機(jī)的運(yùn)動曲線和拉深筋的布置方式等。并且，沖壓成形具有饒度、變形極大的塑性變形性，涉及金屬板在拉深和彎曲的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性流動、塑性強(qiáng)化，以及引起的回彈、起皺和開裂等問題。

2.5材料模型

板料成形有限元分析過程中，是否正確的板材屈服準(zhǔn)則對于結(jié)果的分析有著極其重要的影響。大部分成形過程中，板料都有各向異性的體現(xiàn)，而1948年由Hill提出的二次各向異性屈服準(zhǔn)則在板金屬成形有限元分析中的應(yīng)用極為廣泛，Hill，Gotoh，Hershey，Bassani，Hosford和Logan以及Budianski也提出部分有關(guān)非二次屈服的準(zhǔn)則。但是，這些屈服準(zhǔn)則都有一定局限性存在。最近幾年，Hill和Barlat再次提出了更為簡單、使用的屈服準(zhǔn)則，促使板料成形有限元分析與實(shí)際沖壓結(jié)果的吻合度更高。

3結(jié)語

板材成形有限元仿真技術(shù)至20世紀(jì)90年代起開始了研究，現(xiàn)階段將其應(yīng)用到實(shí)際過程中。通過對材料成形特性、計算機(jī)仿真和沖壓過程摩擦等各類技術(shù)的研究，汽車制造過程中對毛胚形狀、材料性能和沖壓工況以及模具幾何形狀產(chǎn)生的影響進(jìn)行了更深層次的分析，而這些工藝技術(shù)也因此得到了很大的改進(jìn)，使汽車制造工藝與鋼鐵行業(yè)之間實(shí)現(xiàn)了最佳匹配。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬琳偉，莫健華.基于有限元仿真的金屬板材單點(diǎn)漸進(jìn)成形分析[J].塑性工程學(xué)報，2007，（06）：96-100+104.

[2]邱曉剛，盧國清，陳文龍，駱中云.板材成形有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用[J].鋼鐵釩鈦，2003，（01）：54-60.

[3]羅亞軍.板料成形中的有限元數(shù)值模擬技術(shù)[J].金屬成形工藝，2000，（06）：1-3.endprint