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基于一步逆成形法的毛坯边界线精细算法

锻压技术 2020年第5期45卷 70-74,80页

作者：周佳恺鲍益东正德职业技术学院机电工程系江苏南京211106 南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

在板料冲压成形技术中,一步逆成形法可以快速获得较小零件毛坯的尺寸和边界线。为了加快设计周期、提高计算效率,针对大体积的模型提出了毛坯边界线精细算法。本算法基于一步逆成形法的有限元解获得的零件初始构形,进一步给出了一种基... 详细信息

在板料冲压成形技术中,一步逆成形法可以快速获得较小零件毛坯的尺寸和边界线。为了加快设计周期、提高计算效率,针对大体积的模型提出了毛坯边界线精细算法。本算法基于一步逆成形法的有限元解获得的零件初始构形,进一步给出了一种基于粗网格的零件毛坯边界线的精细算法。该算法经过投影、映射和插值3个过程,可以获得与零件曲面特征线相对应的边界线。算例表明,全部边界线具有较高的精度,有利于判断毛坯内部形状的合理性,提高最终零件的成形精度。该算法在保证一步逆成形法具有高效性的基础上,显著提高了计算精度,针对大体积模型的毛坯反算具有较高的应用价值。

关键词：一步逆成形毛坯边界线板料冲压计算精度毛坯反算

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管材弯曲的一步逆成形有限元法研究

管材弯曲的一步逆成形有限元法研究

作者：钱文清南京航空航天大学

学位级别：硕士

金属弯管件具有高强度、轻量化的特点,在航空航天、汽车、轨道交通等领域应用广泛。随着制造业的高速发展,人们对弯管的性能提出了更高的要求。有限元数值模拟方法可准确预示管材弯曲成形性能,辅助成形工艺的改进,节约时间成本和经济成... 详细信息

金属弯管件具有高强度、轻量化的特点,在航空航天、汽车、轨道交通等领域应用广泛。随着制造业的高速发展,人们对弯管的性能提出了更高的要求。有限元数值模拟方法可准确预示管材弯曲成形性能,辅助成形工艺的改进,节约时间成本和经济成本。但增量有限元法需完备的模具信息,且操作复杂、求解时间较长,在管路系统设计初期适用性较差。本文提出一种基于全量理论的管材弯曲一步逆成形有限元法。该方法以直管坯为初始构形,已知的弯管件为最终构形,将成形过程视为比例加载,根据虚功原理建立起全量理论的有限元平衡方程,并在一个大步长内进行迭代求解,预示出弯管件的厚度及应变分布。考虑到成形过程中的弯曲效应,采用DKT12壳单元划分网格,推导了单元刚度矩阵及节点内力。基于一步逆成形法求得的节点位移,利用隐式算法模拟了弯管回弹。重点研究了管材弯曲一步逆成形的初始解预示技术:首先通过自主开发的针对弯管件的规则化网格生成算法,根据弯管件的关键几何信息自动建立网格模型;然后引入保形参数化方法求解初始管坯的节点位置;最后采用基于线弹性反向变形的网格光顺算法调整节点位置,得到高精度初始解。根据以上理论自主开发出管材弯曲一步逆成形程序,对空间弯管和螺旋管进行了一步逆成形模拟,并与LS-DYNA、ABAQUS/Explicit的仿真结果及试验值对比,验证了该程序的高精度和高效性,同时说明了管材弯曲一步逆成形法具有工程应用价值。

关键词：管材弯曲成形有限元法一步逆成形全量理论初始解

高强钢板22MnB5热成形的一步逆成形有限元方法

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机械设计与制造 2017年第9期 13-15页

作者：李晓达张向奎胡平刘伟杰大连理工大学汽车工程学院辽宁大连116024 吉林大学珠海学院广东珠海519041

在高强钢板热冲压产品及模具设计的早期,缺少一个仅仅根据产品的形状以及少量的模具信息就能快速评估出热冲压件可成形性的工具,能对后续的产品及模具设计起到指导作用。针对以上问题,提出并实现了高强钢板22MnB5热成形的一步逆成形有... 详细信息

在高强钢板热冲压产品及模具设计的早期,缺少一个仅仅根据产品的形状以及少量的模具信息就能快速评估出热冲压件可成形性的工具,能对后续的产品及模具设计起到指导作用。针对以上问题,提出并实现了高强钢板22MnB5热成形的一步逆成形有限元方法,用来快速评价高强钢板22MnB5在高温奥氏体状态下的可成形性。并以某汽车B柱的加强板为例进行计算,将其模拟结果与热冲压实验结果进行对比。结果表明:模拟结果与实验值基本一致,证实了高强钢板22MnB5热成形的一步逆成形有限元方法的有效性。

关键词：一步逆成形热成形高强钢板 22MnB5 热冲压奥氏体

基于等几何分析的金属板材一步逆成形初始场预示算法研究

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基于等几何分析的金属板材一步逆成形初始场预示算法研究

作者：欧兵兵大连理工大学

学位级别：硕士

在零件设计早期阶段,冲压毛坯尺寸形状的确定是一项极其关键的技术。在早期生产中,工程师通常根据个人经验采用试错的方法获得毛坯尺寸,但是对于结构复杂的零部件,其对工程师的要求极高,往往得不到满意的毛坯尺寸。随着计算机技术及有... 详细信息

在零件设计早期阶段,冲压毛坯尺寸形状的确定是一项极其关键的技术。在早期生产中,工程师通常根据个人经验采用试错的方法获得毛坯尺寸,但是对于结构复杂的零部件,其对工程师的要求极高,往往得不到满意的毛坯尺寸。随着计算机技术及有限元的快。速发展,有限元数值模拟分析为冲压毛坯尺寸的确定提供了有效的解决方法。冲压毛坯尺寸的设计在产品设计早期通常使用一步逆成形方法对毛坯尺寸进行预测。等几何分析方法是近年来发展起来的一种新型数值模拟方法,其具有几何精确描述、无网格划分、高阶连续协调单元、精度高等优点,被应用到各个领域。近年来,有学者对等几何分析与增量法相结合的模拟冲压过程进行了相关研究,并取得了一些进展。但增量法在分析中需要考虑冲压各种影响因素,致使分析复杂且无法运用于产品早期设计阶段的毛坯预示和可成形性评估。将等几何分析与基于形变理论的全量法一步逆成形方法相结合能避免上述问题的出现。然而对于一步逆成形而言,初始解的选取是个关键技术,其选取的好坏直接影响到求解过程中的计算效率、收敛性及稳定性,因此基于等几何分析一步逆成形初始解的预示成为分析中极为核心的问题,针对初始解的求解本文进行了如下研究工作:1.基于等几何分析所使用的CAD数据,使用数据中的控制点生成的相应单元,以此单元为基础建立了适用于一步逆成形等几何分析的单元局部坐标系,该坐标系解决了等几何分析单元控制点多且不在同一平面进而无法直接基于控制点精确描述一步逆成形单元变形的问题,为后续工作提供准确有效的数据来源。2.对适用于等几何分析的膜单元进行了推导,结合等几何分析与一步逆成形方法,给出了基于等几何分析一步逆成形初始解算法。3.经数值算例分析可知,相较于以有限元网格单元作为分析单元的方法,该方法具有效率较高,能够实现与产品早期设计阶段的CAD造型工作无缝集成,能有效解决冲压成形零件的一步逆成形分析中初始解预示问题,为基于等几何分析的一步逆成形算法的研究打下坚实的基础。

关键词：等几何分析一步逆成形初始解 NURBS

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板料冲压成形的等几何一步逆算法研究

板料冲压成形的等几何一步逆算法研究

作者：贾倩倩吉林大学

学位级别：硕士

车身覆盖件众多,且多为冲压件,形状复杂,装配精度要求高,因此对于车身部件的模具设计制造要求也相应提高。板料冲压成形模拟在设计开发初期就可以获得冲压件的可成形性分析及初始构形的形状,提高模具设计的效率,缩短车身的生产周期。本... 详细信息

车身覆盖件众多,且多为冲压件,形状复杂,装配精度要求高,因此对于车身部件的模具设计制造要求也相应提高。板料冲压成形模拟在设计开发初期就可以获得冲压件的可成形性分析及初始构形的形状,提高模具设计的效率,缩短车身的生产周期。本文对板料冲压成形的等几何一步逆方法进行了研究,并将Kirchhoff-Love壳曲面单元应用到等几何一步逆模拟仿真中,考虑了成形过程中的弯曲效应。本文的主要研究内容包括:（1）采用等几何分析方法表示几何模型和分析模型。文中通过等几何方法将几何模型表示成两个方向的基函数和控制点的张量积,该几何模型同样作为分析模型进行后续的一步逆成形模拟,无需划分网格模型,消除了CAD和CAE之间的数据交互。（2）研究了等几何一步逆成形的初始解预示算法。将计算共形几何中的离散曲面Ricci流算法引入一步逆成形的初始解算法中,对比研究了能量映射方法和离散曲面Ricci流算法两种展开方法,由于后者的适用性强及控制点网格展开模型可使后续的弹性迭代收敛更快,本文采取离散曲面Ricci流算法作为展开算法。展开的控制点网格通过弹性迭代得到初始解,该迭代是将控制点网格的变形视为弹性变形进行内力平衡求解,得到一个较好的初始解。算例在两种不同展开算法的展开模型下经弹性迭代获得的初始解几乎完全重合,验证了该初始解预示算法的稳定性和有效性。（3）构造基于Kirchhoff-Love壳的等几何一步逆成形算法。根据Kirchhoff-Love壳单元的应变张量和几何变形关系,推导出曲面单元的主伸长和主应变。然后通过单元的应变分量表达式并考虑冲压过程中的厚度变化,推导出单元的虚功方程、刚度矩阵表达式以及内力表达式。将冲压过程中的冲头作用力和压边圈作用力作为外力等效到控制点上,其中冲头作用力借助格雷维尔坐标求解控制点的法向量等效到控制点上,最后得到的非线性方程组通过Newton-Raphson迭代算法求解,获得初始构形的形状和最终构形的厚度分布。算例得到的轮廓及厚度分布验证了该算法在考虑冲头作用力和压边力情况下的有效性。

关键词：一步逆成形等几何分析 Kirchhoff-Love壳离散曲面Ricci流算法 Newton-Raphson迭代

汽车覆盖件一步逆成形等几何分析初始解预示算法研究

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汽车覆盖件一步逆成形等几何分析初始解预示算法研究

作者：杭志洲大连理工大学

学位级别：硕士

汽车覆盖件的制造方式通常采用金属板材冲压成形。对于大部分复杂汽车覆盖件的冲压成形,冲压毛坯的尺寸很大程度上影响着零件的最终成本和质量。因此,冲压毛坯的尺寸预测是汽车设计和制造生产中的关键环节。在早期的生产活动中,技术人... 详细信息

汽车覆盖件的制造方式通常采用金属板材冲压成形。对于大部分复杂汽车覆盖件的冲压成形,冲压毛坯的尺寸很大程度上影响着零件的最终成本和质量。因此,冲压毛坯的尺寸预测是汽车设计和制造生产中的关键环节。在早期的生产活动中,技术人员通常依赖个人经验和试错方法来确定冲压毛坯的尺寸,但这些经验判断往往并不准确,对于一些具有复杂空间构型的零件,也得不到很好的结果。随着有限元和计算机技术的不断发展,金属板材冲压成形理论研究的不断深入,有限元数值模拟分析方法为冲压毛坯尺寸的预测提供了解决方法。冲压毛坯尺寸的设计属于产品开发的早期,需要进行快速迭代,因此在工业冲压生产中,一般采用一步逆成形有限元方法来进行冲压毛坯尺寸的预示。现阶段,一些学者在冲压领域将等几何分析与增量法相结合,取得了很好的结果。但增量法需考虑冲压过程中的各方面因素,分析过程复杂且耗时严重,并不适用于产品开发的早期。将等几何分析与基于全量法的一步逆成形有限元方法相结合可以很好的解决上述问题。在一步逆成形有限元方法中,初始解的获取对于求解器的计算效率、稳定性和收敛性都有着至关重要的影响,因此一步逆成形等几何分析初始解预示就成为解决相关问题首先需要克服的关键问题之一。针对该问题,本文开展了如下研究工作:1.基于NURBS理论和等几何分析思想,给出了等几何分析膜单元、板单元和薄壳单元列式,并完成数值算例。算例表明,与传统的有限元单元相比,等几何分析单元具有更高的精度与效率。2.给出了拟协调三角形常应变膜单元、拟协调RF(Rotation-Free)三角形板单元、拟协调四边形膜单元的推导过程,并在基于分区的“切割-缝合”初始解预示算法基础上考虑拟协调单元,从冲压件最终构型的NURBS控制点网格出发,提出了基于拟协调单元的一步逆成形等几何分析初始解预示算法。3.相关算例表明,相较于以有限元网格为出发点的方法,该方法具高效性及通用性,能有效解决复杂冲压成形零件的一步逆成形分析中初始解预示问题,为基于等几何分析的一步逆成形算法的研究打下坚实的基础。

关键词：一步逆成形等几何分析初始解 NURBS 拟协调

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剪裁CAD冲压件的一步逆等几何分析方法

计算机辅助工程 2022年第2期31卷 69-74页

作者：张志功刘依娜张向奎王长生大连理工大学汽车工程学院辽宁大连116024

提出一种可以直接分析剪裁CAD冲压件的一步逆等几何分析方法,在求解剪裁交点的基础上,对剪裁单元分类和重构,采用一步逆初始解算法对NURBS模型的控制网格进行展开,得到剪裁后NURBS模型的初始解。根据初始解得到的初始构型和原本的最终... 详细信息

提出一种可以直接分析剪裁CAD冲压件的一步逆等几何分析方法,在求解剪裁交点的基础上,对剪裁单元分类和重构,采用一步逆初始解算法对NURBS模型的控制网格进行展开,得到剪裁后NURBS模型的初始解。根据初始解得到的初始构型和原本的最终构型构建非线性平衡方程,采用Newton-Raphson迭代算法得到最终构型的厚度、等效应力、应变等物理量的分布。典型算例验证基于剪裁NURBS曲面的一步逆等几何分析方法的正确性和准确性。

关键词：剪裁一步逆成形等几何分析 NURBS 重构最小二乘法 Newton-Raphson迭代点反演法

复杂剪裁CAD模型的一步逆等几何冲压成形初始解算法研究

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复杂剪裁CAD模型的一步逆等几何冲压成形初始解算法研究

作者：张玺大连理工大学

学位级别：硕士

汽车覆盖件是一种特殊且重要的冲压零件,随着有限元基础理论方法的不断成熟,金属板材数值模拟技术被广泛应用在汽车覆盖件冲压成形分析中,为汽车行业的高速发展提供了有力的技术保障,为企业带来了巨大的经济效益。板材冲压成形的一步逆... 详细信息

汽车覆盖件是一种特殊且重要的冲压零件,随着有限元基础理论方法的不断成熟,金属板材数值模拟技术被广泛应用在汽车覆盖件冲压成形分析中,为汽车行业的高速发展提供了有力的技术保障,为企业带来了巨大的经济效益。板材冲压成形的一步逆方法因其输入简单、计算效率高而广泛应用于冲压件的初期设计阶段,目前一步逆等几何分析方法已经成功的应用在几何形状简单的板料成形中,然而实际工业生产中的冲压件通常包含大量裁剪NURBS曲面。板料成形是一个集几何、材料和接触等多重非线性问题,通常采用Newton-Raphson迭代法求解。获得一个良好的初始解,对于非线性方程的求解至关重要,初始解的质量直接影响塑性迭代的计算,本文采用基于能量理论的初始解预示算法,求解复杂剪裁模型的一步逆等几何初始解。本文的主要研究内容如下:本文采用剪裁曲面分析方法处理被剪裁的NURBS曲面,对剪裁曲面的数据结构处理、剪裁曲面的数值积分等关键问题进行了详细研究,利用剪裁前完整曲面的数据信息求得交点坐标,将剪裁单元分解成若干三角形积分域,从而计算剪裁单元的刚度矩阵。对于非协调耦合问题的常用处理方法有罚函数法、拉格朗日乘子法和Nitsche方法,本文使用Nitsche方法处理非协调曲面的耦合,根据平衡方程推导Nitsche方法中耦合矩阵的求解公式,并将Nitsche方法与剪裁曲面分析方法相结合,介绍了沿着剪裁曲线积分时积分区间的选取原则,并将其应用在基于能量法的初始解预示算法中,通过方盒、S梁和B柱上接头三个数值算例,求解复杂剪裁模型的初始解轮廓,并将结果与对应单片模型的初始解或通过有限元分析方法得到的初始解进行对比,证明了该方法在处理复杂剪裁模型板料成形分析时的有效性。

关键词：等几何分析一步逆成形 Nitsche方法 TSA方法初始解

剪裁CAD模型的一步逆等几何冲压分析方法研究

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剪裁CAD模型的一步逆等几何冲压分析方法研究

作者：刘依娜大连理工大学

学位级别：硕士

基于塑性形变理论的一步逆成形方法是冲压成形领域中进行数值模拟的一种常见方法。使用经典的一步逆有限元方法对冲压件进行冲压预测时,需要对模型进行网格划分,无法实现CAD与CAE的有效融合,而等几何分析方法可以解决这一问题。工业CAD... 详细信息

基于塑性形变理论的一步逆成形方法是冲压成形领域中进行数值模拟的一种常见方法。使用经典的一步逆有限元方法对冲压件进行冲压预测时,需要对模型进行网格划分,无法实现CAD与CAE的有效融合,而等几何分析方法可以解决这一问题。工业CAD软件中用边界表示法和构造实体几何描述CAD模型,两种方法都需要进行布尔和运算,这会形成大量的剪裁曲面。本文主要研究剪裁CAD模型的一步逆等几何分析方法,主要内容包括:剪裁CAD模型的几何处理,包括:利用反演函数将细化后的剪裁曲线的节点向量反演到NURBS曲面的参数空间中,再利用Newton-Raphson迭代算法计算剪裁交点;通过单元索引确定剪裁单元;根据剪裁单元形状对剪裁单元进行分类;利用Bézier曲面片对剪裁单元进行重构等。基于局部方法计算剪裁模型的刚度矩阵和内力向量,构建非线性方程组,利用Newton-Raphson迭代算法求解最终构建的非线性平衡方程,得到最终构型的等效应力、等效应变、厚度等物理量的分布。利用一步逆等几何分析方法的程序对不同的剪裁NURBS曲面模型进行冲压仿真计算,将计算结果和经典的基于网格的一步逆有限元方法的计算结果进行对比,最终数值结果验证了本文所研究的方法在处理剪裁NURBS曲面模型冲压成形仿真方面具有很好的收敛性和准确性。

关键词：一步逆成形剪裁等几何分析 NURBS