| 单词 | 板料成形模拟技术 |
| 释义 | 【板料成形模拟技术】 拼译：simulative lechnique of sheet metal forming prolesses 金属板料的成形是生产金属薄壳零件和日用品的主要方法。为了给成形工艺和模具设计提供依据，人们对板料成形生产过程进行了大量研究。研究工作大致可分为实验、理论解析和数值模拟，三者相互联系而又各有侧重的方面。 理论解析研究能揭示成形过程中某些现象的本质，建立经过适当简化的力学模型，求出某些简单成形问题的解析解。复杂零件的成形工艺和模具设计，主要依靠某些定性的理论分析和大量的经验数据，以及设计人员的经验和技巧。随着计算机和有限元法的发展，板料成形数值模拟研究，从20世纪70年代起，解决了不少原来理论和实验难以甚至无法解决的问题，近年来取得了很大进展，已能模拟板料三维成形过程，包括汽车车身零件的成形过程。数值模拟方法根据由实验和理论方法所得到的材料本构关系、摩擦定律以及有关的力学原理和简化假设，建立利用计算机求解成形过程的数学模型。这种数学模型在局部作了必要的析简化，而在整体上都可以逼近一个很复杂的成形过程。有限元法是板料成形数值模拟的主要方法。用有限元法进行板料成形模拟，一般通过如下步骤进行：(1)假想地把板料划分为若干“有限单元”，即进行离散化。(2)假设这些单元在其边界上的若干个离散节点处互相连接，这些节点的位移将是该问题的基本未知参数。(3)选择一组插值函数，以便由每个“有限单元”的节点位移唯一地确定该单元的位移状态。(4)由节点位移和位移函数唯一地确定一个单元中的应变状态。这些应变连同任一初应变以及单元材料的本构性质，将确定单元的应力状态。(5)根据运动方程或能量原理，得到刚度方程。(6)根据边界节点必须满足的位移条件和接触条件，修改刚度方程。完成上述各步后，下面的求解过程就能按照标准的离散化系统模式进行。由于板料成形问题的非线性，要将整个过程分成若干增量步，逐步求解并累加。在每个增量步还要经过若干次迭代，以达到收敛。1967年，P．V．Marcal和I．P．King首先提出了弹塑性有限元法。1970年，H．D．Hibbit等提出建立在有限变形理论基础上的大变形有限元列式，采用Lagrange描述，根据虚功原理导出有限元的速率型刚度方程，以4个刚度项(即小变形、初载荷、初应变和初应力刚度项)来考虑大变形弹塑性的效应。70年代中期，R．M．McMeekig和J．R．Rice采用Euler描述法建立了大变形有限元列式。1978年，N．M．Wang和B．Budiansky采用流动坐标中的有限变形公式推导出针对板料成形问题的薄膜壳有限元模型。这一时期的研究，主要针对基本方法的建立和对轴对称成形问题进行模拟。80年代，板料成形模拟研究迅速发展。板料三维成形模拟研究已取得阶段性成果，并初步应用于实际。通过计算机模拟，能够给出工件成形过程中各瞬间的位移、应变和应力分布，预测工件的回弹、起皱和模具的受力情况，与成形极限理论结合可预测工件的破裂。这对于检验工艺和模具设计的合理性和改进设计提供了重要科学依据。目前，已能对比较复杂形状的汽车覆盖件成形过程进行模拟，并配备有较完善的三维图形系统进行显示，形成了一些可用的模拟软件。美国福特汽车公司的S．C．Tang在板料成形尤其是汽车覆盖件成形的有限元模拟方面做了长期的系统的工作。80年代初，Tang用有限元法分析了当汽车覆盖件成形中采用曲面压料面时，压边圈夹紧阶段工件的变形。1988～1989年，Tang等已开发出用于模拟汽车车身零件成形过程的弹塑性有限变形有限元分析程序。该程序用弹性－理想塑性弹簧来模拟压料筋的作用，能模拟从压边圈夹紧到成形过程结束的全过程。利用该程序，已完成了一些汽车车身零件成形过程的模拟。日本汽车制造行业联合开发了三维板料成形模拟软件“ROBUST”(1991)，该程序采用修正的Lagrange描述，显式增量型，弹塑性理论和非线性薄膜一壳体理论，初步用于汽车车身零件成形模拟，取得较好效果。法国国际工程系统开发了板料成形模拟工业软件“PAM-STAMP”(1992)，是一种三维有限元程序，采用Lagrange描述，显式解法，可求解动力问题和准静力问题，已应用于汽车车身零件成形模拟。一些商品化的有限元分析程序包也被用来分析板料成形过程。H．Doi(1990)采用NIKE程序和DYNA3D程序分析了板料成形问题。中国80年代开始板料成形模拟研究，现已开发了板料三维成形有限元模拟程序，初步用于成形过程的模拟。利用计算机的数值模拟方法的一个天然特点，是它与计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)的紧密联系。CAD系统的图形处理功能和数据库能给成形模拟以强有力的支持。例如在有限元前处理工作中，完成坯料和模具几何形状的描述，板料力学性能参数的查询，有限元网格的自动生成；在计算过程中，完成板料与模具相对位置的判断；在有限元后处理工作中，完成变形后工件曲面形状的描述和处理，工件中应变和应力分布的显示等。用CAD系统设计出来的统一的、高精度的数值模型取代物理模型，能以数据传递的方式将外形设计、工艺设计、结构设计直到模具制造过程联接起来，从而显著提高设计效率和质量，提高制模效率和质量。板料成形模拟研究正在从研究走向应用。成形模拟中还有如下一些问题需要进一步解决：(1)对实际生产中板料与模具接触区域的复杂析高度非线性的边界条件，建立更符合实际又便于在模拟分析中应用的力学模型，将能直接提高模拟结果的准确性。(2)在材料方面，建立有效的本构方程；在物理分析方面，研究破裂机理和失稳准则。(3)在计算方法方面，研究收敛性问题，提高模拟过程的稳定性；研究更好的计算方法，以提高计算效率，缩短计算时间。(4)在交互图形方面，建立高效的自动网格重新划分和前后置处理系统和接口。(5)在系统方面，开发成形模拟系统与CAD／CAM系统的接口实现CAI)／CAE／CAM一体化。(6)在计算机应用方面，研究在微机上实现成形过程模拟，扩大模拟技术的应用范围。板料成形模拟技术的能力已初步显示出来。由于它在成形工艺和模具辅助设计方面的巨大潜力，而且随着塑性理论、有限元理论、计算方法和计算机的发展，这种潜力愈来愈成为现实。它将不断地从研究走向应用，改变成形工艺和模具设计的传统经验设计方法，而成为一种有效的工艺分析方法应用于生产实际。(华中理工大学李尚健、莫中华、肖景容撰) |
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