有限元非线性回弹的分析方法.docx

基于ansys金属板料冲压成型回弹的分析方法
关键字：板料冲压成型|回弹
　　摘要：金属板料冲压成型由于板料冲压成型过程十分复杂，使得对其成型控制非常困难，随着有限元模拟技术的迅速发展，利用有限元软件模拟金属板料冲压成型过程及分析其回弹量已成为可能，本文介绍了利用有限元软件Ansys对金属板料冲压成型过程进行模拟和回弹分析的方法。
　　金属板料冲压成型是利用金属塑性变形的特点，通过对金属板料施加压力，使其产生塑性变形从而获得所需要的形状[1]。由于板料冲压成型过程包含大位移、大变形等十分复杂的物理现象，使得对其成型控制非常困难，以前更多的是通过反复试验的方法制造出合乎要求的产品，其过程需要花费大量的时间和经费[2]。随着有限元模拟技术的迅速发展，利用有限元软件模拟金属板料冲压成型过程及分析其回弹量已成为可能，本文介绍了利用有限元软件Ansys对金属板料冲压成型过程进行模拟和回弹分析的方法。
　　1 Ansys软件分析回弹问题的流程

图1 Ansys软件分析回弹问题的流程图
　　有限元软件Ansys分析回弹问题的流程如图1所示[3]，是利用显示——隐式顺序求解技术来分析回弹问题，为了要得到最终的结果，需要先进行显式计算，然后将显式计算的最终结果输入到隐式模型中进行隐式计算。
　　2 有限元分析
　　2.1有限元模型
　　建立有限元模型是模拟板材成形工艺过程的基础，具体的有限元模型要根据工件、模具的实际结构形状来建立，要能够反映出实际加工过程中被成形板材、模具之间的相对位置，以及它们之间的相对运动关系。本文主要讨论的是实现冲压成型回弹分析的模拟方法，故采用比较简单的模型来说明这个问题，模型如图2所示，凸模和凹模表面为非均匀的样条曲线，板料为规则的长方形薄扳。由于是板材，建模时只需建为平面，厚度在定义单元时再输入。
　　2.2单元和材料及网格剖分
表1 材料性能参数表
密度
弹性模量(GPa)
泊松比
屈服极限（MPa）
强度极限（MPa）
钢板
7865
188.78
0.324
352
598
凸模、凹模
7800
200
0.3

　　在实际成型加工时，相对于板材的变形，模具的变形可以不作考虑，除非研究问题是计算模具的应力、应变，在这种条件下，输入材料参数时可以把凸模、凹模定义为刚体，这样处理可以减小很多的计算量，并且计算精度不会差多少，但材料的弹性模量、泊松比仍需按真实值定义，不能够认为是刚体就需要定义为很大的值，否则会在计算时出现不收敛的情况，材料的力学参数如表1所示，采用Plastic -Kinematic材料模型。
　　凸模、凹模使用LS_DYNA中的soild164三维实体单元，被加工板材使用shell163壳单元，板料厚度为1mm。每种单元都有很多种算法可以选择，选择适合的算法可以提高计算的速度和精度。在定义沿板厚度方向积分点参数时，如果仅仅是作冲压成型分析，建议设定为3个积分点;如果要做回弹分析，建议选择设定为7个积分点，这样分析的结果更精确，但计算时间也会增加。网格划分采用软件自适应网格划分，模型网格划分如图3所示。
　　2.3 定义接触面
　　凸模和凹模与板材的接触都采用面—面接触方式，并选择自动接触类型，摩擦系数取0.1。需注意，板材必须定义为从面。
　　2.4 施加载荷
　　有限元数值模拟时要尽量反映成型过程中的真实工艺情况，有了真实有效的工艺参数才能保证数值模拟结果的正确，按照实际加工时的参数来设定凸模的速度，求解时间为0.1秒，结果输出文件.RST，输出步数为100。
　　2.5 成型计算结果

图4 显式计算结果
　　实现显式求解计算有两种方式[4]，一种可以直接在Ansys软件中调用Ls_Dyna显式求解器计算，优点是比较快捷方便，缺点是对前面所有步骤的设置不能重新编辑、修改。另一种方式是在DOS状态下，通过DOS命令来调用Ls_dyna求解器来计算。但这种方式必须使用Ls_Dyna特定的文件格式——关键字文件，关键字文件可以通过Ansys软件导出，关键字文件的修改和编辑可以通过操作系统中的写字板功能来完成。板料冲压成型显式计算的结果如图4所示，分别给出了板料的变形图、变形云图、板料的Von-Mises应力云图和板料上节点node2的位移随时间变化的曲线。通过这些图可以显示出在冲压成型的过程中，板料上应力、应变及位移的变化量。node2位移曲线显示了板料的运动已经逐渐变小，足以进行隐式回弹分析。如果在求解结束时有一个大的振荡运动, 应该使用一定形式的阻尼重新进行显式分析，否则后面的隐式分析会出现计算不收敛而得不到结果的现象，其原因可能是载荷的不真实或是其它的原因导致无限大的加速度。
　　利用Ls-dyna求解器计算的结果文件有两种，一种是以.rst和.his为结尾的Ansys的数据文件;另一种是d3plot和d3thdt的Ls_dyna的结果文件。可以通过Ansys软件的通用后处理器、时间历程处理器和Ls-Dyna模块自带的Ls-post后处理器来分别查看结果。
　　3 回弹计算
　　调用Ansys软件隐式求解器进行回弹计算的步骤为：
　　(1)更改文件名，以免后面计算的结果文件将前面显式求解的结果文件覆盖。
　　(2)将显式单元类型转换为具有适当属性的隐式单元类型。在Ansys中，有相应的显式和隐式单元类型，在回弹计算时，所有的单元必须转化为相应的隐式单元类型，前面的单元类型Shell163、Solid164转化为Shell183、Solld185单元类型。
　　(3)利用Ansys软件隐式求解器进行回弹分析时，只能激活线弹性材料特性，因此在显式分析部分板材使用的塑性材料特性必须被删除。
　　(4)关闭单元的形状检查，因为成型过程中板材单元可能承受极大的变形，为了得到结
　　果必须关闭单元的形状检查。
　　(5)在前面显式分析时，使用到了刚性单元，在隐式计算时不需要，故需删除。
　　(6)重新定义边界条件，由于显式分析和隐式分析对板材约束条件不同，所以板材的边
　　界条件需要重新定义。
　　(7)将软件中几何非线性开关打开，因为在隐式求解的开始，板材一般都有较大的几何变形。
　　完成以上的步骤后，进行隐式回弹求解。在隐式回弹求解中，其分析的起点是显式求解的最后变形形状。

图5板料回弹后应变云图
　　4 回弹计算结果分析
　　板材回弹计算后的应变等值线云图如图5所示，图6是板料的节点分布示意图,为了比较板料回弹量在总变形中所占的比值，选取图6中沿板料长度方向直线上的33、41、49、57、65节点为研究对象，分别将各节点在显式求解后变形量、隐式求解后的变形量及两者的比值在表2中列出，可以比较出，这些节点在显式求解后和隐式求解后的节点位移值及回弹应变相对于总应变的比值如表所示：

图6板料节点分布示意图
表2 各节点变形量及弹性变形与总变形量比值
节点编号
33
41
49
57
65
0.01585
0.0265
0.0296
0.0281
0.0119
0.00558
0.00403
0.00318
0.00358
0.00539
/
35.2%
15.2%
10.7%
12.7%
45.3%
　　在选择的节点中，Node65最大的弹性变形占总变形的比值为45.3%，其它所选节点变形比值也在10%以上，可见回弹的存在会严重影响板料的最终形状，因此在模具设计阶段，应充分加以考虑。
　　5 小结
　　本文以一个简单的模型为例，介绍了利用有限元软件Ansys模拟金属板料成型过程以及回弹分析的方法，该方法不仅可以预测成型缺陷，而且可以对一些工艺参数进行比较和优化。但在实际加工过程中，各种产品模型形状复杂度和成型工艺参数都不相同，利用Ansys软件提供的参数化设计语言(APDL)和用户界面设计语言语言(UIDL )进行二次开发，开发出相应的模拟模块，可以很大的提高分析效率，是今后的发展趋势。
　　参考文献
　　[1]王孝培.冲压设计资料.重庆大学出版社.1983年.
　　[2]钟志华.薄板冲压成形过程的计算机仿真与应用.北京理工大学出版社.1998年.
　　[3]任重.ANSYS实用分析教程.北京大学出版社.2003年6月.
　　[4]北京理工大学ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法北京理工大学.1999年3月.

LS-DYNA使用指南第十四章

发表时间：2007-7-30    作者: 安世亚太  来源: e-works
关键字: 显式有限元 LS-DYNA ANSYS 

第十四章 显式－隐式顺序求解
某些工程处理的模拟需要既有隐式分析（ANSYS）功能，又有显式分析（ANSYS/LS-DANA）功能。要求解这类问题，需要采用这二种解法，即一个显式求解后再进行隐式求解，或者相反。ANSYS/LS-DYNA是一个显式动力程序，用于求解实时动态问题。如果一个工程过程包括主要是静态或准静态的阶段（如在动态阶段之前预加载，或在金属成形阶段之后线性弹性回弹），则在这个阶段最好使用ANSYS隐式程序进行分析。综合ANSYS隐式求解器和ANSYS/LS-DYNA显式求解器的过程是一个特别有用的工具，可以用来模拟许多复杂的物理现象。本章将描述显式－隐式过程，而在第十五章将简述隐式－显式过程。
14.1 显式－隐式顺序求解
在薄板金属成形工序中，回弹变形为一个基本参数，它使成型模具设计变得大大复杂化。最好将回弹变形定义为变形部分的尺寸变化，回弹变形在卸载时由弹性变形产生。在多数动态金属成型工序中，高度非线性变形过程导致在坯料材料中产生大量的弹性应变能。在与模具动态接触时坯料中开始存储的弹性能在成型压力消失之后释放，这个能量释放是弹性回弹的驱动力，使坯料向着原有几何构形变形。因此，在板金属成型过程中最后部分形状不仅仅取决于模具的轮廓形状，也取决坯料部分在塑性变形时存储在该部分的弹性能总量。因为在变形部分存储的弹性能总量是许多过程参数（如材料性质，两表面间的载荷）的函数，在成形时期预测回弹是特别复杂的。它给设计者和分析者提出重要问题，他们必须准确估计成型过程将会产生的回弹量以便得到最后所需的形状。此外执行一个显式－隐式连续求解会有很大好处。用显式求解模拟动态成形过程，然后用隐式求解模拟线性回弹变形，使得薄板成形工序达到严格的设计容差。
在显式－隐式连续求解中，必须首先运行ANSYS/LS-DANA程序来模拟金属成形过程。在显式金属成形分析中，薄板金属坯料的变形，必须由SHELL163/SOLID164单元构成。然后仅将这些单元的变形形态、应力和厚度传递给相应的隐式ANSYS单元（SHELL181和SOLID185）。只要对坯料给定边界条件，便能够执行工件的弹性回弹隐式模拟。
注 ――在隐式阶段只考虑弹性特性。这意味着分析从以前的状态（形状）进行纯弹性卸载。这一位移被认为是以前的形状在量上的变化。
详细描述显式-隐式求解过程如下；
1．采用Jobname1运行显式分析如前所述。为了继续在ANSYS隐式分析中分析回弹影响，必须采用SHELL163对工件作网格剖分。另外，对于SHELL163单元使用下列单元算法之一：KEYOPT（1）=1，2，6，7，8，9，10，11，12（推荐使用10和12）。然后求解并终止这一分析。
在开始ANSYS隐式分析之前，通常要小心地检查ANSYS/LS-DYNA显式分析结果。特别要检查显式运行结束时是否有任何不需要的动力影响留在结构内。
2．将显式分析存储到 Jobname.DB 文件内。
命令： SAVE
GUI：Utility Menu>File>Save as
注—如果不能在此时存储 Jobname.DB 文件，则以后将不能存储这个显式运行的数据库，只存储下面隐式运行所用的数据库文件。
３.将作业名改为 Jobname２ ,以防止覆盖显式结果文件。
命令： /FILNAME ，Jobname2
GUI：Utility Menu>File>Change Jobname
4.重新进入前处理
命令： /PREP7
GUI：Main Menu>Preprocessor
5.将显式单元转换到对应的隐式单元类型。（注意，2-D显式单元PLANE162，KEYOPT（3）=1的复合材料壳单元SHELL163不能在顺序求解中使用）对应的显式-隐式单元类型对是：
隐式单元类型
显式单元类型
LINK8
LINK160
BEAM4
BEAM161
SHELL181
SHELL163
SOLID185
SOLID164
COMBIN14
COMBI165
MASS21
MASS166
LINK10
LINK167
虽然所有的显式单元类型都被变换，但仅仅SHELL163单元和SOLID164单元的数据（SHELL163，单元应力和厚度；SOLID164，应力）传递给SHELL181单元和SOLID185单元。（通过RIMPORT；步骤12）
命令： ETCHG ，ETI
GUI：Main Menu>Preprocessor>Switch Elem Type
6.重新对显式单元类型转换来的任何一个隐式单元定义关键选项、实常数、材料性质、边界条件和载荷曲线。（对于SHELL163单元，它转换成SHELL181单元，不需要重新定义实常数，但需要重新定义其他值。对于SOLID164单元，它转换成SOLID185单元，需要设KEYOPT（2）=1来定义统一缩减积分选项。）显式单元的TYPE号、REAL号和MAT号保持不变，但实际的KEYOPT选项和实常数值被重置为零或缺省值。
命令： KEYOPT
R
MP
等等
GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type/Real constants/Material Properties/Loads
注 ：在ANSYS隐式阶段仅线弹性材料性质保持有效（正如 MP 命令给定的）。删除从ANSYS/LS-DYNA运行中的非弹性性质（正如 TB 命令给定的）。
7．关闭形状检查，因为在显式分析时单元可能承受相当大的变形。
命令： SHIPP ，OFF
GUI： Main Menu>Preprocessor>Checking Ctrls>Shape Checking
8.隐式单元重新定义为变形构形
命令： UPGEOM
GUI：Main Menu>Preprocessor>-Moleling-Update Geometry
9.不选择或删除任何不需要的单元（主要是在显式分析中构成任何刚性体的单元），或者将它们转换成空单元。任何未被选择、删除、转换成空单元或没有被转换成在ANSYS中保持作用的隐式单元的显式单元都将产生错误并终止分析。如果在显式分析中刚性体由SHELL163单元或SOLID164构成，这些单元在用 RIMPORT 命令（见第十二步）输入应力和厚度（从SHELL163输入到SHELL181）之前必须从选择系列中排除、删除或转换成空单元，否则隐式分析将被终止。
命令： ESEL
EDELE
GUI：Utility Menu>Select>Entities或Main Menu>Preprocessor>Delete>Elements
10.重新进入求解处理器
命令： /SOLU
GUI：Main Menu>Solution
11.通过修改或增加在显式分析中定义的边界条件在模型上设置必要的约束（例如，在金属变形分析中，需要约束板料）。
命令： D ，等等
GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>On Nodes
12.导入应力和改变壳的厚度(仅从SHELL163单元转换到SHELL181单元和从SOLID164到SOLID185)。对于SOLID164，仅传递应力，对于SHELL163，传递应力和厚度。在转换到隐式分析之前，将变形的积分点厚度求平均数。这个厚度值覆盖采用实常数定义的值。
命令： RIMPORT
GUI：Main Menu>solution>-Loads-Apply>-Structural-Other>Import Stress
13.打开大变形效应
命令： NLGEOM ，ON
GUI：Main Menu>Solution>Sol’n Controls
14.求解并结束分析
命令： SOLVE
FINISH
GUI：Main Menu>Solution>-Solve-Current LS Main Menu>Finish
一旦求解完，可以用标准的ANSYS后处理功能观察结果。
以下是一个实例，执行显式-隐式连续求解输入流。
/batch,list
resum,stamp1,db !恢复显示数据库（早先运行显式作业）
/filename,stamp2 !修改作业名，使显式求解结果不被覆盖
/prep7
etchg,eti !将显式单元转移成隐式单元
r,1,.01,.01,.01,.01 !变换实常数（用RIMPORT得变形的壁厚）
ddel,all !删除显式分析中的约束载荷
tbdelete,all,all !删除材料模型（保留线性材料性质）
upgeom,,,,stamp1,rst !重新为变形构形定义隐式单元
d,n1,ux,0.0,,,,uy,uz !对模型设置必要的约束(至少3个非线性节点)
d,n2,ux,0.0,,,,uy
d,n3,ux,0
esel,s,ename,181 !仅选择相应的SHELL181单元（非早先的刚性体）
nsle,s,1 !仅选择SHELL181单元节点
shpp,off !关闭形状检查
finish
/solution
nelgeom,on !接通几何非线性
rimport,dyna,,,,,stamp1,rst !输入显示分析求得的应力和壁厚
save
solve
finish
分页
14.2 回弹分析疑难解答
回弹有时候在数值上很难解决,引起收敛困难的典型原因和相应解决措施如下：
·在显式运行(LS-DYNA)中,较高的凸模速度会引起动态影响,所以在显式运行中采用较低的凸模速度，在显式分析中可以重新定义速度来实现它（ EDLOAD 命令）
·结构的柔度；部件尺寸和其厚度之比较大。更精确的网格可减小柔度的影响。
·模型含有局部不稳定情况:太薄的部件容易沿边缘或较尖的曲线起皱。用精确的网格来准确模拟变形部分的曲线。
·模型约束不当。
在回弹分析中修改边界条件。在回弹阶段如何施加和在哪里施加边界条件都需要一些工程判断。当去除工具时，除了防止刚体运动的约束外，部件应可以自由移动。在有限元模型中仔细模拟这些是非常重要的。一般建议的方法是在三个不共线节点处施加位移约束，一个节点要在所有方向限制运动，另一个节点限制两个方向的运动，最后一个节点仅限制一个方向的运动。但必须认真选择这些节点，以便不妨碍预期的回弹行为。一般认为回弹分析中位移的幅值和方向要按三个节点形成平面的相对值来观察。
如果检查了上述所有条件但分析仍不收敛，可以尝试下列方法（按所列顺序）
·用较多的子步数目试图增加回弹。
·执行 NLGEOM ，OFF，使用线性回弹分析（如果允许这样近似的话）。
·激活回弹固定（如下所述）
14.2.1 回弹稳定性
如果仍然不收敛,可以用 RIMPORT 命令的SPCALE和MSCALE激活回弹稳定性。稳定性方法与所有未约束自由度施加人工弹簧相类似。这些弹簧的刚度与单元刚度成正比。
在每个子步中，ANSYS 在每个载荷步的开始给人工弹簧较大的缺省刚度来模拟模型运动的全部约束。人工刚度与迭代的进程成降幂比例。（下图说明了人工弹簧刚度随迭代循环的变化。）当达到平衡收敛公差并且人工弹簧刚度到达一个很小值时，才认为子步收敛。但是，在某些情况下，这可能减缓求解的收敛，但其模型比较可靠。
RIMPORT 命令的SPSCALE参数是一个比例因子，可以用它来缩放弹簧的缺省初始刚度。（必须输入SPSCALE来激活回弹稳定性。）也可以用 RIMPORT 命令的MSCALE参数来定义一个很小的刚度值。
当激活几何非线性选项时（ NLGEOM ，ON），使用回弹稳定性方法才有效。