ansys模拟起皱现象的主要步骤与分析说明.pdf
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1、1模拟起皱现象的主要步骤与分析说明 模拟试验采用三维薄壳单元 SHELL163 进行 ANSYS/LS-DYNA 程序的交互式求解过程:5.2.1 启动 ANSYS/LS-DYNA启动 ANSYS/LS-DYNA 之后,选择 ANSYS Mechanical,在 File Management标签,然后设置工作目录为刚建的目录,并输入工作名,即可以进入ANSYS/LS-DYNA,如图 52。本实验在出现的 ANSYS Launcher 的界面中之所以要选用显式动力分析程序LS-DYNA 来模拟一个板料冲压的成型过程,主要是因为该软件是以 Lagrange算法为主,兼有 ALE 和 Euler
2、算法;以显式求解为主,兼有隐式求解功能;以结构分析为主,兼有热分析、流体结构耦合功能;以非线性动力分析为主,兼有动力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成形后的起皱计算);几乎所有的成形过程,如冲压、锻造、铸造等都可用 LS-DYNA 模拟,它计算的可靠性已经被无数次实验所证明,因此,我们在实际的板料冲压过程中要使用该软件分析包。另外,在 ANSYS/LS-DYNA 程序显示动态分析中,选择 ANSYS Mechanical/LS-D-YNA 模块,该模块是应用于机械领域,主要研究板料成形过程中的应力、应变的变化,对拉深过程中的起皱、回弹以及拉裂现象都能很好的进行 ANSYS/LS-D
3、YNA 的显式隐式序列的求解。因此,我们用软件模拟冲压过程时要使用该软件模块。5.2.2 前处理建模设置 Preference 选项 选择 Structural 选择 LS-DYNA explicit这样,以后显示的菜单完全被过滤成 ANSYS/LS-DYNA 的输入选项。再定义一种显式单元类型,即可激活 LS-DYNA 求解。定义单元类型、实常数和材料模型定义单元类型。在该对话框的单元类型库 Library of Element Type 中分别选择 LS-DYNA Explicit、Thin Shell163 壳单元,如图 53。选择单元算法,在 SHELL163 壳单元选项对话框,选择
4、Belytschko-Wong 算法,即可完成单元的定义,如图 54。2在本实验中,板料模型都采用显式壳单元 SHELL163,且使用能忍弯曲能力Bely-tschkoWongChiang 算法。板料模型采用薄壳单元,主要是由于SHELL163 是一个 4 节点显式结构薄壳单元,有弯曲和模特征,可加平面和法向载荷。单元在每个节点上有 12 个自由度:在节点 X、Y 和 Z 方向的平动,加速度,速度和绕 X、Y 和 Z 轴的转动。该单元支持显式动力学分析所有非线性特性。而 BelytschkoWongChiang 这种单元算法是显式薄壳单元 SHELL163 所提供的 12 种算法之一。它在弯曲
5、情况下无效,在预防沙漏方面很有效。图 52 启动 ANSYS 界面定义实常数。在实常数号设置框中输入实常数号,分别在剪切因子、积分点数、壳后中输入 5/6、5、0.001,即可完成外壳的壳单元实常数的定义,如图55。在这里,每种单元的实常数可能有好几个实常数,也可能没有实常数。对于本实验,需要定义的实常数包括剪切因子、积分点和壳厚。在 SHELL163 单元中提供的如下实常数:剪切因数 SHRF,它的推荐值为 5/6,如果不指定则采用默认值 1;NIP 是通过单元厚度的积分点数值,最大值为 100。如果 NIP 输入值为 0 或空,ANSYS 会默认积分值为 2;在本实验中 NIP 取经验值
6、5;T1T4 是四个节点中每个节点处的壳厚度。本实验在 T1 节点处输入板料壳的厚度为0.001m。3图 53 定义单元类型定义材料模型。各材料模型的参数见表 51。材料模型 1:凸模采用刚体。Rigid Properties for Material Number 1 对话框入相应的材料参数以及限定运动的自由度,就可以完成材料模型 1 的设置,如图 56,57。在本实验里,对于凸模采用刚体,它限制了除 Y 方向平动外的所有自由度,因此只允许它在 Y 方向上运动。之所以要把凸模定义成刚体,主要因为刚体模型在显式动力学分析中有非常重要的意义,用刚性模型定义有限元模型中钢硬部分可以大大缩减显式分析
7、的计算时间,这是由于定义了刚体后,缸体内所有节点的自由度都耦合到钢性体的质量中心上去了,因此,不论定义了多少节点,刚性体仅有六个自由度。作用在钢体上的力合力矩由每个时间步的节点力和力矩合成,然后计算钢性体的运动,在转换到节点位移。在定义该模型时,需要定义的参数包括密度(DENS)、弹性模量(EX)(钢体不要用不切实际的杨氏弹性模量或密度,刚体不能再变硬因为它是完全钢硬的)和波松比(NUXY),以及所有的转动约束参数(相对于整体笛卡尔坐标系,它可以约束任何一个方向、两个方向或三个方向完全被约束)和除 Y 向以外的所有的平移约束参数(相当于整体笛卡尔坐标系,它可以约束除 Y 方向以外的其它两个方向
8、上的自由度)。4图 54 选择 Belytschko-Wong 算法材料模型 2:板料采用双线性各向同性硬化模型,即非线性无弹性的各向同性的塑性材料模型。先新建一个材料模型,再在 Define Material ID对话框中输入材料参考号 2,并在 Define Material Model Available 列表中选择 Bilinear Isotropic(双线性同向硬化材料模型),在弹出的材料参数对话框中输入相应的参数,即可完成板料材料模型的定义。对于板料采用双线性各向同性硬化模型,即非线性无弹性的各向同性的塑性材料模型。该模型与应变率有关,使用了弹性和塑性两种斜率来表示材料的应力应变行
9、为。它仅可以在一个温度条件下定义应力应变特性。定义该材料时,需要定义的参数包括弹性模量(EX)、波松比(NUXY)和密度(DENS)、屈服应力(Yield Stress)和硬化模量(Tangent Modulus)。5图 55 定义是常数材料模型 3:凹模采用刚体。与凸模的定义方法等同,复制材料模型 1,只是凹模限制了所有的自由度,因此不能运动,所以在直线移动约束栏中选择 all drips。材料模型 4:压边圈也采用刚体,复制材料模型 3,就可以完成压边圈材料模型的设置。压边圈也应该是不可动装置,所以它也限制了所有的自由度。表 51 各材料模型的参数项目密度/kg/m2弹性模量/Pa波松比屈
10、服应力/Pa硬化模量/Pa凸模78502.1e110.29板料78502.06e110.32.35e82e9凹模78502.1e110.29压边圈78502.1e110.296图 56 定义材料模型 创建几何模型创建凸模、板料、凹模和压边圈的有限元模型i 选择 Main MenupreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS 命令,弹出 Create Keypoints in Active Coordinate System 对话框,在X、Y、Z 处分别输入数值创建点,如图 58。ii 选择 Main MenupreprocessorModeli
11、ngCreateLinesLinesstraight Line命令,弹出 Create straight对话框。在图形窗口中选择关键点一次连接起来。创建直线,如图 59。iii 选择 Main MenupreprocessorModelingCreateLinesLine Fillet命令,弹出 Line Fillet 对话框。在图形窗口中选择需要倒角的两条直线,然后在 RAD 中输入倒角半径,如图 510。7图 57 定义材料模型参数8图 58 创建关键点图 59 创建直线9图 510 创建倒角iv 选择 Main MenupreprocessorModelingOperateBoolean
12、sAddLines 命令,弹出 Add Lines 对话框。在图形窗口中按顺序选择需要合成为一条直线的所有直线。单击 OK。这样就完成了线的相加,如图 511。图 511 线相加v 选择 Main MenupreprocessorModelingOperateExtrudeLinesAbout Axis 命令,弹出 Sweep Lines about对话框。在图形窗口中先选择线,然后再选择旋转轴,这样就弹出关于轴扫掠的对话框,单击 OK,即可得到一个旋转面。即完成凸模的建立,如图 512。vi 移动工作平面。选 Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increme
13、nts命令,弹出 Offset WP 对话框,在 X、Y、Z Offsets 文本框中输入 0,-0.001,在 XY、YZ、ZX Angles 文本框中输入 0,-90。然后单击 OK,则完成工作面的平移,如图 413。viiMain MenupreprocessorModelingCreateAreasCirleBy Dimensions 命令,弹出 By Dimensions 对话框。然后在 RAD1(Outer radius)输入板料的半径值,即完成了圆形板料的建立,如图 414。viii 继续用以上的方法建立凹模,和加边圈。10进行网格划分i 设置适当的属性,选择 SHELL163
14、单元类型,材料编号分别为 1、2、3、4,实常数编号为 1,单元坐标系指定为 0,如图 515。ii 控制网格属性。设置网格密度为 0.003m,对于这一尺寸设置是经过多次实验所得,图 512 将线扫略成面 11 图 514 创建圆周面 图 513 移动坐标系不宜过大亦不宜过小。当尺寸过大,经过网格划分后的图形在运算后处理以后会出现失真的现象;但尺寸不宜过大,这是受实际的实验条件所限制的。图 515 网格划分属性iii 划分网格。在图形显示区选择模型面,就完成所有模型的网格划分,如图516。12图 516 网格划分定义接触创建 PART。在创建 PART 表时,选择创建所有组件 Create
15、all parts 选项,便可以创建 PART 表。定义接触。i 在接触类型 Contact Type 列表中选择冲压表面 surface to surf 钣金面面成形接触算法(Forming FSTS),如图 517。在 ANSYS/LS-DYNA 程序中有 50 多种可供选择的接触分析方式,如:柔体对柔体、柔体对刚体、刚体对刚体等接触,可以用在具体的工程问题中去,解决实际面临的接触类型的选择以及接触参数控制的棘手问题。对于面面接触,需要用节点组元件和 PART 号来定义接触面和目标面,节点可以从属于多个接触面。面面接触是一种通用算法,在钣金成形分析中是首选的类型,把冲头与模具通常定义为目标
16、面,工件定义为接触面,并且这些接触类型中的模具无需网格贯通,因此要减小接触定义的复杂性,模具网格的方向必须一致,成形接触选项要基于自动接触的类型,同时功能也十分强大。13mcru2VDCVDC图 517 定义接触ii 在 Static Friction Coefficient 栏中输入 0.15。这表示整个冲压过程中无润滑条件下的钢与钢接触的静态摩擦系数为 0.15。同时,冲压过程中如果有润滑剂,则钢与钢接触的静态摩擦系数为 0.11。此时的钢与钢接触主要表现在板料与压边圈和凹模凸缘间的静摩擦因数。(其中的参数都是在工程力学中查得)iii 在 Dynamic Friction Coeffici
17、ent 栏中输入 0.15。这表示冲压过程中无润滑条件下的钢与钢接触的动态摩擦系数为 0.15。同时,冲压过程中如果有润滑剂,则钢与钢接触的动态摩擦系数为 0.08。此时的钢与钢接触主要表现在冲头与板料接触拉深板料时,板料与凹模壁和冲头间的动摩擦因数。(其中的参数都是在工程力学中查得)iv 在 Dynamic Friction Coefficient 栏中输入 10,这表示接触阻尼系数为10。为了避免在接触中产生不必要的震荡,对于薄板成形模拟,可以用垂直于接触表面的接触阻尼。而这个接触阻尼系数是通过公式计算得:mvdcVDCcru2(51)式中,:临界阻尼系数;cru :质量;m:接触片的固有
18、频率,且有:,它由 LSDYNA 程序内部自动计算;:实际频率转换为临界频率的百分比,如 20%,则 输入值为 20。v 接触模型定义。除了单面接触类型外,所有的接触类型都必须在可能发生接触的地方定义 Contace 表面和 Target 表面,他们可以用 Nodal Component 或PART 号定义。其操作为:弹出 Contact Options 对话框,在 Contact Component or Part no 栏中输入板料的 Part 号,分别定义它与凸模、凹模及压边圈进行接触,也就是依次在 Target Component or Part no 栏中输入以上三个组件的 Part
19、 号。这样既完成了所有接触的定义,如图 518。14 图 518 选择定义接触面5.2.3 加载和求解模块施加载荷表 54 载荷(时间位移)参数CTime/s0.0000.0060.0070.0090.0110.0120.0140.015H=5,Disp/m0.000-0.001-0.002-0.003-0.0035-0.0045-0.0055-0.0055H=12,Disp/m0.000-0.004-0.005-0.007-0.0095-0.0105-0.0125-0.0125定义载荷数组。输入数组名(Parameters name)、类型(Type)、列数(No.of row,cols,p
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