专利名称：数值模拟金属薄板成形中预测颈缩破坏的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及使用有限元分析的数值模拟来预测金属薄板的成形颈缩。
背景技术：
许多金属零件通过金属薄板成形制得。最常用的金属薄板成形工艺之一为深拉工艺，涉及利用液压机或机械式压机将特定形状的冲头推进匹配模具中，并且两者之间置有一片金属薄板。采用该工艺制造的示例性产品包括但不限于机盖、翼子板、车门、汽车油箱、 厨房水槽和铝罐等。在深拉工艺中，被加工的零件的深度一般是其直径一半以上。因此，坯料被拉伸，进而由于该零件的几何特性，在不同的位置将变薄。该零件仅在不存在结构缺陷例如材料颈缩破坏(如开裂、撕裂、起皱和颈缩等)时，才是好的。局部颈缩破坏是指金属薄板变得过薄。局部颈缩的产生一般是因为对金属薄板的拉伸超过了其弹性极限或屈服范围。局部颈缩最终会导致撕裂和/或断裂。要解决此问题， 需要对成形工具(即凹模、凸模)的形状进行改进，由于生产时间的推迟以及具体成本，这项工作的耗费甚高。因此，计算机辅助工程分析(如有限元分析)被用于仿真金属薄板成形过程，以预测是否会发生诸如局部缩颈这样的破坏现象。传统上，成形极限图O^rming Limit Diagrams，FLD)已经被用来确定是否发生了这样的颈缩，例如，图1所示的FLD。在 FLD中，面内的极限主应变对比次应变的单根成形极限曲线(!Arming LimitCurve,FLC) 102 被作为成形极限标准，在超过该标准时，金属板被认为开始局部化(例如局部颈缩)。但是， 在使用此传统的FLD时也存在问题。首先，FLD是建立在假定金属薄板的材料样品遵循线性变形路径的基础上的。在复杂负荷条件下的深拉工艺中，变形路径可以明显偏离线性关系。因此，有些实际上的材料颈缩预测不到(即具体部件发生颈缩但是数值仿真没有预测到)。此外，在多步成形过程中，例如拉伸之后进行翻边，加载方向必然发生变化。为了准确地预测颈缩破坏，必须在仿真中提供在零件的成形过程中对应于不同应变路径条件的一组 FLC，这根本就是不实际的。因此，在现有技术的方法中，已经在原来的FLC中增加了安全限度(如图1中下部的线104所示)。然而，该方法由于安全限度线明显低于原来的FLC而可能会不必要地限制了设计空间。因此，希望发展一种更可靠的方法来利用有限元分析的数值仿真来预测金属薄板成形颈缩。
发明内容
本部分的目的在于总结本发明的一些方面，并简要介绍一些优选的实施例。本节、 摘要中、以及本文的标题的简化或省略描述，是避免使本节的目的模糊不清。这种简化或省略不是为了限制本发明的范围。本发明公开了使用数值模拟(例如有限元分析，FEA)预测金属薄板成形颈缩的系统和方法。根据本发明的一个方面，有限元分析模型用来定义一个具体的金属薄板成形加工过程。该FEA模型包括多个节点和单元，代表凸模、凹模和金属薄板。金属薄板使用多个壳单元进行建模。此外，还包括相应于该薄板材料的对变形路径有依赖性的成形极限图 (FLD)。对变形路径有依赖性FLD被转化为对路径无依赖性的FLD。金属薄板成形加工过程的时间推进式模拟通过使用该FEA模型来进行。在每个求解循环中，在壳单元的每个积分点上的等效应变都相对于对路径无依赖性的FLD的相应成形极限应变值进行检查。等效应变和成形极限应变之比值被定义为可成形性指数。每个壳单元的可成形性指数与时间关系曲线按照用户指示被保存在文件中并显示在监视器上。当一个具体单元的可成形性指数达到1或更高，则预测有局部颈缩。本发明的一个目的是基于数值模拟所获得的结构反应，提供一种方便使用和观察手段来表示是否可能发生颈缩破坏。本发明的其它目的、特征和优点将通过以下具体描述及其实施例，并连同附图来进行说明。
本发明的这些以及其它特征、方面和优点通过以下描述、权利要求和附图能得到更好的理解图1所示为现有技术中对载荷路径有依赖性的示例性传统成形极限图(FLD)；图2所示为根据本发明一个实施例的示例性对路径无依赖性的FLD ；图3A是用于应变和应变分量的示例性坐标系统的示意图；图;3B是具有不同数量积分点的示例性壳单元示意图；图4A是在传统对路径有依赖性的FLD上一个示例性部件中两个位置的应变历史的示意图；图4B是根据本发明实施例的图4A中所示两个位置的可成形性指数历史的示意图；图5是根据本发明实施例在金属成形加工过程的时间推进式模拟中预测材料颈缩的示例性过程的流程图；图6是用于实施本发明一个实施例的示例性计算机主要部件的功能框图。
具体实施例方式这里参照图1-6对本发明的实施例进行讨论。但是，本领域技术人员容易理解此处参照这些图给出的详细描述是出于说明的目的，因本发明的范围已超过这些有限的实施例。本发明公开了在薄板成形加工过程中预测材料颈缩(例如局部颈缩的初发)的方法和系统。本发明进行了使用有限元分析模型的时间推进式模拟。该有限元分析模型包括用来表示被成形成所需要部件的金属薄板的多个壳单元。为了在计算机系统中使用有限元分析进行该预测，一个传统的对应变路径有依赖性的成形极限图被转化为一个对路径无依赖性的FLD。然后每个壳单元的可成形性指数被编译到时间推进式模拟中的时间历史曲线中。当任何可成形性指数等于或超过1的时候，表明金属板材可能发生颈缩破坏。对路径无依赖性的FLD基于等效塑性应变『q (与屈服曲面尺寸或者有效应力有关)来定义成形极限应变。该标准导致图2所示的屈服曲面尺寸对比当前塑性流动方向所形成的曲线。当前流动方向β (或者当前应变率)被定义为当前次应变和主应变之比值 π ds权利要求
1.一种在计算机系统中执行的用于在金属薄板成形加工过程的时间推进式模拟中预测颈缩的方法，其特征在于，包括通过安装在计算机系统中的应用程序模块，定义有限元分析模型，所述有限元分析模型包括多个代表将被成形为所期望部件的金属薄板的壳单元；通过所述应用程序模块，将对金属薄板的有路径依赖性的成形极限图转化为对路径无依赖性的成形极限图；通过所述应用程序模块，在计算机系统中通过执行将金属薄板成形为所期望部件的整个金属薄板成形加工过程的时间推进式模拟，获得所述壳单元的等效应变以及相应的应变比；通过所述应用程序模块，使用瞬时变形流动方向上的等效应变和相应的成形极限应变值编制出所述每个壳单元的积分点上的成形指数与时间关系曲线，其中所述每个单元包含至少一个积分点；以及通过所述应用程序模块，确定金属成形加工过程的状况，当成形指数与时间关系曲线的所有值都低于1的时候加工状态成功。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间推进式模拟包括模拟凸模压进凹模中，且金属薄板位于两者之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可成形性指数是所获得的等效应变和相应的成形极限应变值之比。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述瞬时流动方向是所述壳单元在金属成形加工过程的特定情况下主和次应变的函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对路径有依赖性的成形极限图包括在线性载荷路径下材料样本的主和次应变的成形极限曲线。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将对路径有依赖性的成形极限图转化为对路径无依赖性的成形极限图包括使用以下等式_eq 1 + r 「2 2 2rPeq = _Pz +Fz -I--ρ ρ^Jy + 2~ y majorminor 1 j* major minor其中是等效应变，￡maj 是主应变，ε min 是次应变，r是在平面各向同性情况下希尔屈服曲面的兰克福德参数。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将对路径有依赖性的成形极限图转化为对路径无依赖性的成形极限图还包括使用以下等式ε — (^11S11 + O22S22 + O33S33 + O12S12 + O13S13 + O23S23) / CJe其中pq是等效应变，^是有效应力，Oij是三维空间中的应力分量，ε u是三维空间中的应变分量，i，j = 1，2，3。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个壳单元只有当所述至少一个积分点中的所有积分点的可成形性指数等于或大于1时才被判定为颈缩。
9.一种用于在金属板材成形加工过程的时间推进模拟中预测颈缩的系统，其特征在于，所述系统包括输入/输出接口；储存应用程序模块的计算机可读代码的存储器；与存储器连接的至少一个处理器，所述至少一个处理器来执行存储器中的计算机可读代码，使得所述应用程序模块进行以下操作定义有限元分析模型，所述有限元分析模型包括多个代表将被成形为所期望部件的金属薄板的壳单元；将针对金属薄板有路径依赖性的成形极限图转化为对路径无依赖性的成形极限图； 在所述系统中通过执行将金属薄板成形为所期望部件的整个金属薄板成形加工过程的时间推进式模拟，获得所述壳单元的等效应变以及相应的应变比；使用瞬时变形流动方向上的等效应变和相应的成形极限应变值编制出所述每个壳单元的积分点上的成形指数与时间关系曲线，其中所述每个单元包括至少一个积分点；以及确定金属成形加工过程的状况，当成形指数与时间关系曲线的所有值都低于1的时候加工状态成功。
10. 一种计算机可读介质，包含有根据权利要求1的方法在金属板材成形加工过程的时间推进模拟中用于预测颈缩的计算机可执行指令。
全文摘要
本发明公开了使用数值分析(例如有限元分析)预测金属板材成形颈缩的系统和方法。根据本发明的一个方面，用有限元分析(FEA)模型来定义一个具体的金属薄板成形过程。该FEA模型包括多个节点和单元，代表凸模、凹模和金属薄板。金属薄板使用多个壳单元进行建模。此外，包括一个对变形路径有依赖性的，根据薄板材料所做的成形极限图。此对变形路径有依赖性的成形极限图被转化为对路径无依赖性的成形极限图。金属薄板成形加工过程的时间推进式模拟通过使用此有限元分析模型来进行。在每个求解循环中，在壳单元的每个积分点上的等效应变都相对于对变形路径无依赖性的成形极限图的相应成形极限应变值进行检查。等效应变和成形极限应变之比值被定义为可成形性指数。每个壳单元的可成形性指数与时间关系曲线可按照用户指示被保存在文件中并显示在监视器上。当一个特定单元的可成形性指数达到1或更高，则预测有局部颈缩。
文档编号G06F17/50GK102262688SQ20111013176
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月27日
发明者张力, 朱新海 申请人:利弗莫尔软件技术公司