在制造钣金件的计算机模拟中确定结构破坏的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了在制造钣金件的计算机模拟中确定结构破坏的系统和方法。定义用于金属板材制造过程的FEA模型，该FEA模型包括多个表示金属板坯的壳单元。这些壳单元被配置用于模拟金属的各向异性材料特性。通过金属成型模拟应用模块使用FEA模型执行制造钣金件的计算机模拟，来获得数值模拟的结构行为。数值模拟的结构行为包括在成型钣金件过程中的等效应变形式的结构变形以及塑性流动的方向。使用金属板材的平面各向同性材料模型来构造结构破坏确定准则。最后，获得的结构行为与破坏确定准则进行比较，来确定在钣金件制造的计算机模拟中是否有结构破坏。
【专利说明】在制造钣金件的计算机模拟中确定结构破坏的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明总的涉及计算机辅助工程分析，更具体地涉及在金属板材成型模拟中使用各向同性金属破坏准则进行破坏的确定。
【背景技术】
[0002]许多钣金件都是通过金属板材成型技术制成的。一种最常用的金属板材成型工艺是拉深(de印drawing)，其利用液压机或者机械压力机将特定形状的冲头推入匹配的模具，在冲头和模具之间放置一张金属板坯。图1示出了示范性的拉深机构，其中冲头104被推入模具108，金属板坯106置于冲头104和模具108之间。通过该工艺制得的示范性产品包括但不限于:汽车引擎盖、挡泥板、门、汽车燃料水槽、厨房水槽、铝罐等。在拉深工艺中，钣金件的深度通常大于其直径的一半。因此，毛胚被拉伸，且由于零件的几何形状在各个位置变薄。当没有材料破坏(例如，破裂、撕裂、起皱、缩颈等)之类的结构缺陷时，制造出的零件是良好的。金属板坯通常拥有各向异性材料特性。如图2所示，一张金属板材202具有两个不同的方向:纵向或者轧制方向212、以及横向214。
[0003]随着计算机技术的出现，可以采用计算机辅助工程分析(例如，有限元分析(FEA))来数值化模拟整个拉深制造过程。FEA是一种计算机方法，被广泛用于行业内来建模和解决与复杂的系统有关的工程问题，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名字来自以下事实:被考察的物体的几何形状是特定的。随着现代数字计算机的出现，FEA被实现为FEA软件。基本上，FEA软件设有几何形状描述的模型、以及在模型内的每个点处的相关材料特性。在这个模型中，被分析系统的几何形状由不同尺寸的实体(solid)、壳(shell)和梁(beam)来表示，这些实体、壳和梁被称为单元。各单元的顶点被称为节点(node)。该模型包括有限数量的单元，这些单元被赋予与材料特性相关的材料名。因此该模型代表了被分析物体及其即刻环境(immediate surrounding)所占据的物理空间。然后，FEA软件涉及一个表格，每种材料类型的特性被列在该表格中(例如，应力-应变构成等式、杨氏模量、泊松比、导热性)。另外，指定了物体的边界条件(也就是，负荷、物理约束等)。用这种方式生成物体及其环境的模型。
[0004]现有技术中用于确定或者预测成型的钣金件是否有任何结构破坏的方法是基于成型极限图表(forming limit diagram, FLD)0示范性的FLD300在图3中示出。但是，当破坏确定准则是基于各向异性的材料模型时，在拉深制造过程的计算机模拟中确定结构破坏是有问题的，例如，很难利用图4所示的与路径无关的FLD中轧制方向和横向412-414上的两个成型极限来确定破坏。因此，期望有更可靠的方法来在钣金件制造的计算机模拟中确定结构破坏。
【发明内容】
[0005]本申请公开了在制造钣金件的计算机模拟中确定结构破坏的系统和方法。根据本发明的一方面，定义用于金属板材制造过程的有限元分析(FEA)模型。FEA模型包括多个表示金属板坯的壳单元。这些壳单元被配置用于模拟金属的各向异性材料特性。然后通过金属成型模拟应用模块(例如，FEA应用模块)使用FEA模型执行制造钣金件的计算机模拟，来获得数值模拟的结构行为。数值模拟的结构行为包括钣金件成型过程中的等效应变形式的结构变形以及塑性流动方向。使用金属板材的平面各向同性材料模型来构造结构破坏确定准则。最后，获得的结构行为与破坏确定准则进行比较，来确定在钣金件制造的计算机模拟中是否存在结构破坏。
[0006]通过以下结合附图对【具体实施方式】的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中:
[0008]图1是示范性的拉深制造机构的示意图；
[0009]图2是示范性的金属板材的轧制方向和横向的示意图；
[0010]图3示出了与应变路径相关的、示范性的传统成型极限图表(FLD)；
[0011]图4示出了示范性的与路径无关的FLD，该FLD包括轧制方向和横向的两个不同成型极限；
[0012]图5是根据本发明的实施例从各向同性材料模型创建的示范性FLD的示意图；
[0013]图6是根据本发明的实施例使用基于各向同性料模型的破坏确定准则在金属板材制造过程的计算机模拟中确定钣金件的破坏的示范性方法的流程图；
[0014]图7是示范性的计算机的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在其中实施。
【具体实施方式】
[0015]本申请公开了在制造钣金件的计算机模拟中确定结构破坏的系统和方法。根据本发明的一方面，定义用于金属板材制造过程的有限元分析(FEA)模型。FEA模型包括多个表示金属板坯的壳单元。这些壳单元被配置用于模拟金属的各向异性材料特性。然后通过金属成型模拟应用模块(例如，FEA应用模块)使用FEA模型执行制造钣金件的计算机模拟，来获得数值模拟的结构行为。数值模拟的结构行为包括钣金件成型过程中的等效应变形式的结构变形以及塑性流动方向。使用金属板材的平面各向同性材料模型来构造结构破坏确定准则。最后，获得的结构行为与破坏确定准则进行比较，来确定在钣金件制造的计算机模拟中是否存在结构破坏。
[0016]与路径无关的FLD基于等效塑性应变r41 (其与屈服表面尺寸或者有效应力^相
关)定义成型极限应变。这样的准则得到如图5所示的屈服表面的尺寸与塑性流动的当前方向(current direction)之间的关系曲线图。当前流动方向β (或者当前应变比率)定义为当前增加的次应变与增加的主应变的比值:
【权利要求】
1.一种在制造钣金件的计算机模拟中确定结构破坏的方法，其特征在于，所述方法包括: 在计算机系统中，接收有限元分析模型，所述有限元分析模型包括表示将被制成钣金件的金属板坯的多个壳单元，所述多个壳单元被配置用于模拟金属板坯的各向异性材料特性； 通过安装在计算机系统上的金属板材成型模拟应用模块使用有限元分析模型执行计算机模拟，来获得由金属板坯制成的钣金件的数值模拟的结构行为，所述数值模拟的结构行为包括以所述壳单元的等效应变和对应的应变比的形式表示的数值模拟的变形； 基于金属板坯的平面各向同性材料模型来构造钣金件的破坏确定准则；以及 在计算机模拟后，使用破坏确定准则和数值模拟的结构行为确定钣金件的成型状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算机模拟包括模拟冲头被推入模具，且所述金属板坯置于所述冲头与模具之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各向异性材料模型基于所述金属板材的各向异性屈服表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述破坏确定准则包括与路径无关的成型极限图，所述成型极限图以等效应变ε eq对比由所述壳单元的应变来定义的塑性流动的方向的形式表示。
5.根据权利要求4所述 的方法，其特征在于，所述路径无关的成型极限图包括使用以下等式:
6.—种在制造饭金件的计算机|吴拟中确定结构破坏的系统，其特征在于，所述系统包括: 输入/输出接口； 存储器，存储用于金属板材成型模拟应用模块的计算机可读代码； 与所述存储器相连的至少一个处理器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的计算机可读代码，促使所述金属板材成型模拟应用模块执行以下操作: 接收有限元分析模型，所述有限元分析模型包括表示将被制成钣金件的金属板坯的多个壳单元，所述多个壳单元被配置用于模拟金属板坯的各向异性材料特性； 通过金属板材成型模拟应用模块使用有限元分析模型执行计算机模拟，来获得由金属板坯制成的钣金件的数值模拟的结构行为，所述数值模拟的结构行为包括以所述壳单元的等效应变和对应的应变比的形式表示的数值模拟的变形； 基于使用金属板坯的平面各向同性材料模型的假设，来构造钣金件的破坏确定准则；以及 在计算机模拟后，使用破坏确定准则和数值模拟的结构行为确定钣金件的成型状态。
【文档编号】G06F17/50GK103544335SQ201310242510
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年6月18日 优先权日:2012年7月16日
【发明者】朱新海, 张力 申请人:利弗莫尔软件技术公司