基于零摩擦分析来改变成形极限曲线的制作方法

本PCT专利申请要求于2014年6月11日提交的标题为“Shifting A Forming Limit Curve Based On Zero Friction Analysis”的美国临时专利申请序列号No.62/010,749的权益和优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术：

提供金属板作为模板来制造成品。在对金属板进行各种金属改形技术之后，金属板可以转变为成品。金属板处理可以包括诸如薄化、弯曲、切割等不同的技术。可以获得经处理的金属板以用于诸如车辆的车身等各种产品。

采用金属板的各种产品的生产者通常使用计算机辅助设计(CAD)程序来辅助设计产品及对产品进行仿真。设计者可以在CAD程序中输入与最终产品相关联的参数。因此，CAD程序可以基于预期的设计来运行各种仿真。仿真可被用于测试与不同修改相关联的性能、兼容性及失效。

用于确定失效的因素中的一个因素是成形极限曲线(FLC)。FLC采用半球形圆顶测试。本质上，将正方形或圆形标记放置在金属板上，并且在进行变形之后，相对于FLC来分析标记以获得关于金属板被改形的过程的信息。标记位于板的远离冲头的侧上。有关金属板改形的冲头是处于固定位置中的物体。模具和压边圈(binder)是可移动的，而冲头保持固定。因此，当金属板被施用于冲头时，金属板基于经由冲头施加的力而顺从(conform)并且弯曲。

该侧对应于仿真中的上纤维。每个金属板均具有上纤维和下纤维。上纤维远离接触冲头的区域，而下纤维为接触冲头的区域。因此，与判断相对于FLC的变形标记相关联的各种内插和公式可以使得金属板成形的观察者能够确定变形是否将最终导致各种失效。FLC的物理定义要求FLC与摩擦无关，即零摩擦。

然而，当进行半球形圆顶测试时，摩擦接触应力导致各种张力和应变被分布在冲压面上。这导致了依赖于摩擦的分布，其中最大值沿着与半球形圆顶冲头相关联的圆形区域的一部分定位。

图1示出了采用施用于坯料金属板100的半球形冲头150的示例。半球形冲头150包括轴线160(或极点)和由于摩擦而将检测到失效的角170。金属板100包括极点变形110和失效点120。

一旦对图1所示的部件进行比较，则可以检测到失效点120。然而，在进行进一步分析之后，失效点120可以具有受由施加于金属板100时的半球形冲头150的性能而引入的摩擦所影响的应变。在这种情况下，半球形圆顶测试可能会在进行和检测与部件相关联的失效中变得无效。

附图说明

参照以下附图进行详细描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的项目，并且在附图中：

图1示出了采用施加于坯料金属板100的半球形冲头150的示例。

图2示出了用于基于零摩擦分析来改变成形极限曲线(FLC)的系统和方法的示例性实施方式。

图3至图12示出了图2中所描述的系统和方法的示例性实施方式。

图13示出了用于经由计算机辅助工程(CAE)工具来实施图2中所公开的系统和方法的系统的示例。

技术实现要素：

以下描述涉及用于基于零摩擦分析来改变成形极限曲线的系统和方法。示例性实施例还可以涉及本文所描述的系统、方法及各种计算设备应用中的任一者。

本发明的附加特征将在下面的描述中进行阐述，并且在某种程度上将通过描述而明显，或者可以通过实践本发明而习知。

本文公开了一种用于基于零摩擦分析来改变成形分析的方法。该方法包括：根据来自模具的半球形圆顶测试的预定性能的次应力与主应力的比率来计算α应力值，所述模具用于使金属板变形；生成针对上纤维的零摩擦分析的α值；生成中间纤维的零摩擦分析的β值；并且将所述α值和所述β值结合以产生校正的零摩擦测试；以及基于主应力、次应力及校正的零摩擦测试来计算更新的成形极限图(FLD)。

应当理解，前述的一般描述和以下的详细描述二者都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。其它特征和方面将通过以下详细描述、附图以及权利要求而明显。

具体实施方式

如上所述，用于对变形或改形的金属板是否导致了失效进行诊断的常规半球形圆顶测试可能会由于引入摩擦而无法进行。因此，测试可能会不足以准确地预测失效。

具有摩擦的半球形冲压测试可能会导致在与极点(pole)成一定角度处检测到的失效。该失效发生在规定的次应力与主应力的比率处。失效点120处的Von Mises应力理论上由应变路径和材料性能确定，其中，Von Mises应力与摩擦无关。因此，由于因素与摩擦无关，并且测试引入摩擦，因此，失效的各种假设可能不完全准确。

零摩擦测试与摩擦无关。零摩擦测试采用各种试探法、函数和其它技术来测试改形的金属板部件以确定与改形相关联的特性。零摩擦测试可以检测极点处的失效。

在具有零摩擦的理论情况下，最大应变集中在极点上。调整坯料金属板以使最大应变处于平面应变中。使用Von Mises中间纤维应力、薄膜应力对用于零摩擦情况的深度进行校准，这是由于成形分析中的FLC使用了薄膜应力纤维。

在零摩擦测试的薄膜应力值等于摩擦测试上纤维的失效Von Mises应力并且在具有相同的β值、次应变与主应变的比率的情况下来确定冲压深度。根据应力失效理论，在薄膜应力处于同一摩擦测试的Von Mises应力水平时，零摩擦情况失效。

本文公开了用于增强具有零摩擦分析的半球形冲压测试的系统和方法。因此，根据本文公开的方面，可以更准确地检测失效。通过采用半球形冲压测试和零摩擦分析二者的特性，与单独采用每种测试相比，可以以更高的比率来避免两种测试中存在的误报。

因此，根据本文公开的方面，基于半球形冲压测试的FLC曲线的最低点还可以用于近似整个FLC曲线的逐点平移。对零摩擦FLC进行刚体平移，以生成可以适用于各种金属板应用的近似混合FLC。

图2示出了用于基于零摩擦分析来逐点改变整个成形极限曲线(FLC)的系统和方法200的示例性实施方式。改变摩擦半球形圆顶测试FLC的点与对应的零摩擦点的失效应变比率是改形的基础。该方法200可以经由处理器来执行或者存储在非易失性计算机可读介质上。

在操作210中，获取α应力值，其是次应力与主应力的比率。次应力和主应力是与金属板相关联的应力，其中，每个应力对应于X-Y方向上的应力矢量。如所示的，α应力的比率通过在操作211中已经计算及分析的各种α应力来计算。可以通过使用材料性能以及诸如关于用于半球形测试的模具、改形的金属板等的信息进行仿真来执行对α应力的计算(操作212和213)。计算第i点的α应力值。

第i点表示FLC上的各个部分或预定点。FLC的每个部分或实体被定义为不同的点。

在分支220中，进行了对从半球形圆顶测试到零摩擦校正的第i点改形进行计算的操作。在操作221中，采用摩擦上纤维来计算第i点。还可以采用其他技术，诸如调整坯料尺寸222、以及根据第i点处计算的主应变和次应变来拉深深度并进行β检测(223)。本质上，该操作用于识别次应变和主应变与半球形圆顶测试在i点处相关的步骤。在i点处，还得到了Von Mises应力和平面有效应力(224)。

在分支230中，对零摩擦情况进行分析。在操作231中，中间纤维情况(对于第i点)的零摩擦用于找到零摩擦情况下的相应值。可以生成β值，从而确定次应变与主应变的比率，所述比率使摩擦半球形圆顶仿真的上纤维Von Mises应力与零摩擦薄膜平面有效应力相关。平面有效应力是未经过厚度部件的Von Mises应力。

在操作232中，调整分支230的坯料尺寸。可以以连续标准的方式对坯料尺寸进行改变。在这种情况下，可以调整坯料尺寸，直到应力比率在可接受的公差内为止。可以对操作222进行类似的操作。

在操作233中，使Von Mises应力与平面有效应力深度相关联的深度拉深和β检测用于使平面有效应力与在223中计算出的应力相关联。如果两个应力都不在彼此的公差内，则调整零摩擦校正的拉深深度。

在操作250中，操作210至操作240中计算出的数据用于根据i点的主应力和次应力来计算相应校正的FLD(成形极限图)。

图3至图12示出了图2中所描述的系统和方法的示例性实施方式。参照所示附图，检查特定坯料的宽度。然而，本领域普通技术人员可以应用不同的坯料宽度或尺寸来进行本文所描述的操作。

对于以下说明性示例，使用具有半球形冲压生成的FLC材料性能的厚1.5mm的DP800级钢。示出了模具工艺的摩擦性能。摩擦情况具有0.1的摩擦并且在21.1mm处失效。坯料的宽度为90.1mm。

摩擦量根据规定的次应变与主应变的比率来确定相对于极点的失效角(Failure Angle to Pole)。如图3中所示，采用了不同的坯料尺寸、以及压边圈和冲头、模具和拉深板。Von Mises应力由使用Levy-Mises流动假设的FLC来确定，并且因此与摩擦无关。

图3中还用相应的成形极限图(FLD)示出了次应变等于零时的半球形冲压测试。美国测试和材料协会(ASTM)使用标准模具几何形状和各种坯料尺寸以提供宽范围的FLC值。冲头在颈缩失效处停止以测量FLC的应变值。

可以同时使用简化的张力近似法以及以商业可成形软件来计算张力和相对于极点的失效角。在失效处计算的张力与摩擦无关。

的Krupkowski硬化曲线，其中：

K＝1205.4，ε0＝0.0011，n＝0.116，t0＝1.5mm，T2＝T/2

最大张力出现在以下处：

最大张力处的厚度为：

主应力为：

σ1^*＝1473/t＝1102MPa

其中相应的流动应力为：

图4为示出了T1和T2的峰值张力的图。

与简化计算的1473N相比，商业可成形软件在颈部处的张力结果为1475N。板在表面上滑动的公式用于计算包围角，所述包围角为在使用不同摩擦值的点之间转过的角。这通过失效顶点j距极点k的位置来确定相对于极点的失效角。

T1k是基于极点元件应力(polar element stress)而从商业可成形软件获得的极点处的张力，为1435N。T1j是以上在失效处计算的张力，为1473N。

下列表达式表示用于计算极点与颈部之间的角度的示例性方法：

θ_jk＝点j与点k之间的包围角

μ＝摩擦系数＝0.1

T_1k＝T_1j exp(μθ_jk)＝1473N

θ＝17°

图5示出了基于针对以下值的商业可成形软件仿真来预测失效角的仿真示例：

极点处的张力T1j—1435N

颈部处的张力T1k应力—1475N

极点与颈部之间的角度～17°

以下示出了理论简化的张力近似值和包围角。计算中使用了极点处的商业可成形软件张力。

简化的计算结果：

来自Pam-Stamp的极点处的张力T1j—1435N

简化计算的T1k＝1473N

θjk＝j与k之间的包围角

T1k＝T1j exp(μθjk)

μ＝摩擦系数＝0.1

简化的包围角结果：

相对于极点的失效角～17°

基于以上，包围角的计算意味着使摩擦增大将增加相对于极点的失效角。滑动板的接触压力引起摩擦剪切应力，从而由于摩擦力而增加了张力及应变。

图6示出了上述现象。

图7示出了零摩擦测试的仿真。下面将对简化的包围角的计算进行描述。

简化的包围角计算：

T1k＝T1j exp(μθjk)

μ＝0.0，T1k＝T1j

以上示出了接触张力是均匀分布的。

如包围角公式所暗示的那样，板在极点处失效。

商业可成形软件的结果：

等效应力σ＝961MPa

T1～1770N

拉深深度＝0.9mm，比其中μ＝0.1的拉深深度更深

图7中所示的商业可成形软件仿真确定了板在极点处失效，从而确定了包围角计算。图8示出了零摩擦测试的图。

最大应力和最大应变发生在极点处或极点周围。与摩擦模型相比，拉深深度减小，这是由于应力更快地集中在极点处。这与下部的主应变相关。在零摩擦的情况下DP800的拉深深度较浅为0.09mm。

在摩擦商业可成形软件模型中的下纤维应力的结果由半球形冲压FLD失效模型来确定。使用摩擦模型的下纤维应力来设定零摩擦模型的失效冲压深度。设定深度，使得零摩擦模型的薄膜应力等于摩擦模型的下纤维应力。零摩擦模型中的主应变和次应变被记录为校正的FLC。

与零摩擦深度相关的过程如下：

摩擦系数＝0.1

峰值张力以1470N出现在角度17处

对应失效的下纤维应力＝961MPa

失效深度21.2mm

主应变为0.20

应力比率约为1/2，表示平面应变

零摩擦系数＝0.0

峰值张力以1770N出现在极点处

对应失效的薄膜等效应力＝961MPa

失效深度20.2mm

主应变为0.16

改变校正的商业可成形软件仿真(C.F.S.S.S.C)

根据本文公开方面的示例，可以采用不同的坯料尺寸来以主次应变的比率获得失效。采用本文公开的改变校正，可以更准确地预测失效。

步骤1：半球形冲压测试的仿真

示出了将半球形冲压测试改形成用于1.5mm厚的DP800板的准确的FLD。第一步是确定用于半球形冲压测试的商业可成形软件摩擦仿真的坯料尺寸，使得在测试曲线的最低点处检测到失效。假定FLD对于下纤维应变是准确的，其中，假定摩擦为0.1。应变路径是非线性的，并且元件可能会在平面应变中失效。记录下纤维应变以校准零摩擦模型。

将坯料增加到100mm以匹配双轴应变比率。应力比率约为1/2，并且下纤维应力表示平面应力。距离冲头最远的层的下纤维应力为961MPa。

步骤2：的仿真

图8示出了零摩擦测试的示例。图9示出了使用具有摩擦的模型在FLC的低点处进行的商业可成形软件仿真。

下一步骤是用商业可成形软件对零摩擦模型进行仿真。调整坯料以获得的仿真模型的平面应变。设定深度以使薄膜应力等于所记录的摩擦模型的下纤维应力。失效元件位于平面应变中，并且主应变被记录为校正的

图10示出了具有薄膜等效应力的零摩擦模型等于失效元件处的摩擦模型。使用了90.1mm的坯料和零摩擦模型，其中在失效冲压深度处的薄膜等效应力等于961MPa。主应变为0.154并且次应变为0.006。

图11示出了示出有摩擦模型FLC的零摩擦商业可成形软件。

步骤3：基于的平移

基于以上步骤，基于零摩擦情况来调整FLD。如图12中所示，改变FLD曲线，从而提供更准确的FLD以被用于各种金属板成形过程中。

校正的FLD在预测颈缩方面明显更准确。无校正的半球形冲压测试的FLD预测未失效。

图13示出了用于经由计算机辅助工程(CAE)工具来实施图2中所公开的系统和方法的系统的示例。如图13中所示，计算机1300设置有CAE程序1350。可以经由C.F.S.S.S.C 1360来修改CAE程序1350。C.F.S.S.S.C 1360可以是安装有或设置有常规CAE程序1350以存储、执行以及运行与金属板的测试相关联的各种仿真的附加装置。

用户可以通过接口输入与所使用的材料相关联的工艺参数1310以及实际的金属板设计1320。由此，计算机1360可以生成新的改变的成形极限曲线1370。新的改变的成形极限曲线1370可以与CAE程序1350结合使用以生成测试数据1380并产生测试数据1380，测试数据1380指示金属板设计1320是否通过证明金属板设计1320的完整性所需的各种半球形圆顶测试。

图13中所示的设备中的某些设备包括计算系统。该计算系统包括处理器(CPU)和将包括诸如只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)等系统存储器的各种系统部件耦接至处理器的系统总线。也可以使用其它系统存储器。计算系统可以包括多于一个的处理器或者联网在一起的一组或一群计算系统以提供更大的处理能力。系统总线可以是包括存储器总线或存储器控制器、外围总线以及使用各种总线架构中的任意架构的局部总线的若干类型的总线结构中的任意类型。存储在ROM等中的基本输入/输出(BIOS)可以诸如在启动期间提供有助于在计算系统内的元件之间传输信息的基本例程。计算系统还包括根据已知的数据库管理系统对数据库进行维护的数据存储器。数据存储器可以以诸如硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器等多种形式，或者诸如磁带盒、闪存卡、数字多功能盘、磁带、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)等能够存储可以由处理器访问的数据的另一类型的计算机可读介质来体现。数据存储器可以通过驱动器接口连接至系统总线。数据存储器为计算系统提供计算机可读指令、数据结构、程序模块及其它数据的非易失性存储。

为了实现人类(并且在一些情况下，机器)的用户交互，计算系统可以包括诸如用于语音和音频的麦克风、用于手势或图形输入的触敏屏、键盘、鼠标、动作输入等输入设备。输出设备可以包括多个输出机构中的一个或更多个输出机构。在一些情况下，多模式系统使得用户能够提供多种类型的输入以与计算系统进行通信。通信接口通常使得计算设备系统能够使用各种通信及网络协议与一个或更多个其它计算设备进行通信。

前述公开内容参照流程图和所附的描述来示出图2中所表示的实施例。所公开的设备、部件和系统预期使用或实施任何合适的技术以用于执行这些图中所示的步骤。因此，图2仅用于说明的目的，并且所描述的或类似的步骤可以在包括同时地、单独地或以结合的方式的任何适当的时间进行。另外，这些流程图的步骤中的许多步骤可以同时进行和/或以不同于所示及所描述的顺序进行。此外，所公开的系统可以使用具有附加的、更少的和/或不同的步骤的过程和方法。

可以在数字电子电路中或者在计算机软件、固件或硬件中实施本文所公开的实施例，其包括本文所公开的结构及其等同物。一些实施例可以被实施为编码在有形计算机存储介质上的用于由一个或更多个处理器执行的一个或更多个计算机程序，即，计算机程序指令的一个或更多个模块。计算机存储介质可以是计算机可读存储设备、计算机可读存储基板或者随机或串行存取存储器，或者可以包括在计算机可读存储设备、计算机可读存储基板或者随机或串行存取存储器中。计算机存储介质还可以是诸如多个CD、盘或其它存储设备的一个或更多个单独的有形部件或介质，或者可以包括在诸如多个CD、盘或其它存储设备的一个或更多个单独的有形部件或介质中。计算机存储介质不包括暂态信号。

如本文所使用的，术语处理器包括用于处理数据的所有类型的装置、设备和机器，其包括例如可编程处理器、计算机、芯片级系统、或多个可编程处理器、多个计算机、多个芯片级系统、或前述组合处理器可以包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除了硬件之外，处理器还可以包括创建用于所讨论的计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行环境、虚拟机或它们中的一个或更多个的组合的代码。

计算机程序(也称为程序、模块、引擎、软件、软件应用、脚本或代码)可以以包括编译或解释语言、声明式或过程式语言的任何形式的编程语言来编写，并且程序可以以包括作为独立程序或作为适于在计算环境中使用的模块、部件、子例程、对象或其它单元的任何形式来配置。计算机程序可以对应于文件系统中的文件但未必需要。程序可以存储在保存其它程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)的文件的一部分中、专用于所讨论的程序的单个文件中、或者多个协同文件中(例如，存储一个或更多个模块、子程序或代码的部分的文件)。计算机程序可以被配置成在一个计算机上执行或在位于一个地点处或分布在多个地点并通过通信网络互连的多个计算机上执行。

为了提供与个人的交互，可以使用诸如图形用户界面(GUI)等交互式显示器来实施本文所公开的实施例。这样的GUI可以包括诸如弹出或下拉菜单或列表、选择标签、可扫描特征以及可以接收人类输入的其它特征等交互式特征。

本文所公开的计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般彼此远离并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系借助于在相应计算机上运行并且彼此具有客户端服务器关系的计算机程序而产生。在一些实施例中，服务器向客户端设备发送数据(例如，HTML页面)(例如，为了向与客户端设备进行交互的用户显示数据以及从与客户端设备进行交互的用户接收用户输入)。可以在服务器处从客户端设备接收在客户端设备处生成的数据(例如，用户交互的结果)。