CN102955873A

CN102955873A - 金属片成形模拟中的毛坯的初始配置

Info

Publication number: CN102955873A
Application number: CN2012102143848A
Authority: CN
Inventors: 朱新海; 张力
Original assignee: Livermore Software Technology LLC
Current assignee: Livermore Software Technology LLC
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-03-06
Also published as: US20130041634A1

Abstract

本发明公开了一种创建在金属片成形方法的计算机模拟中使用的毛坯金属片的有限元网格模型的初始配置的改进***和方法。根据本发明的一个方面，在执行所述模拟的重力加载阶段之前，所述毛坯的有限元网格模型初始配置成不具备任何重量的平板。接着施加用户指定的初始缺陷到初始平板模型以使得可预见地出现期望的弯曲形状。

Description

金属片成形模拟中的毛坯的初始配置

技术领域

本发明总的涉及在金属片成形方法的数字模拟中使用的方法和***，更具体地说，涉及毛坯金属片的初始配置的数字模拟。

背景技术

多年来，在工业生产中一直使用金属片成形来将毛坯金属片制造成金属零件，例如汽车制造厂和其供应商使用金属片成形来生产许多零件。最常使用的金属片成形方法称为拉延成形或冲压法。图1示出了示例的拉延冲压装配的截面图。制造零件或产品需要采用水力或机械压力将特定形状的模具100挤压到匹配的冲压机130上，在模具100和冲压机130之间，设有毛坯金属片120或工件。该毛坯金属片120最初由捆缚装置（binder）108和/或冲压机130支撑。捆缚装置180有时称为捆缚环、环或者毛坯固定器，其置于由气体、油、橡胶或者弹簧107致动的模垫106顶部。由金属片成形方法制造的示例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、铝罐等等。在深拉延中，制造的零件或产品的深度通常大于其直径的一半。因此，由于零件或者产品的几何形状，拉伸毛坯使其在不同的位点变薄。该零件或产品仅在没有结构缺陷（如材料缺陷，例如破裂、撕裂、起皱、缩颈等）时是良好的。

传统的，开发金属成形方法是一个冗长的测试和纠错过程，其需要创造和/或改变物理原型。该传统方法不光费用高昂而且耗时。随着有限元法和现代电脑***的出现，传统的金属成形方法开发在很多方面已经由计算机模拟帮助取代。模拟能够显著缩短上市时间，例如大多数耗时的物理原型创建/修改已经由操作有限元网格模型（例如，在各个配置中的模具面的网格模型）取代。

金属成形方法模拟分数个时期或阶段执行。图2是示例的金属成形模拟的不同阶段的流程图。该模拟始于称为“重力加载”的第一步骤202。在该第一步骤202中模拟毛坯在拉延成形之前由于自身重量导致的变形。该“重力加载”阶段202是虚拟模拟步骤，这是因为在现实世界中，毛坯金属片不需要该过程。重力自动作用在毛坯上。

下一步骤称为“捆缚闭合”204，其中由捆缚装置将毛坯夹住（clampdown）。接着，在“模具冲压”步骤206中，挤压模具被推向匹配的冲压机，在挤压模具和冲压机之间设有毛胚。在挤压毛坯以后，下一步骤是“模具回缩”208和其他步骤（未图示）。该“模具回缩”步骤208允许受挤压的模具回弹。本发明涉及“重力加载”阶段202的模拟。

在现有方法中，采用具有平面几何的有限元网格模型来对毛坯进行建模（也就是，该毛坯最初作为不具有任何重量的平板）。接着，基于毛坯材料的质量密度，通过对毛坯在其自身重量的情况下进行有限元分析，来模拟“重力加载”阶段。这样产生的或是重力加载的毛坯将依据设置的几何形状抵靠在捆缚装置的顶部和/或冲压机的顶部。对于后续的模拟，重力加载的毛坯的几何形状是起始配置。

然而，毛坯的平面初始零重量几何形状有时会在重力加载的计算机模拟中产生问题。在现实世界中，较大件的平面金属片毛坯（例如汽车引擎盖、挡泥板或门的工件）可能以一个以上的弯曲形状（如下陷度或凸翘度）自然弯曲。任何这些弯曲形状都可能发生，除非通过模具制造者在模具试验阶段操作或通过冲压压力机中的吸盘操作，以在捆缚装置闭合和模具冲压之前获得理想的弯曲形状。因此，创建和配置了金属成形方法模拟应用模块以模拟该现象。因此，具有平面初始几何形状的毛坯在重力加载模拟中产生的不确定性会影响后续阶段的结果。

因此，较为理想的是，提供一种改进的***和方法用于指定和创建毛坯金属片的初始配置以确保在金属片成形过程的计算机模拟中获得更可靠的模拟结果。

发明内容

本发明公开了一种创建在金属片成形方法的计算机模拟中使用的毛坯金属片的有限元网格模型的初始配置的***和方法。根据本发明的一个方面，在执行所述模拟的重力加载阶段之前，所述毛坯的有限元网格模型初始配置成不具备任何重量的平板。接着施加用户指定的初始缺陷到初始平板模型以使得可预见地出现期望的弯曲形状。

根据另一方面，所述初始缺陷通过基于用户指定的指示将平面几何形状转换到曲面几何形状（例如，具有曲度的平板）产生。该指示可包括但不限于，用于在执行模拟的“重力加载”阶段之前弯曲该初始有限元网格模型的平板配置的半径和中心。初始平板配置的弯曲可相对于所述初始平板几何形状施加到任何轴线。根据另一方面，该初始缺陷可具有数个形式，例如凹曲度（下陷度（sagging））或凸曲度（凸翘度）。

本发明的目的是，确保金属板成形方法的计算机模拟更加可靠。

附图说明

参照下列描述、权利要求和附图可以更好地理解本发明的各个特征、方面和优点。

图1是示例的深拉伸金属片成形装配的正视截面图；

图2是示例的金属成形方法模拟的不同阶段的流程图；

图3A-3B是分别示出了根据本发明的实施例的、创建表示包括用户指定的初始缺陷的毛坯金属片的数字模型的典型方案的示意图；

图4A-4D是示出了根据本发明的实施例的、表示示例的毛坯金属片的数字模型的各种弯曲形状的示意图；

图5A-5B是示出了根据本发明的实施例的、示例的毛坯金属片的凸翘和下陷形状的示意图；

图6是示出了根据本发明的实施例的、在金属片成形方法模拟中创建具有初始缺陷的毛坯金属片的初始配置的方法的流程图；

图7是示例的计算机的主要部件的功能框图，其中可执行本发明的实施例。

具体实施方式

本发明公开了一种创建在金属片成形方法的计算机模拟中使用的毛坯金属片的有限元网格模型的初始配置的***和方法。在执行所述模拟的重力加载阶段之前，所述毛坯的有限元网格模型初始配置成不具备任何重量的平板。接着施加用户指定的初始缺陷到初始平板模型以使得可预见地出现期望的弯曲形状。该初始缺陷可避免在计算机模拟过程中随意出现不同的弯曲形状。

参照图3A，示出了根据本发明的实施例的、创建表示包括用户指定的初始缺陷的毛坯金属片320的数字模型330的典型方案的示意图。开始，示出的毛坯金属片320的横截面轮廓具有平面几何形状。换句话说，开始建立的有限元网格模型是平板以表示没有变形的毛坯。为了避免出现不可预测的多个等价类似的弯曲形状，引入用户指定的初始缺陷。根据一个实施例，缺陷是以增加曲度到平面几何形状的形式，如弯曲该平板毛胚模型。该用户指定指示包括指定半径322和矢量以表示弯曲321的轴线。半径322定义了从毛坯旋转的中心。弯曲321的轴线配置用于在规定的方向弯曲毛坯。在图3A中，轴线321指向纸内。毛坯320在位于离毛坯的一个半径322的中心围绕轴线321弯曲成下陷或凹陷形状。另外，也可包括其他特征，如最弯曲位置的坐标（例如，毛坯的重心）。

图3B示出了可通过将旋转中心置于毛坯320的另一侧获得的凸翘或凸起形状350。

图4A-4D示出了围绕矩形平板的两根正交轴线的下陷或凸翘形状401-404。一个这些弯曲形状用于创建毛坯金属片的初始缺陷。图4A示出了围绕第一轴线（未示出轴线）的平板的下陷或凹陷形状401，而图4B示出了围绕同一轴线的平板的凸翘或凸起形状402。

图4C和4D分别示出了围绕第二轴线（未示出，正交于第一轴线）的凸翘403或下陷404。

在现实世界的金属片成形中，毛坯加载到具有吸盘的拉延压力机上，有时这将造成初始缺陷。图5A示出了位于模具压力机（也就是，捆缚装置508和冲压机530）顶部的，具有凸翘或凸起形状550的毛坯的横截面轮廓，而图5B示出了下陷或凹陷形状560。

现参照图6，示出了根据本发明的实施例的、在金属片成形方法模拟中创建具有初始缺陷的毛坯金属片的初始配置的示例方法600。该方法600可在具有用户特定指示组的软件中实现。

方法600始于步骤602，其中定义毛坯金属片的平面几何形状的有限元网格模型。该有限元网格模型包括毛坯的几何维度和形状。通常，该有限元网格模型包括多个壳体元素（shell element）。还定义了有限元的大小。

接着，在步骤604中，用户（也就是，工程师、金属片形成方法的设计者）指定一组指示，从而为平面毛坯模型创建初始缺陷。示例的指示包括一组预弯曲指令，包括半径、弯曲轴线等等（如图3A-3B）。接着，在步骤606将这些指示应用到平面毛坯模型，该步骤通常由计算机***（例如图7的计算机***700）执行。由于这些预弯曲指令，平面毛坯模型转换成下陷（凹陷）或凸翘（凸起）形状的预弯曲毛坯金属片的有限元网格模型。最后，在步骤608，使用预弯曲的毛坯模型执行金属片成形计算机模拟的重力加载阶段。

根据一方面，本发明涉及一个或多个能够执行在此描述的功能的计算机***。计算机***700的例子在图7中示出。计算机***700包括一个或多个处理器，例如处理器704。处理器704连接到计算机***内部通信总线702。关于该示范性的计算机***，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关技术领域的人员将会明白如何使用其它计算机***和/或计算机架构来实施本发明。

计算机***700还包括主存储器708，优选随机存取存储器（RAM），还可包括辅助存储器710。辅助存储器710包括例如一个或多个硬盘驱动器712和/或一个或多个可移除存储驱动器714，它们代表软磁盘机、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器714用已知的方式从可移除存储单元718中读取和/或向可移除存储单元718中写入。可移除存储单元718代表可以由可移除存储驱动器714读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元718包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。

在可选实施例中，辅助存储器710可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机***700。这样的机制包括例如可移动存储单元722和接口720。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口（例如，视频游戏设备中的那些）、可移动存储芯片（例如可擦除的可编程只读存储器（EPROM））、通用串行总线（USB）闪存、或者PROM）以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元722和允许软件和数据从可移动存储单元722传递到计算机***700的接口720。通常，计算机***700由操作***（OS）软件控制和管理，操作***执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。

可能还设有连接到总线702的通信接口724。通信接口724允许软件和数据在计算机***700和外部设备之间传递。通信接口724的例子包括调制解调器、网络接口（例如以太网卡）、通信端口、个人计算机存储卡国际协会（PCMCIA）插槽和卡等等。通过通信接口724传输的软件和数据是信号728的形式，该信号可以是电子、电磁、光学或者其他可以被通信接口724接收的信号。计算机700基于一组特定的规则（也就是，协议）通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）。通常，通信接口724将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口724处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机700的数据包。在这份文件中，术语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器714和/或设置在硬盘驱动器712中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机***700的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机***700还包括输入/输出（I/O）接口730，它使得计算机***700能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描器、绘图机、以及类似设备。

计算机程序（也被称为计算机控制逻辑）作为应用模块706存储在主存储器708和/或辅助存储器710中。也可通过通信接口724接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机***700执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器704执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机***700的控制器。

在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移动存储驱动器714、硬盘驱动器712、或者通信接口724加载到计算机***700中。应用模块706被处理器704执行时，使得处理器704执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器708可被加载一个或多个应用模块706（例如，其内编程或配置有时间流变材料构成等式的有限元分析应用模块），所述应用模块706可被一个或多个处理器704执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口730输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器704执行一个应用模块706时，结果被计算并存储在辅助存储器710（也就是，硬盘驱动器712）中。有限元分析（例如，在FEA模型的撞击假人中包括材料年限影响的汽车抗撞击模拟）的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口报告给用户。

虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，虽然示出的是矩形平板并将其作为毛坯进行描述，任何其他形状（如圆形、正方形、三角形、不规则形状等等）都可以用于取代矩形。另外，示出了一部分圆形并将其描述为毛坯模型的预弯曲几何形状。其他等价的弯曲表面（如椭圆形、双曲线圆弧等等）都可以获得相同的效果。此外，图4A-4D中示出的示例弯曲形状是依照夸大的曲率（exaggerated curvature）绘制的，其他曲率大小也可用来实现其目的。最后，曲率以二维曲率示出和描述。对于更复杂的初始表面，也可以采用三维曲率取代二维曲率。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及后附权利要求的范围内。

Claims

1.一种创建表示在金属片成形模拟中使用的毛坯的有限元网格模型的方法，其特征在于，所述方法包括：

在其上安装有用于金属片成形方法模拟的应用模块的计算机***中定义具有平面几何形状的毛坯的第一有限元网格模型；

在所述计算机***中接收用于创建所述毛坯的初始缺陷的一组指示；

通过在所述计算机***中应用所述一组指示将所述第一有限元网格模型转换成具有所述初始缺陷的第二有限元网格模型；以及

使用所述第二有限元网格模型作为起始几何形状，通过执行所述金属片形成方法模拟的重力加载阶段获得所述毛坯的第三有限元网格模型，所述第三有限元网格模型用于述金属片形成方法模拟的下一阶段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元网格模型包括多个壳体有限元。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一组指示包括指定弯曲的轴线和弯曲半径。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弯曲的轴线由矢量定义。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一组指示还包括指定最弯曲位置的坐标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始缺陷包括一个所述毛坯的弯曲形状。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述一个所述毛坯的弯曲形状是下陷或凹陷形状。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述一个所述毛坯的弯曲形状是凸翘或凸起形状。

9.一种创建表示在金属片成形模拟中使用的毛坯的有限元网格模型的***，其特征在于，所述***包括：

输入输出（I/O）接口;

存储器，用于存储配置成用于金属片成形方法模拟的应用模块的计算机可读代码；

至少一个处理器，所述至少一个处理器耦连所述存储器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的所述计算机可读代码以使得所述应用模块执行以下操作：

定义具有平面几何形状的毛坯的第一有限元网格模型；

接收用于创建所述毛坯的初始缺陷的一组指示；

通过应用所述一组指示，将所述第一有限元网格模型转换成具有所述初始缺陷的第二有限元网格模型；以及

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述一组指示包括指定弯曲的轴线和弯曲半径。

11.根据权利要求10所述的***，其特征在于，所述一组指示还包括指定最弯曲位置的坐标。

12.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述初始缺陷包括一个所述毛坯的弯曲形状。