CN108694267B - 在包括回弹补偿的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的***和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的***和方法。生成表示工具组的初始几何形状的计算机模具面模型，以将片状金属工件成型为部件的期望几何形状。执行数值模拟的深冲压操作、可选的修剪操作和回弹效应，以获得部件的试验几何形状。获得试验几何形状与期望几何形状之间的偏差。当偏差在公差之外时，根据工具组的修改的几何形状重新生成计算机模具面模型，工具组的修改的几何形状包括从回弹导致的偏差得到的回弹补偿的估计量、以及节点调整方案，以确保沿着边界线的模型一致性。迭代获得工具组的最终修改的几何形状。

Description

在包括回弹补偿的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的***和方法
技术领域
本发明涉及片状金属成型操作的数值模拟，更具体地涉及在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的***和方法。
背景技术
多年来，片状金属成型已经在行业中用于由毛胚片状金属制造金属部件，例如，汽车制造商及其供应商使用片状金属成型生产许多部件。
最常用的片状金属成型工艺之一是深冲压，其涉及液压、机械或伺服压力机，该压力机将特殊形状的冲头推入匹配的模具(即，工具组的一部分)，一片毛胚片状金属(即，工件)位于中间。由此工艺制成的示例性产品包括但不限于汽车引擎盖、挡泥板、车门、汽车油箱、厨房水槽、铝罐等。
在深冲压工艺结束时，产品表面包含片状金属部件的期望图案/形状。在深冲压操作过程中，夹具用于保持工件。工件经过工具组(即，冲头和匹配的模具)成型后，如果要求的话，沿着修剪线切除工件的不需要部分。沿产品表面周边的任何修剪线都成为边界线。在这一点上，工件经历了一种被称为回弹到永久变形的几何形状的现象或效应。这种回弹效应包括弹性变形被释放而塑性变形保留的物理现象。为了合适和经济地生产出期望的几何形状的部件，设计工具组是非常重要的，该工具组的配置使得可以在没有进一步修改的情况下生产部件。
为了实现回弹的补偿，通常要求片状金属工件的过度弯曲。现有技术方法是修改物理模具的试错法。采用计算机辅助工程，这种试错法的数值模拟已被使用。但是，迭代地修改工具组的自动化数值模拟存在一些问题。例如，在某些情况下，由于工具组的计算机生成模型中尤其是沿着边界线的误差，在数值模拟中不能获得收敛。因此，期望在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中，有设计工具组几何形状的改进方法。
发明内容
公开了在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的***和方法。根据本公开的一方面，改进的方法包括如下步骤或动作或操作：
(A)生成计算机模具面模型，所述计算机模具面模型表示用于将片状金属工件成型为部件的工具组的初始几何形状，所述计算机模具面模型包含由多个刚性元素连接的多个节点；
(B)执行数值模拟的深冲压操作，以利用所述计算机模具面模型，根据所述工具组的当前几何形状使所述片状金属工件数值变形；
(C)如果要求的话，执行数值模拟的修剪操作，以修剪变形的片状金属工件的不需要部分；
(D)执行数值回弹模拟以获得部件的试验几何形状，试验几何形状包括变形片状金属工件或修剪的变形片状金属工件(如果要求修剪操作)的回弹效应；
(E)通过比较试验几何形状与部件的期望几何形状，来确定由于回弹造成的偏差；
(F)当由于回弹引起的偏差位于预定公差范围之外时，基于工具组的修改的几何形状重新生成计算机模具面模型，所述工具组的修改的几何形状包括从偏差得到的回弹补偿的估计量、以及节点调整方案，以确保沿着部件的边界线的模型一致性；以及
(G)重复动作(B)-(F)，除非由于回弹引起的偏差位于预定公差范围内。
根据另一方面，一种示例性节点调整方案包括：基于紧密接近标准，移动被确定为紧密接近边界线的现有节点，以与所述边界线对齐；在边界线和刚性元素的边缘之间的每个交点处添加新节点；并分割由任何一条边界线划分的每个刚性元素。
根据又一个方面，一种示例性紧密接近标准包括：计算现有节点与边界线之间的参考距离；确定现有节点和所有相邻节点之间的最短尺寸；并且当所述参考距离小于所述最短尺寸的预定义百分比时，指定所述现有节点位于所述边界线的紧密接近范围内。
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。
附图说明
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：
图1A是根据本发明实施例的在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的示例性过程的流程图；
图1B是根据本发明实施例的节点调整方案的示例性过程的流程图；
图1C是根据本发明实施例的紧密接近标准的示例性过程的流程图；
图2是根据本发明实施例的冲压模具的示例性设置的横截面轮廓的简化正视图，该冲压模具用于深冲压制造片状金属部件；
图3A-3B是根据本发明的一个实施例的示例性回弹效应和回弹补偿的横截面轮廓的示意图；
图4A是根据本发明的实施例的示例性片状金属成型的简化俯视平面图、以及金属成型操作(包括修剪操作)之后的工具组之间的片状金属工件的横截面图；
图4B是根据本发明实施例的另一个示例性片状金属成型的简化俯视平面图、以及金属成型操作之后的工具组之间的片状金属工件的横截面图；
图5A-5C是根据本发明实施例的在重新生成计算机模具面模型中使用以确保模型一致性的示例性节点调整方案的示意图；
图6A-6B是根据本发明实施例的示例性节点调整方案的示意图；
图7A-7F是根据本发明另一实施例的节点被添加到特定边界线和刚性元素的边缘之间的交集之后的示例性元素分割方案的示意图；以及
图8是计算机***的主要组件的功能示意图，本发明的实施例可在该计算机***中实施。
具体实施方式
本文所用的术语“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“右”、“左”、“前”、“后”、“后”、“侧”、“中间”、“向上”和“向下”旨在提供用于描述目的的相对位置，并且不旨在指定绝对参照系。
本发明涉及一种创建表示工艺补充面部分的计算机数值模型的改进方法，该计算机数值模型适合于使用计算机辅助工程分析(例如，有限元分析)的片状金属成型工艺的计算机模拟。
首先参考图1A，示出了在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的示例性过程100。过程100可以在软件中实施，并且优选地参照其他附图理解。
过程100在动作102处开始，采用安装在计算机***(例如，图8的计算机800)上的应用模块(例如，有限元分析模块)，根据预定义的金属成型过程，生成计算机模具面模型，该计算机模具面模型表示工具组的初始几何形状，该工具组将片状金属工件成型为具有期望几何形状的部件。
初始几何形状可以是所期望的几何形状，这是给定的信息(例如，来自用户的应用模块的输入)。初始的几何形状也可以是不同的几何形状，包括基于现有的经验、专业知识等进行的一定量的回弹补偿。计算机模具面模型表示与片状金属工件相比而言相对刚性的工具组。其结果是，计算机模具面模型包含由多个刚性元素的连接的多个节点，刚性元素可以是三角形元素和/或四边形元素。由于工具组的刚性性质，计算机模具面模型不需要被改善(refine)。
接下来，在动作104，执行数值模拟的深冲压操作。该数值模拟根据计算机模具面模型(即，工具组)的当前几何形状，使片状金属毛胚(即，任何变形之前的工件)变形。值得注意的是，当前的几何形状是过程100的第一次迭代中的初始几何形状。因此，片状金属工件是在深冲压操作结束时变形至计算机模具面模型的当前几何形状。
在动作106，如果要求，数值模拟可选的修剪操作，以移除变形的片状金属工件的不希望的部分。该修剪操作剪掉沿至少一条修剪线的不希望的部分。沿部件周围的任何修剪线变成边界线。
在动作107，执行回弹的数值模拟，以获得该部件的试验几何形状。试验几何形状包括变形片状金属工件或修剪的变形片状金属工件(如果要求修剪操作)的回弹效应。
为了理解金属成型操作，图2示出了深冲压操作的示例性设置的横截面的正视图。毛胚片状金属220(即，成型为工件之前的未变形片状金属板)放置在上模腔210和冲头230之间的毛胚夹持器208上。当模具210沿着冲压轴线的方向(如箭头240所示)被向下推到冲头230时，片状金属工件220成型为部件。模具210具有产品设计部分202、压料面(binder)部分206a-b和工艺补充面(addendum)部分204a-b。将工艺补充面部分204a-b与产品设计表面部分202之间的边界称为边界线203a-b，而工艺补充面部分204a-b与压料面部分206a-b之间的直接相交称为理论分模线205a-b。如果要求修剪操作去移除工件的不需要部分，会沿着所有的修剪线修剪工件。沿着部件周围的任何修剪线都变成边界线。
图3A示出了片状金属工件的轮廓被成型为工具组的几何形状302(例如，初始几何形状)的正视图。在工具组被释放并且沿着修剪线308修剪掉不需要的部分304之后，变形的几何形状312显示了回弹效应(如旋转318所示)。如果几何形状302是期望的几何形状，则必须修改工具组的几何形状以补偿回弹。如图3B所示，修改的几何形状被成型，该几何形状包括估计的回弹补偿322，并且沿着修剪线328修剪掉不需要的部分324。在回弹338之后得到变形的几何形状322。只有在要求修剪操作时才执行修剪操作。在另一个实施例中，不存在不需要的部分304、324，因此没有修剪线308、328。
回到图1A，测试108确定变形的几何形状与期望的几何形状的偏差是否在预定公差范围内。当测试108为否时，过程100移动到动作110，以基于修改的几何形状重新生成计算机模具面模型，该修改的几何形状包括估计量的回弹补偿，该估计量的回弹补偿从试验几何形状与期望几何形状之间的偏差得到。在一个实施例中，所估计的回弹补偿可以包含当前偏差的一部分或全部负值。此外，计算机模具面模型的重新生成包括用于确保沿着边界的模型一致性的节点调整方案。接下来，过程100在“是”分支之后重复动作104-107和测试108，直到测试108变为是。过程100在“否”分支之后结束。
图4A示出了片状金属工件400的简化平面图。产品表面410位于边界线408内。在截面图A-A中，其示出了模具401和匹配的冲头402，修剪的工件403位于两者之间。工件403的自由边缘405沿着边界线408，如果要求修剪操作，则边界线408可以是修剪线。没有修剪操作的另一个例子在图4B中示出。片状金属工件430是具有边界线428的产品表面。在截面图B-B中，示出了模具421和匹配的冲头422，工件423位于两者之间。工件430的自由边缘425沿着边界线428。
在某些情况下，当在动作110中重新生成计算机模具面模型时，计算机模具面模型不与自由边缘505一致，如图5A所示。采用移动现有节点511、使其沿着边界线与自由边缘对准的节点调整方案，确保了自由边缘的一致性，如图5B所示。在另一个实施例中，模型一致性通过在边界线和刚性元素的边缘之间的交点处添加节点515来实现，如图5C所示。
图1B示出了示例性的节点调整方案130，其从动作132开始，移动被确定紧密接近边界线的现有节点，以与边界线对准。紧密接近确定标准在图1C和图6A中描述。
图6A是描绘与边界线610的特定分段(segment)相交的四个示例性刚性四边形元素611-614的示意图。图1C的示例性紧密接近确定标准150开始于动作152。计算任何感兴趣的节点(例如，刚性元素611的角节点622)与边界线610之间的参考距离630。例如，测量感兴趣的节点622与其垂直于边界线610的投影位置624之间的参考距离630。接下来，在动作154处，确定感兴趣的节点622与刚性元素611-614的所有相邻节点620a-620d之间的最短尺寸，刚性元素611-614由感兴趣的节点622定义。在图6A所示的例子中，最短尺寸在节点622和620b之间。在动作156处，当参考距离630小于最短尺寸的预定义百分比时，感兴趣的节点622被指定为紧密邻近边界线610。一个示例性的预定义百分比被设置为25％。
一旦确定节点紧密邻近边界线，节点移动到与边界线对齐，例如节点622移动到边界线610上的垂直投影位置624。节点调整之后的修改的刚性元素611-614在6B中示出。
回头参考图1B，接下来在动作134处，在动作132的节点调整之后，将新节点添加到计算机模具面模型中的刚性元素的相交处和各个边缘处。然后，在动作136处，根据元素分割方案，通过分割具有添加的一个或多个节点的每一个刚性元素，来更新计算机模具面模型。图7A-7F中示出了示例性的元素分割方案。
在图7A中，边界线718将第一刚性四边形元素710分割成两个三角形元素711-712。在图7B中，边界线728将第二刚性四边形元素分割成两个四边形元素721-722。在图7C中，边界线738将第三刚性四边形元素730和两个附加的内部线被分割成四个三角形元素731-734。在图7D中，边界线748将第四刚性四边形元素740分割成一个三角形元素741和四边形元素742。
在图7E中，边界线758将第一三角形刚性元素750分割成两个三角形元素751-752。在图7F中，边界线768将第二三角形刚性元素760分割成三角形元素761和四边形元素762。
节点调整方案在计算机模具面模型的第一次重新生成中仅应用一次。一旦被调整，模型将在沿着边界线的自由边上适应所有进一步的迭代。
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***800的例子在图8中示出。计算机***800包括一个或多个处理器，例如处理器804。处理器804连接到计算机***内部通信总线802。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***800还包括主存储器808，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器810。辅助存储器810包括例如一个或多个硬盘驱动器812和/或一个或多个可移除存储驱动器814，它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除存储驱动器814用已知的方式从可移除存储单元818中读取和/或向可移除存储单元818中写入。可移除存储单元818代表可以由可移除存储驱动器814读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元818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810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***800。这样的机制包括例如可移除存储单元822和接口820。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)、可移除存储芯片(例如可擦除可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移除存储单元822和允许软件和数据从可移除存储单元822传递到计算机***800的接口820。通常，计算机***800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802的通信接口824。通信接口824允许软件和数据在计算机***800和外部设备之间传递。通信接口824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824传输的软件和数据是以信号828的形式，其可以是能够被通信接口824接收的电子，电磁，光学或其他信号。计算机800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824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824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800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，例如可移除存储驱动器814和/或设置在硬盘驱动器812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***800的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。
计算机***800还包括输入/输出(I/O)接口830，它使得计算机***800能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪、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806存储在主存储器808和/或辅助存储器810中。也可通过通信接口824接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机***800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804执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机***800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，并可使用可移除存储驱动器814、硬盘驱动器812、或者通信接口824加载到计算机***800中。应用模块806被处理器804执行时，使得处理器804执行如在此所述的本发明的功能。
主存储器808可被加载有一个或多个应用模块806，所述应用模块806可被一个或多个处理器804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830输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器804执行一个应用模块806时，结果被计算并存储在辅助存储器810(也就是，硬盘驱动器812)中。片状金属成型过程的计算机模拟的状态(例如，有限元分析结果)以文字或者图形表示通过I/O接口830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，尽管已经使用了许多简化的图，但是这些简化的图仅用于说明。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所附的权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的方法，其特征在于，包括：
(A)采用其上安装有应用模块的计算机***，生成计算机模具面模型，所述计算机模具面模型表示用于将片状金属工件成型为部件的工具组的初始几何形状，所述计算机模具面模型包含由多个刚性元素连接的多个节点；
(B)采用所述应用模块执行数值模拟的深冲压操作，以利用所述计算机模具面模型，根据所述工具组的当前几何形状使所述片状金属工件数值变形；
(C)如果要求的话，采用所述应用模块执行数值模拟的修剪操作，以修剪变形的片状金属工件的不需要部分；
(D)采用所述应用模块执行数值回弹模拟，以获得部件的试验几何形状，所述试验几何形状包括变形片状金属工件的回弹效应，或者，如果要求修剪操作，包括修剪的变形片状金属工件的回弹效应；
(E)采用所述应用模块，通过比较所述试验几何形状与所述部件的期望几何形状，来确定由于回弹造成的偏差；
(F)当由于回弹引起的所述偏差位于预定公差范围之外时，采用所述应用模块，基于工具组的修改的几何形状重新生成所述计算机模具面模型，所述工具组的修改的几何形状包括从偏差得到的回弹补偿的估计量、以及节点调整方案，以确保沿着部件的边界线的模型一致性；以及
(G)重复动作(B)-(F)，除非由于回弹引起的偏差位于预定公差范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回弹补偿的估计量包括由于回弹引起的偏差量的相反量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点调整方案包括基于紧密邻近标准、移动被确定为紧密邻近所述边界线的现有节点，以与所述边界线对齐。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述紧密邻近标准包括：
计算现有节点与边界线之间的参考距离；
确定现有节点和所有相邻节点之间的最短尺寸；以及
当参考距离小于最短尺寸的预定义百分比时，指定所述现有节点位于所述边界线的紧密邻近范围内。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述节点调整方案进一步包括在所述边界线与刚性元素的边缘之间的每个相交处添加新的节点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述节点调整方案进一步包括分割由所述边界线分开的每个刚性元素。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始几何形状包括所述部件的期望几何形状。
8.一种在包括回弹补偿效应的片状金属成型操作的数值模拟中设计工具组的几何形状的***，其特征在于，包括：
输入/输出(I/O)接口；
存储器，用于存储至少一个应用模块的计算机可读代码；
连接到所述存储器的至少一个处理器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的所述计算机可读代码，使所述至少一个应用模块执行以下操作：
(A)生成计算机模具面模型，所述计算机模具面模型表示用于将片状金属工件成型为部件的工具组的初始几何形状，所述计算机模具面模型包含由多个刚性元素连接的多个节点；
(B)执行数值模拟的深冲压操作，以利用所述计算机模具面模型，根据所述工具组的当前几何形状使所述片状金属工件数值变形；
(C)如果要求的话，执行数值模拟的修剪操作，以修剪变形的片状金属工件的不需要部分；
(D)执行数值回弹模拟以获得所述部件的试验几何形状，所述试验几何形状包括变形的片状金属工件的回弹效应，或者，如果要求修剪操作，包括修剪的变形片状金属工件的回弹效应；
(E)通过比较试验几何形状与部件的期望几何形状，来确定由于回弹造成的偏差；
(F)当由于回弹引起的偏差位于预定公差范围之外时，基于工具组的修改的几何形状重新生成计算机模具面模型，所述工具组的修改的几何形状包括从偏差得到的回弹补偿的估计量、以及节点调整方案，以确保沿着部件的边界线的模型一致性；以及
(G)重复动作(B)-(F)，除非由于回弹引起的偏差位于预定公差范围内。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述回弹补偿的估计量包括由于回弹引起的偏差量的相反量。
10.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述节点调整方案包括基于紧密邻近标准、移动被确定为紧密邻近所述边界线的现有节点，以与所述边界线对齐。
11.根据权利要求10所述的***，其特征在于，所述紧密邻近标准包括：
计算现有节点与边界线之间的参考距离；
确定现有节点和所有相邻节点之间的最短尺寸；以及
当参考距离小于最短尺寸的预定义百分比时，指定所述现有节点位于所述边界线的紧密邻近范围内。
12.根据权利要求10所述的***，其特征在于，所述节点调整方案进一步包括在所述边界线与刚性元素的边缘之间的每个相交处添加新的节点。
13.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述节点调整方案进一步包括分割由所述边界线分开的每个刚性元素。
14.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述初始几何形状包括所述部件的期望几何形状。
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