CN109583078A - 接触力自动加载方法 - Google Patents

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李淑慧
李永丰
王志超
张渤涛
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Abstract

本发明提供一种接触力自动加载方法，包括如下步骤：获得模具的面网格信息；建立成形仿真模型，导入模具的面网格信息，输出模具和板料之间的界面接触力数据；对界面接触力数据件进行处理，建立关键字数据；建立隐式求解模型，导入关键字数据，建立模具强度分析模型，输出求解关键字文件；把关键字数据输入求解关键字文件中，完成接触力施加；补充边界约束，获得模具的机械应力及应变分布。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：成形分析所用的壳单元模具网格是基于结构分析所用的3D模具网格得到，两者具有相同的网格和节点号，因此成形分析计算得到的节点接触力可直接基于节点号施加在3D模具网格的工作面上，避免了映射插值造成的误差。

Description

接触力自动加载方法
技术领域
本发明涉及一种仿真分析中模具和板料间的接触力自动加载方法，可用于模具的强度校核、弹性变形分析、回弹补偿，属于机械制造仿真分析领域。
背景技术
传统冲压模具一般是中空的壳体结构，在十吨甚至数百吨的成形冲击力下会发生不可忽视的弹性变形，严重影响成形件的质量，现有的商用软件很难直接对其进行分析。常用的专业成形软件Dynaform、AutoForm等都是将模具视为刚体，忽略了模具的弹性变形；ABAQUS这类结构分析软件可以分析模具的应力应变，但计算成形过程精度差、效率低。目前常用的仿真方法是建立一个有限元仿真平台，利用专业的成形软件计算模具和板料间的接触力，然后将接触力施加到3D模具实体网格上，利用ABAQUS或ANASYS 对3D实体模具进行结构分析，根据模具的应力应变状态对模具型面、结构进行优化。这种方法综合了成形分析软件和结构分析软件的优点，能有效计算模具的弹性变形。
其中，将成形分析得到的接触力从壳单元网格传递到3D实体网格上，是这种仿真技术的关键，当前的方法是基于形函数或定半径搜索等数学方法在不同网格间进行插值，这些数学处理都会影响映射的精度和效率，无法为模具的分析提供有效的支持。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种能准确、高效地实现了节点接触力在不同网格间的传递的接触力自动加载方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种接触力自动加载方法，包括如下步骤：
步骤1，获得模具的面网格信息；
步骤2，建立成形仿真模型，导入模具的面网格信息，输出模具和板料之间的界面接触力数据；
步骤3，对界面接触力数据件进行处理，建立关键字数据；
步骤4，建立隐式求解模型，导入关键字数据，建立模具强度分析模型，输出求解关键字文件；
步骤5，把关键字数据输入求解关键字文件中，完成接触力施加；
步骤6，补充边界约束，获得模具的机械应力及应变分布。
优选地，步骤1中，对模具进行结构简化并划分实体网格，并提取模具的面网格信息。
优选地，，步骤1中，采用六面体单元、四面体单元或六面体和四面体混合单元划分实体网格。
优选地，步骤1中，对模具的镶块独立划分网格后再将划分的网格进行合并。
优选地，步骤1中，先合并实体模型，然后划分实体网格。
优选地，步骤2中，建立成形仿真模型的步骤中，成形仿真模型的网格信息与模具的面网格信息一致。
优选地，步骤3中，对界面接触力数据件进行处理，提取刚性壳单元上节点的接触力，通过批处理建立关键字数据。
优选地，步骤4中，模具强度分析模型至少包括模具的边界约束条件以及模具材料的弹塑性力学性能。
优选地，关键字数据至少包括节点集和集中力施加关键字。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：成形分析所用的壳单元模具网格是基于结构分析所用的3D模具网格得到，两者具有相同的网格和节点号，因此成形分析计算得到的节点接触力可直接基于节点号施加在3D模具网格的工作面上，避免了映射插值造成的误差。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明接触力自动加载方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明接触力自动加载方法，主要包括以下步骤：
步骤1：对复杂冲压模具凸、凹模等进行结构简化并划分实体网格，并提取凸、凹模型面的面网格。
在步骤1中，可根据冲压模具结构和复杂程度和计算精度的要求确定具体采用六面体单元、四面体单元或六面体和四面体混合单元划分方法，也可以选择对模具镶块独立划分网格后对网格进行合并，也可以先合并实体模型后统一进行网格划分。
步骤2：把步骤1中提取的凸、凹模模型面的面网格导入到专用板料成形分析软件中，建立成形仿真模型进行成形过程分析，并输出模具和板料之间的界面接触力文件。
在步骤2中，选择能够输出界面接触力的专用板料成形分析软件，在建模过程中不要进行网格节点编号重排，要确保网格信息与步骤1中提取的面网格信息一致，导入板料的网格并设置材料本构模型参数、工艺参数、设置输出选项，通过修改dyn文件打开接触力文件输出开关，进行成形过程分析，获得各个时刻接触力信息文件。同样，在步骤4中，导入的实体网格信息也应该与步骤1中的一致，不能随意调整网格信息。
步骤3：对步骤2中的界面接触力文件进行数据处理，提取刚性壳单元上节点的接触力，通过批处理完成节点集的建立和集中力载荷的施加等关键字文件。
在步骤3中，接触力文件中的信息包括板料、凸模、凹模和压边圈上的所有节点力信息，需要通过定位找到对应模具节点上的接触力信息。由于刚性壳单元模具节点编号与实体模具型面的节点编号是一致的。对每个节点建立节点集，节点集数量较多，为了避免混淆，节点集的名称可以直接设置为字母+节点编号的形式，型面上有N个节点就有N个节点集。利用文件批处理对每个节点集建立集中力载荷施加关键字语句，有N个节点集对应就有3*N个集中力载荷的施加语句(x、y、z三个分量各一条语句)。
步骤4：导入步骤1划分的实体网格到通用有限元分析软件，建立静力隐式求解模型，任意施加一组集中力载荷，建立热冲压模具强度分析模型，不计算直接输出求解关键字文件。
在步骤4中，建立的模具强度分析模型应该包括模具的边界约束条件、模具材料的弹塑性力学性能，可以不施加节点集中力载荷，直接输出关键字文件，任意施加一组集中力载荷是为了方便下一步修改关键字的定位操作。
步骤5：分别把步骤3建立的节点集和集中力施加关键字文件拷贝到步骤4中的求解关键字文件中相对应的位置，完成接触力的施加。
在步骤5中，通过名称定位分别找到节点集和集中力施加关键字，把步骤3中节点集的创建和集中力的施加关键字拷贝到定位到的位置替换原来任意添加的一组节点集和集中力载荷关键字。可导入到通用有限元软件中查看接触力施加和分布情况，并分析判断界面接触力施加的可靠性。
步骤6：在步骤5的基础上，补充其他边界约束后利用静力隐式算法进行计算，获得模具的机械应力及应变分布。
以热冲压B柱模具大端为例，将模具和板料间的节点接触力施加在模具上，分析模具在接触力作用下的机械应力，本实例需要用到hypermesh、Dynaform、ABAQUS、EXCEL 等软件，具体步骤如下：
步骤1：利用hypermesh对模具3D数值模型进行几何清理和3D网格划分，然后利用findface命令提取模具工作面的壳单元网格，将3D模具网格和壳单元网格分别以inp文件和k文件的形式导出。
步骤2：将壳单元网格以k文件的形式导入到Dynaform中，根据实际生产工艺建立B柱的热冲压模型，然后导出.dyn文件。打开.dyn文件对其进行修改，添加两行代码，DATABASE_NCFORC表示要输出节点接触力ncforc文件，下面的数字0.05表示每隔0.05s 输出一次节点接触力，时间可以根据具体情况进行更改。
步骤3：ncforc文件中的内容，其中包含的信息有节点号、节点坐标、节点接触力在xyz三个方向的大小。利用EXCEL宏定义为节点号创建节点集，为接触力创建inp文本格式的力加载。整个操作过程就是为节点号创建名为“NF+节点号”的节点集，然后把此节点上的三个方向节点力施加在此节点集上，节点力的定义需要定义力作用的节点集、方向(1，2，3)、力的大小。
步骤4：将包含3D网格信息的inp文件导入到ABAQUS中，设置模具的边界约束条件、材料的弹塑性力学性能，建立一个静力隐式求解模型，在模型中随意施加一个节点集中力载荷，然后利用WriteInput导出inp关键字文件。
步骤5：通过名称定位分别找到节点集关键字Nset和集中力施加关键字Cload，把步骤3中建立的节点集创建和集中力施加关键字拷贝到定位到的位置替换原来任意添加的一组节点集和集中力载荷关键字。
步骤6：将修改后的inp文件导入到ABAQUS中就得到了施加节点接触力后的结构分析模型。将建立好的模型提交运算就可以得到模具在节点接触力作用下的应力应变。后续还可以利用odb结果文件在nCode或fe-safe中计算模具的疲劳强度。
最后，可以根据模具的应力、应变、寿命等云图对模具进行强度校核和回弹补偿分析，并进行结构优化、型面优化。
此方法还可以应用于热成形模具的接触力加载，分析热成形模具在接触力作用下的机械应力应变。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种接触力自动加载方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获得模具的面网格信息；
步骤2，建立成形仿真模型，导入模具的面网格信息，输出模具和板料之间的界面接触力数据；
步骤3，对界面接触力数据件进行处理，建立关键字数据；
步骤4，建立隐式求解模型，导入关键字数据，建立模具强度分析模型，输出求解关键字文件；
步骤5，把关键字数据输入求解关键字文件中，完成接触力施加；
步骤6，补充边界约束，获得模具的机械应力及应变分布。
2.根据权利要求1所述的接触力自动加载方法，其特征在于，步骤1中，对模具进行结构简化并划分实体网格，并提取模具的面网格信息。
3.根据权利要求2所述的接触力自动加载方法，其特征在于，步骤1中，采用六面体单元、四面体单元或六面体和四面体混合单元划分实体网格。
4.根据权利要求2所述的接触力自动加载方法，其特征在于，步骤1中，对模具的镶块独立划分网格后再将划分的网格进行合并。
5.根据权利要求2所述的接触力自动加载方法，其特征在于，步骤1中，先合并实体模型，然后划分实体网格。
6.根据权利要求1所述的接触力自动加载方法，其特征在于，步骤2中，建立成形仿真模型的步骤中，成形仿真模型的网格信息与模具的面网格信息一致。
7.根据权利要求1所述的接触力自动加载方法，其特征在于，步骤3中，对界面接触力数据件进行处理，提取刚性壳单元上节点的接触力，通过批处理建立关键字数据。
8.根据权利要求1所述的接触力自动加载方法，其特征在于，步骤4中，模具强度分析模型至少包括模具的边界约束条件以及模具材料的弹塑性力学性能。
9.根据权利要求1所述的接触力自动加载方法，其特征在于，关键字数据至少包括节点集和集中力施加关键字。
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