基于 CAE 的冲压模具变形分析及其案例

本贴将涵盖以下主题。首先，将讨论实际压力机中可能出现的现象，接着举例说明模具变形分析；然后将解释模具变形分析的障碍，最后介绍基于 JSTAMP 软件的模具变形分析的功能。（图一）

首先，让我们再次考虑一个大家可能已经非常了解，但在实际冲压过程中会出现的现象。在使用薄板材料进行冲压成形时，成形过程中会对模具施加很大的载荷。这个力非常大，有时可达几百吨。同时，模具还受到来自板材的反作用力、这导致模具在板成形过程中和在下死点位置时发生变形。

模具变形会导致上下模具之间的间隙、表面压力以及模具与板材的接触方式与设计时所假设的不同。此外，材料流入量和板材形状也会发生变化、这会影响最终板材的精度和质量。然而，在一般的金属板材成形分析中，模具被视为不变形的物体，称为刚体，这样做的原因是为了限制计算时间的增加和建模的复杂性。

因此，无法考虑由于模具的变形和形状变化的影响而导致的流入量、这就造成了与实际现象的脱节。矛盾的是，为了进一步提高钣金成形分析的精度，有必要进行考虑挠曲效应即模具变形量的分析。（图二）


下面是一个将模具变形分析应用于前地板面板中心零件的例子。该零件由 590 MPA 的高强度钢材料制成，零件几何形状和模具结构如幻灯片所示。在本案例研究中，评估了是否考虑模具变形对回弹精度的影响。下面是回弹结果与实际几何形状的比较。在幻灯片上的图表中，CASE 0 是未考虑变形的回弹结果，CASE 1 和 2 是考虑了变形的回弹结果。从图中可以看出，与刚性模具模型相比，考虑模具变形后，0.5 毫米以内的形状匹配率提高了 2 倍。（图三 图四）


迄今为止，通过考虑模具变形，可以确定流入量的差异和板材精度的提高。然而，进行模具变形分析通常会遇到一些障碍。下面将对这些障碍进行解释。幻灯片显示了目前进行模具变形分析时面临的主要问题。

首先是创建模具的四面体网格。由于要对大型复杂结构进行网格划分，网格划分过程通常需要大量的手动修改时间，包括删除 CAD 微小面和修改单元的几何形状。其次，需要高级建模技能。分配边界条件，例如为缓冲销分配载荷或在复杂的实体结构中定义接触点，需要掌握操作通用前处理软件的高级技能。第三，单元的数量过多，相关计算时间大幅增加。通常，在进行考虑变形的冲压成形分析时，为了再现坯料形状，会在模具表面使用密集的实体网格，这可能导致整个模型的分析规模超过 100 万个单元。与刚性模具分析相比，在这种模型规模上进行分析会大大增加计算时间。因此，可以通过进行模具变形分析来减少与实际现象的偏差，但这大大增加了分析模型创建的难度。（图五）


因此，JSOL 开发了强耦合模具变形分析功能，以解决前面所述的模具变形分析的问题。通过该功能，可以轻松创建传统上难以创建的模具变形分析模型。下面着重介绍代表强耦合模具变形分析功能的四个主要功能：

首先是全自动网格划分器。
为了应对大型复杂模具结构的网格划分，该功能包括一个网格划分器，可以全自动完成从 CAD 修改到网格创建和修改的所有工作。这样就省去了传统的手工操作过程，如 CAD 微小面的修改和网格修改，从而大大减少了工时。

第二个是专用的设置功能。
专门开发的设置功能可支持复杂模具结构的边界条件设置，如载荷、接触条件和螺栓约束。这样就可以建立复杂模具结构的模型，而无需传统的高级建模技能。

第三是 JSTAMP 独特的模型结构简化方法。
通过在非工作材料接触计算和模具变形计算中使用不同的粗网格模具结构模型和密网格的模具表面模型进行耦合，可以显著减少单元数量，缩短计算时间。

第四个是多功能前处理器。
首先，前处理器具有类似 CAD 的图形用户界面和可操作性，操作直观。前处理器还配备了许多有用的功能，如横截面显示、ANSYS LS-DYNA 关键字编辑和上、下死点位置预览功能，以支持用户方便快捷地建立模具变形分析的模型。（图六）


现在我们来看看基于 JSTAMP 软件的强耦合模具变形分析功能的整体性能。性能方面的显著特点是模型构建和网格划分时间大幅减少。对于幻灯片右侧所示的翼子板部件的模具结构、本幻灯片比较了强耦合模具变形分析功能与通用前处理器的边界条件设置时间和网格划分时间。
从图中可以看出，使用强耦合模具变形分析功能可以将所需的工时从一天减少到 30 分钟以内。（图七）


本幻灯片展示了使用该功能的流程。该功能以刚体壳模型为基准进行建模。具体的流程如下：首先，创建基准壳单元模具模型。然后，基于该模型，进行模具结构部件 CAD 数据的导入、网格划分，创建与基准模型结合的耦合模型，并转换基准模型的边界条件等，从而创建用于模具变形分析的输入文件。最后，使用创建的输入文件进行分析，在 JSTAMP 3G 后处理软件中读取得到的分析结果，评估模具的变形量和模具应力状态。（图八）