MeshFree|结构快速仿真技术助力模具企业数字化转型

摘要

   在当今快速发展的信息化时代，数字化与信息化已成为推动企业转型升级、提高生产效率与产品质量的重要手段。而仿真分析技术作为数字化转型的得力助手，发挥着四大作用：推动创新、提升团队效率、降低成本、提高中标率以此提高企业竞争力。

0.引言：

   结构仿真技术在模具研发过程中具有重要的意义，但传统的有限元仿真分析中为建立合理的有限元模型需要耗费大量的时间成本，不利于产品方案的快速迭代优化。如何通过提高前处理的效率实现结构快速仿真，是缩短整个结构仿真周期的关键，也是目前工程领域迫切解决的问题。

1.结构快速仿真的需求

    目前产品研发的复杂度越来越高，对功能性能的要求也越来越严，因此研制过程的时间跨度会较长，一般会经历方案论证、初步设计、详细设计、试验验证等过程。在产品设计方案的不断细化与迭代过程中，一般会开展多轮次的仿真分析，确保在设计阶段就对设备的各项性能进行充分验证。但是传统的有限元分析方法需要花费大量的时间精力建立合适的有限元模型，一旦设计方案发生了变动，就需要进行重新建模，造成人力、物力以及时间的极大浪费。在产品研制初期，是设计方案迭代频率最快、次数最多的阶段，仿真分析耗费过长时间势必会影响整个产品的研制进展。通过早期的快速仿真迭代驱动结构设计的不断优化改进，这个阶段不必过分拘泥于仿真结果的高精度要求，快速获取的仿真结果可以对设计的合理性进行验证，同时对产品的结构性能进行初步评估即可。因此，在方案尚未收敛、结构存在颠覆性变化、设计需要不断更新细化的产品研制初期，需要比传统的有限元仿真方法更为节省时间的结构快速仿真技术，利用更快更短的分析流程，加速设计方案的迭代优化，有效提高产品的研制效率，同时降低人力物力成本。

2.基于隐式边界法的结构快速仿真技术

2.1 隐式边界法的思想

   MeshFree用的是隐式边界法,如图1所示的求解问题，首先在分析对象上生成结构化网格，其单元非常的规则。

这些单元可以分为3 大类

   第一种是完全在分析对象内部的，图1中粉红色线框部分，称为内部单元，内部单元形成的刚度矩阵与有限单元法一致。

   第二种是在分析对象边界上的，称为边界单元。边界单元又可以分两种,一种是含有位移边界条件的，图1中绿色线框部分，此时，用于描述边界的隐式函数对刚度矩阵的影响不可忽略，通过对单元边界的精确积分得到单元刚度矩阵；另外一种是不含位移边界条件的，图1中蓝色线框部分，这类单元被分为有材料和无材料两部分，通过调整高斯积分点的权重系数和高斯积分点的位置来实现单元刚度矩阵的计算。 

   第三种是完全在分析对象外部的，叫外部单元，图1中紫色线框部分，实际上它不需要计算。

   计算每个单元的刚度矩阵以及荷载向量，并进行组装，最后求解线性代数方程组得到结果。MeshFree所采用的方法与有限单元法是很类似的，所以它的计算精度是有保障的。

    这种数值方法的特点就是程序会自动生成结构化网格，从而无需进行网格划分。分析时，只需导入几何模型，赋予材料，添加荷载和边界条件就可以进行分析，省去了传统有限元分析当中繁琐的前处理过程。

   采用隐式边界法的midas MeshFree学习成本低，上手容易，非常适合产品设计工程师使用。

3.快速仿真在模具领域中的应用

    随着科技发展，定制化成为制造业未来的趋势，这就要求工程师开发新技术以缩短研发时间，模具工程师们也同样试图通过消除额外的校正工序来缩短模具开发时间。通常在结构分析中，为了简化工程上的困难，将模具考虑为刚体。但实际上，面板成型力会在模具形状面上引发接触压力，其压力会导致模具发生弹性变形。这是阻碍模具工程师预测模具变形性的主要原因。

   由于该模具变形，在金工后必须进行额外的回弹分析和手工操作。为了缩短这一额外的过程，必须准确预测模具在哪里变形的程度。计算出准确的校正量，并在模具设计阶段反映出来。以前的研究提出了多种方法来估计变形，并证明了成型-结构-耦合分析的效果，降低了模具制造成本，提高了生产效率，通过将成型分析与结构分析耦合，准确预测了挡板的回弹。Haufe、Pilthammar等人生成了高密度的网格，并将实体网格和几何面网格插值，执行了耦合分析。如图3所示。

    尽管有了这些先进的研究，耦合分析过程似乎仍然需要相当长的时间，由此判断模具设计者在预测模具变形性方面会有很大困难。为了让模具设计师能够快速轻松地预测变形，用Auto Form和midas MeshFree构建快速联动分析流程。

3.1数据兼容性

   为了将Auto Form和midas MeshFree联动起来，需要检查数据兼容性。以下是Auto Form的接触压力和坐标轴从midas MeshFree转换为可用形式。

3.2接触压力

   Auto Form和midas MeshFree使用不同类型的网格。Auto Form使用四面体网格，而midas MeshFree使用一定间距的六面体网格。为了将Auto Form每个节点的信息1:1准确地对应于midas MeshFree中，需要进行数据上转换。图4简单说明了进行数据转换的几个步骤，第一步是将Auto Form中各单元的代表应力均分每个节点。每个节点的总应力通过添加上从从相邻壳体中分割出来的其他应力而获得。下一步，总节点应力应相对于全局坐标系进行转换，然后，从Auto Form提取的每个节点信息将通过最近的Lin法进行插值，并输入到距离midas MeshFree最近的网格节点（图4中的虚线矩形部分）。最后，每个节点的接触压力映射到midas MeshFree上。

图4节点信息转换

3.3坐标轴

   为了联动两个软件，两个软件的坐标轴必须相同。但正如图5所示，两个坐标轴完全不同。Auto Form基于整车的车线(car line)为基准轴，midas MeshFree基于压力中心轴为坐标。本案例车线转换为压力中心线。

4.模具变形分析

4.1 成型分析

将影响分析结果的条件显示表1和表2中：

   通过数据转换的接触压力施加到模具几何面上，此外，假设模具底部完全固定在如图6所示的压柱上，该结构以线性静力工况分析，使用了20毫米大小的独立于几何形状的网格，如图7所示。预计模具零件不会影响分析结果，为了简化接触条件，所有模具零件都被排除在分析模型之外

5.结果

5.1分析结果

    图8显示FRT DR OTR面板模具的变形分析结果。冲孔几何面的中部变形最大0.2mm，其余几何部分分布在0.1mm至0.15mm之间。从该解释得到的结果与实际模具中测量的变形量类似。在目前的工作中，大多数情况下，模具工程师都会依靠试错来决定补正值。到目前为止，DR OTR面板上应用的校准值从0.2毫米到最多0.3毫米。这与我们通过这一分析得出的结果相近。

5.2分析所需时间

图9变形分析总时间

      模具变形分析过程分为四个步骤。如图9所示，执行整个过程需要4小时15分钟。使用图7独立于几何形状的背景网格，可以将预处理和网格创建所需的时间缩短95%。整体上，与以往的方法相比，这一分析所需的时间可以缩短85%

5.3变形分析过程

   像图10这样的过去的方法优化成图11这样的方法。过去需要单独的模具变形分析步骤，这需要相当长的时间(图10中是浅灰色部分)。在图11等新流程中，通过删除扭曲网格可以提高变形预测的准确度，并可以缩短相当一部分分析时间。成型分析部分在成型分析阶段判断接触压力，并将信息发送到模具设计部分。模具变形分布反映在布局加工阶段的校准分析中，最终，布局校准反映在模具设计校准阶段的三维图形中。

6.总结

    本文将成型-结构-耦合分析应用到冲压模具中，最终得到了模具变形分布的分析结果。结果显示，这与实际模具中测量的值类似。另外，证明了提出的模具变形分析方法论带来了所需时间的相当大的减少。根据这一分析的结果，制定了可以同时进行模具设计和变形分析的流程。改进后的流程可以在没有特定专业知识的情况下在模具设计工作中实际应用，特别是在模具制造企业需要快速、准确的分析，但如果很难聘请分析专家，这将是一种经济高效的方法。

7.未来发展趋势  

    随着技术的不断进步，数字化仿真技术将呈现高度集成化、用户界面更加友好、云计算利用和多物理场仿真等发展趋势。与先进的传感技术和人工智能技术结合，仿真技术将更加智能化和自动化，为企业的数字化转型提供更加强大的支持。

   综上所述，数字化、信息化、仿真分析与CAE技术在推动现代工业创新中发挥着至关重要的作用。它们不仅提高了产品设计的效率和精度，降低了研发成本，还为企业赢得了市场竞争优势。随着技术的不断发展，这些技术将在更多领域得到广泛应用，为企业的数字化转型和可持续发展提供强大动力。