应用LSDYNA进行薄板成形仿真.ppt

应用LS-DYNA进行薄板成形仿真,高级培训,主要内容薄板成形工艺和术语薄板成形仿真的准备工作前处理阶段的工作仿真分析结果及其用途输入文件的常用模板其它常见的问题及处理方法建议的参考资料,薄板成形工艺及术语,说明：请参看 DYNAFORM APPLICATION MANUAL,成形工艺包括拉延（DRAW）切边（TRIM）翻边（FLANGE）,拉延 正拉延(toggle)反拉延(inverted)压边(binder wrap)拉延筋(draw bead)回弹（spring back）,程序中使用的重要术语,减薄（thinning）拉裂(fracture)起皱(wrinkle)成形极限图(FLD),薄板成形工艺及术语,正拉延：,第一个动作-上压边圈闭合，压紧板料。上压边圈固定于外上方的支架，由固定压力控制，通过压力调整可以减小或增大固定压力。压边圈闭合时，不对板料做下垂控制或反吹。,第二个动作-上凸模将板料拉延成形。上凸模固定于内压头，将板料从压边圈下拖进凹模型腔。下凹模是实心的并固定不动，,反拉延,第一个动作上压边圈闭合以紧固板料并置拉延筋。板料由下凸模支撑以得到一个好的外形。当压边圈闭合时，与正拉延相比，对板料做下垂控制和反吹。,第二个动作-上压边圈压紧下压边圈，从而使板料绕凸模拉伸。该动作的目的在于用拉延筋将板料固定于压边圈之间，防止板料移动。所有外凸形状均在该动作内实现。,第三个动作-上凹模闭合，对板料做二次拉伸，并拉延出最终的制件形状。与常规拉延或拉伸成形相比，反拉延多出一个动作。并非所有的零件都适于反拉延,成形极限图,成形极限图,通常的获得的方法：大量实验,DYNAFORM的FLD图取自经验公式：,如何制作FLD,以上公式确定极限图的最低点。,板料紧贴模具形状成形。然而，成形(切边)结束后，将工件从模具中取出时，其形状会发生变化，这种形状的变化称之为“回弹”。回弹现象随材料屈服应力、模具间隙、弯曲半径的增大而显著，随材料厚度的增加而减弱。在模具设计过程中必须考虑回弹因素，这样工件的最终形状才能满足外观的设计要求及装配要求。不同材料的回弹程度也不同。,回 弹,影响工件总体回弹的两个组成部分是：弹性回弹 冲压成形中的弹性变形，主要是由于凹凸模之间的间隙比板料厚度大的缘故。回弹角可能会很大，这将导致严重的形状偏差。屈服应力、模具间隙、板料厚度都是影响弹性回弹的重要因素。塑性回弹塑性变形区残余应力的释放导致应征偏差与回弹现象。影响塑性回弹的主要因素是应力和板料厚度。“二次弯曲”或所谓的“整形”成形，是消除简单工件回弹的常用方法。,回弹示意图,回弹的计算,LS-NIKE求解：输入文件 nikin;LS940以前,LS-DYNA隐式求解器：与拉延同在一个文件中（seamless switch solving）,回弹量：任意节点在拉延构形和回弹构形中的位移。Resultant displacement plot.回弹方向：由原构形指向新构形.displacement vector plot.,薄板成形仿真的准备工作,-板料的材料,应变的选择？（工程、真实）各向异性？（正交、纵向）屈服准则？（与各向异性性质相关）硬化准则？（曲线、幂指数、多项式）应变率效应？（是否明显？）选择LS-DYNA何种材料本构？,*mat_3-parameter_barlat*mat_transversely_anisotropic_elastic_plastic*mat_fld_anisotropic,薄板成形仿真的准备工作,-板料的材料,1.试验 单向拉伸2.获得应力应变曲线3.拟和选定的LS-DYNA本构参数,？由产品商提供,？完全由试验测得,常用的方法：,薄板成形仿真的准备工作,Springback 分析中的材料?,-板料的材料,薄板成形仿真的准备工作,-摩擦系数,摩擦性能试验 装置（？国内用户）能够充分反映操作过程中的涂油条件 结构简单 精确控制主要参数 与模拟结果拟和,薄板成形仿真的准备工作,-拉延筋单位长度的阻力,*contact_drawbeadLCIDRF:确定板料在拉延筋弯曲展直变形的阻力,Fbending=B()LCIDNF:确定板料在下压过程中的法向力,Fnormal=N(),据此确定摩擦力,Ffriction=Fnormal,拉延筋阻力F=Ffriction+Fbending,薄板成形仿真的准备工作,-拉延筋单位长度的阻力,如何确定两条曲线？1.DBFP？2.建立自己的数据库 试验装置 不同形式的拉延筋 如何拟和试验与仿真的结果,薄板成形仿真的准备工作,-压机参数,压机的类型，模具结构压边力 or 压边间隙行程曲线（速度-时间）,前处理阶段,-几何模型的读入,几何模型最好为IGES 带工艺补充部分 标明切边线对局部的修改 分析模型较CAD/CAM精度高 对丢失、缝隙、形态差的曲面进行修复 减少划网格的工作量,前处理阶段,应遵守基本的有限元建模准则，下面是一些具体要求：1.纵横比小于10；2.内角不超过30；3.翘曲角不超过20；4.尽量用四边形单元而避免使用三角形单元；5.部件单元的法线方向一致；6.部件边界检查；7.重单元检查；8.避免划分太小的单元。尽量使用DYNAFORM的网格EDIT功能获得理想的网格,-单元的划分规则,前处理阶段,-自动定位，确定各部件之间的距离上、下模间隙，1.11.2部件的行程测量时应该考虑到壳单元的厚度自动生成速度-时间运动曲线压边力曲线,前处理阶段,-其它问题是否有后续工序？是否考虑重力影响？是否使用自适应网格？何时使用？,仿真结果及其利用,仿真结果：给定板料在给定的模具和工艺条件下的形状及成形状态。,厚度分布（减薄率）应变分布（FLD）起皱缺料Skid marks(划伤)回弹量残余应力成形力，压边力,涉及到的人员包括：车身零件设计工程师工艺设计工程师模具设计工程师分析工程师,仿真结果及其利用,在设计工作的早期阶段评价覆盖件及其模具设计、工艺设计的可行性(assess feasibility)；在试冲试模阶段进行故障分析，解决问题(trouble shooting)；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善覆盖件生产质量(improve quality)，同时可用来调整材料等级。,例1：设计拉延筋位置,设计1,设计2,单位长度拉压筋阻力相同，拉延筋的布置不同,板料厚度减薄率对比,设计1：减薄率50%,设计2：减薄率40%,成形极限图对比,设计1：未通过,设计2：通过,厚度分布,成形极限图,例2 微型车顶盖的可成形性,-其它应用,仿真结果及其利用,成形力-选择压机压边力-控制阻力是否存在局部开裂？板料的坯料形状？板料在后续工序中的成形剩余空间？如果达到极限，在后续工序中容易开裂。,输入文件的常用模板,*KEYWORD*TITLEtemplate for metal forming$use this input deck as a guide for setting up metal forming$simulations with LS-DYNA$-,$-$set the termination time,mass scaling time step size$*CONTROL_TERMINATION$ENDTIM x.x$*CONTROL_TIMESTEP$DTINIT TSSFAC ISDO TSLIMT DT2MS 0.0 0.0 0 0.0 x.x$-,$-$The adaptive frequency should be small enough to adapt every 2-4 mm of punch$travel.*CONTROL_ADAPTIVE$ADPFREQ ADPTOL ADPOPT MAXLVL TBIRTH TDEATH LCADP IOFLAG x.x 4.000 2 3 0.0 0.0 0 0$ADPSIZE ADPASS IREFLG ADPENE 2.00 1 0 3.0000*CONTROL_HOURGLASS$IHQ QH 4 0.100*CONTROL_SHELL$WRPANG ITRIST IRNXX ISTUPD THEORY BWC MITER 20.000 2-1 1 2 2 1,*CONTROL_CONTACT$SLSFAC RWPNAL ISLCHK SHLTHK PENOPT THKCHG ORIEN 0.010 2 1 4 2 3$USRSTR USRFAC NSBCS INTERM XPENEN 0 0 0 0 0.0$,$select an output frequency,additional databases.Add strain to plot file.$*DATABASE_RCFORC$dt x.x*DATABASE_BNDOUT$dt x.x*DATABASE_BINARY_D3PLOT$dt x.x*DATABASE_EXTENT_BINARY$neiph neips maxint strflg sigflg epsflg rltflg engflg 0 0 0 1 0 0 0 0$cmpflg ieverp beamip dcomp shge stssz n3thdt 0 0 0 0 0 0 0$-,$-$Create the output file dynain,including part#1 only.Add three$nodes for constraining rigid body motion during springback.Code 7=xyz,$code 5=yz,and code 3=z-direction constrained.$*INTERFACE_SPRINGBACK_DYNA3D$psid 6$nid code xxx 7 xxx 5 xxx 3$*SET_PART_LIST 6 1$-,*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL$imflag dt0 iefs 0 0.00 1*CONTROL_IMPLICIT_NONLINEAR$nlsolvr ilimit maxref dctol ectol rctol lstol 0 0 5 0.002 0.00 0 0$dnorm divflag inistif 0 0 0*CONTROL_IMPLICIT_LINEAR$lsolvr prntflg negeig 0 0 0*CONTROL_IMPLICIT_AUTO$iauto iteopt itewin dtmin dtmax 1 0 0 1.0e-4 0*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION$ias scale tstart tend 1 0.0 0 0,$-$enter material properties in parenthesis(xx)$sheet*MAT_TRANSVERSELY_ANISOTROPIC_ELASTIC_PLASTIC 1(rho)(youngs)(pr)(sigy)0.0000000(r)1$*DEFINE_CURVE 1$enter material stress vs PLASTIC strain x.x x.x x.x x.x$die*MAT_RIGID 2(rho)(youngs)(pr)1.0000000 7.0000000 7.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000$,$enter initial sheet thickness$*SECTION_SHELL$SECID ELFORM SHRF NIP PROPT QR/IRID ICOMP 1 16 0.0000000 7.0000000 0.0000000 0.0000000 0(thick)(thick)(thick)(thick)$*SECTION_SHELL$SECID ELFORM SHRF NIP PROPT QR/IRID ICOMP 2 2 0.0000000 1.0000000 0.0000000 0.0000000 0 1.0000000 1.0000000 1.0000000 1.0000000 0.0000000,$-$*PARTsheet$PID SID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 1 1 1 0 0 0 1 0*PARTdie$PID SID MID EOSID HGID GRAV ADPOPT TMID 2 2 2 0 0 0 0 0$,$punch displacement*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID$pid dir vad lcid scale 3 3 2 2 1.00*DEFINE_CURVE 2$time punch disp x.x x.x x.x x.x$-$binder load*LOAD_RIGID_BODY$pid dir lcid scale 4 3 3 1.00*DEFINE_CURVE 3$time binder load x.x x.x x.x x.x,$enter friction coefficient fs for each contact interface:$sheet vs die$*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE$ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr 1 2 3 3 0 0 0 0$fs fd dc vc vdc penchk bt dt x.x 0.0 0.0 0.0 20.0 0 0.0 0.0$sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0$sheet vs punch$sheet vs binder$,$-DRAW BEAD LINE 1-*CONTACT_DRAWBEAD$PROPNAME BEADPRO 15$SSID MSID SSTYP MSTYP SBOXID MBOXID SPR MPR 1 1 4 2 1 0 0$FS FD DC VC VDC PENCHK BT DT 0.100E+00 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 0.200E+02 0.000E+00 0.100E+21$SFS SFM SST MST SFST SFMT FSF VSF 0.100E+01 0.100E+01$LCIDRF LCIDNF DBDTH DFSCL NUMINT 12 0 0.600E+01 0.250E+01*DEFINE_BOX$BOXSIZE 200.000 1 0.390E+03 0.791E+03-.725E+03 0.200E+03 0.989E+03 0.142E+04*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET$PID NSID 6 1*SET_NODE_LIST,*NODE$enter or include node data$*ELEMENT_SHELL$enter or include element data$use part numbering:1=sheet,2=die,3=punch,4=binder$*END,DYNAFORM常见的问题及处理办法,1.怎样实现多工序分析?两种方法:a)一个文件中定义所有PART，定义边界条件和工艺条件。同时定义不同接触界面的生、死时间。(卡片*CONTACT_xxxxx,)。这种方法使得输入文件相当复杂，容易出错。建议有相当经验的用户可以使用。b)通过LSDYNA 生成“dynain”文件的功能实现。这个文件包括板料前一个工序结束时所有的重要信息，包括厚度变化、应力分布、网格形态等。此时，输入文件中可将前一个工序的PART直接INCLUDE到文件中，容易操作。易于使用，避免出错。,2.做回弹分析时，求解不收敛，怎么办?以下几个方法用于提高收敛性a)采用更多个载荷部。由*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL 关键字的NSTEPSB参数给定。b)调整*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION 的参数SCALE。如果第一个载荷步即不收敛，选择较大的数值;如果接近结束时不收敛，选择较小的数值。如果还不收敛，增加载荷步。c)调整*CONTROL_IMPLICIT_NONLINEAR 关键字的LSTOL参数。多数情况，选择较小的数。,d)改变*CONTROL_IMPLICIT_LINEAR关键字的 LSOLVER。不同的求解器具有不同的收敛行为。e)改变约束条件。事实证明不同的约束影响收敛速度。可能需要尽量减少总位移。f)如果求解因为出现负的特征值，CONTROL_IMPLICIT_LINEAR 中的NEGEIG 给为缺省值.g)检查网格形态，是否存在切边过程产生过度差的单元。如果存在，修改单元。h)检查是否存在过分细长单元，应用表明这样的单元往往导致收敛出现问题。,3.当用seamless method 做 forming 和 springback 分析时，得不到收敛的解.而且不希望再做一次成形，怎样利用前面的结果只做回弹分析？两种方法:d3dumpXX生成 dynain 文件,然后写一个小的输入文件，包括此dynain 文件.，同时文件中应包含适合的约束条件，然后进行回弹的求解。下面介绍由d3dumpXX 生成dynain：写一个输入文件restart.k，包括*INTERFACE_SPRINGBACK_DYNA3D 关键字 执行求解器，ls950 I=restart.k r=d3dumpxx memory=?b)写一个输入文件，包含要修改的控制卡片，用上面的格式求解：ls950 I=restart.k r=d3dumpxx memory=?,4.当按问题3的第二种方法做回弹分析时,但求解时程序退出，message 文件说计算正常结束。这是什么原因？当从dump 重启动进行回弹分析时,如果在拉延分析过程中使用自适应网格，程序启动后首先寻找一在拉延分析中自适应文件，如果adaptive设置时其DEATH时间小于 termination 时间,将不会生成此文件,回弹分析也不能进行。可采用如下两种方法，避免这个问题:a)在adaptive设置时使用缺省的时间设置。缺省的death 是个非常大的数值，大于拉延时间。b)由d3dumpxx生成 dynain 文件,由这个文件用问题3第一个方法进行回弹分析。,5.在LSDYNA中有许多接触类型供用户选择。在板成形分析中常使用那种类型?在冲压仿真中，常用的接触是专用于板成形的FORMING类接触,。在这种接触里，模具的厚度不考虑，同时，降低对模具网格的连续性要求。通常用如下两种类型：a)*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE,通常使用这种类型。b)*CONTACT_FORMING_SURFACE_TO_SURFACE.要用更多的时间。当使用前种方式时，如果模具的网格比板料的网格还要密，则往往出现较大的接触穿透，此时，可使用这种接触类型。,6.当做拉延分析时，出现很明显的接触穿透，如何控制？可尝试以下几种方式：增大*CONTROL_CONTACT 关键字中的SLSFAC 参数，此参数通常范围在 0.1 and 0.01之间。数值由于稳定性原因，一般不超过0.1。b)选择其它的接触类型。如果模具的网格比板料网格密，使用 CONTACT_FORMING_SURFACE_TO_SURFACE。c)使用 constraint 接触类型。FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE,增加 Optionial Card A，其参数 SOFT=4即可。,7.当使用constrain类型的接触时，网格产生畸变或程序崩溃，如何处理?当使用这种接触类型时，在板料与模具的接触界面没有阻尼，所以应采用一些措施如*DAMPING_GLOBAL 消除高频震荡，应用表明，效果较好。这类接触有一个限制，即板料两面中只能有一面定义。另一面要采用罚函数接触算法。,8.在 LSDYNA中有许多壳单元的算法，在板成形分析中那些适合?如果只是进行拉延分析，选择BT(element#2)很快，结果可以接受。如果拉延之后要进行回弹分析，选择 全积分单元(element#16)。好处是可获得较好的回弹结果及收敛效果；缺点是时间长。,其它相关问题,1.在FEMB 27（DYNAFORM）中，所有要求输入文件名的操作，都可以在提示区使用Unix的ls,pwd,cd等功能列表当前路径文件、查看当前路径、改变当前路径。当改变当前路径后，以后的操作都在此路径中进行，即已不是启动FEMB的工作目录。2.FEMB（DYNAFORM）中Part的概念来源于求解器ls-dyna。其定义为材料类型和单元类型一致的单元组合。由此可知，实体单元与壳单元不能在一个同Part中共存。3.从空数据库开始作业，必须首先创建Part，FEMB（DYNAFORM）将新创建的Part置为当前Part；若无特殊提示，新生的几何模型（点、线、面）和有限元模型（节点、单元）都归属为当前Part。因此在创建各种模型前要检查当前Part是否为所需要Part，否则，可由3D MOUDULE 的Part菜单中的Change Current Part改变当前Part。,4.在FEMB（DYNAFORM）中，所有的曲线包括应力应变曲线都称为Load Curve，应力-应变曲线在定义Part的材料性质时输入。除材料应力-应变曲线，其他曲线都定义参量依时间变化，即曲线的横坐标为时间。曲线可以在提示区输入，也可以生成固定格式的文件，然后读入到数据库中。当然，也可以将输入的曲线写出文件到当前路径中。5.一般地，工作站不连接打印机，因此要生成图形文件然后传到微机上打印。FEMB中的打印功能的使用如下：在SETUP中选择HARDCOPY DEFAULT/PRINTER NAME菜单，选择print to file/GIF格式，然后由3D 模块的PRINT打印，给定文件名后，即可生成图形区的GIF文件，在微机WINDOWS 98的画笔中可以编辑及打印。,6.建议在写出ls-dyna求解的关键字文件前由MODEL CHECK和NODE OPTION菜单检查模型，避免重叠单元、重节点、自由节点、不连续网格的存在。7.Ls-dyna中的壳单元缺省为Belyschok_tsay,此单元计算速度快，在DYNAFORM中缺省为沿厚度3个积分点。当进行板成形或汽车碰撞分析时，板壳的翘曲过大后应增加积分点到5、7。8.在DYNAFORM后处理菜单中，拾取3D模块的save可保存任一时步的变形网格，以Nastran 文件格式保存。9.在进行板成形分析的过程中，拉延筋的模拟不要用几何曲面构造，应在DRAW BEAD菜单中生成拉延筋。用几何曲面构造拉延筋往往导致计算不稳定。,10.在应用DYNAFORM进行多工序或回弹分析时，若计算由于negative area而终止，可将读入的dynain和 nikin的网格可进行局部的轻微修改。11.在DYNAFORM中，由凸模（或凹模）单元法向偏移生成凹模（或凸模）时两者的thickness应是实际模具间隙，一般为板料的1.2-1.4倍。12.在DYNAFORM中，凸模的行程应是由DEFINE TOOL/AUTO POSITION将所有模具部件自动定位后，由DEFINE TOOL/MINIMUM DIST.测量得到的凸、凹模之间的距离减去模具间隙。14.Ls-dyna中时间积分步长与材料密度有关。在板成形分析中，可以适当增大板料材料的密度。同时，增加模具的运动速度也是一个办法。建议初学者不要使用。此方法在碰撞分析中不能使用。,15.Ls-dyna中的37号材料是一种常用的弹塑性材料，适于模拟钣金成形。在输入材料参数时，除真实应力-应变曲线外，一定要正确给定各向异性指数r值；硬化指数n可以不输入，但在后处理进行FLD分析时，材料模型简化为指数硬化方式，需要输入n。16.使用自适应网格功能时，计算时间将增加。为减少计算时间，可增大*control_adaptive关键字第一个参数（网格重划分的时间间隔值），并将第二排第二个参数置为1。,建议的参考文献,1.Metalforming Simulation with Explicit Time Integration-Approaching Solutions for Industry with LS-DYNABy Karl Schweizerhof.CAD-FEM,Germany.1st International LS-DYNA Conference,1993.2.An Elaborate Study of the Stamping of a Car Body Component Using LS-DYNA3DBy A Srange,P Thilderkvist,K Mattiasson,Volvo,Sweden.1st International LS-DYNA Conference,1993.,3.A sensitivety Study of simulation Parameters in Sheet Metal Forming and Springback Simulations using LS-DYNABy Ming F.Shi,Douglas G.Prince and Wenhui Song.U.S.Steel Group,USA.5th International LS-DYNA User Conference.4.Implicit Springback Caculation using LS-DYNABy Bradley Maker,LSTC,USA.5th International LS-DYNA User Conference.1998.5.Input Parameters for Metal forming simulations using LS-DYNABy Bradley Maker and Haixin Zhu,LSTC,USA.6th International LS-DYNA User Conference.2000.,6.Anisotropic Behavior and Its Application on Sheet Metal StampingBy Weilong Hu and Jeanne He.ETA.USA.6th International LS-DYNA Users Conference.2000.7.Equivalent Drawbead and its Application in Optimization of Autobody Forming Process.By Xionghui Zhou,et.al.Shanghai Jiaotong Univ.China.6th International LS-DYNA Users Conference.2000.,Thank you!,