汽车覆盖件冲压模具精__39-69

上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第31页第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发3.1覆盖件模具型面补偿计算与合模率改进方案流程覆盖件模具型面补偿计算与合模率改进方案流程如图3-1所示。模具型面补偿主要包括两部分，制件料厚减薄补偿与模具弹性变形位移补偿。补偿量的计算基本也是两条并行的运算途径，中间有部分交叉联系。先进行覆盖件冲压成形过程数值仿真，获取制件的网格信息与厚度信息。由于输出的厚度都是单元厚度，且都是标量，同时认为单元厚度都是沿单元法向的，需要利用面积加权算法，获取节点的x、y、z三个方向的制件料厚减薄补偿量。而如何将板料网格节点的补偿量，映射到凹模型面进行反向补偿，也是制件料厚减薄补偿量计算的关键技术。对于凹、凸模变间隙的情况，需对制件的中性层进行偏置，得到制件的上下表面，以计算模具型面与制件表面的间隙值。从覆盖件冲压成形数值仿真结果中获取板料与凸模型面的接触力，利用映射算法施加到凸模结构分析网格上，进行凸模结构分析。得到凸模工作型面网格节点的弹性变形位移信息，数据处理后再映射到凹模型面进行反向补偿，获取模具弹性变形补偿量。在此计算过程中，将张贵宝[12]提出的映射算法进行改进，提出分块映射算法，以降低软件运行对计算机内存的需求，提高计算效率。补偿量乘以补偿系数叠加后，得到总的凹模型面补偿量，并计算补偿区域的合模率。利用计算得到的补偿量对原始设计的凹模型面进行补偿修正，最终获得优化后的模具型面，减少修模时间，提高模具品质。考虑到补偿量相对比较小，对模具型面进行的补偿修正是细微的，如果再重新离散进行迭代计算，离散过程中的误差可能掩盖了模具型面补偿修正的优化，实际意义不大。在LS-DYNA模式下，可以通过修改K文件中的模具网格信息补偿修正模具型面，避免模具型面的离散化，能够进行迭代计算，直至合模率达标。不过此迭代过程只考虑了制件料厚减薄，未考虑模具弹性变形。上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第32页图3-1覆盖件模具型面补偿与合模率改进方案流程图Fig.3-1Aflowchartofsurfacecompensationandmatching-ratiooptimization模具设计完成补偿值叠加得到总的补偿值获得板料和凸模表面间的作用力凹模型面补偿区域离散化补偿修正凹模型面完成有限元模型并进行成形模拟获得板料厚度计算合模率数据处理获得节点厚度减薄量映射到凹模型面得到料厚减薄补偿值获取成形面几何清理离散成壳单元用于板料成形分析提取出模面部分节点变形位移信息映射到凹模型面得到弹性变形补偿值覆盖件冲压模具三维CAD模型凸模及冲床底座几何清理和合理简化离散成体单元用于模具结构分析分布力施加到表面节点上作为力边界条件用户开发程序用于输入或映射分布力完成有限元模型并求解上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第33页3.2制件减薄补偿量计算流程与关键算法制件减薄补偿量是由于制件料厚减薄导致制件表面与工具型面无法贴合而对工具型面进行修正的补偿量，即在不考虑模具弹性变形的情况下，制件表面与工具表面的间隙值。制件减薄补偿量计算流程如图3-2所示，在进行冲压成形过程数值仿真后，输出制件单元厚度。对单元厚度数据进行处理，计算得到制件减薄补偿量，最后映射到凹模型面。在补偿量计算时，针对等凸、凹模间隙和变凸、凹模间隙可选用不同的计算方法。下文将详细讨论计算过程中涉及到的算法。图3-2制件减薄补偿量计算流程Fig.3-2Calculatingproceduresofcompensationforthicknessreduction3.2.1基于面积加权节点减薄量计算3.2.1.1面积加权法基本原理对于任意一节点P，令集合B为所有包含节点P的单元组成的集合。图3-3面积加权法Fig.3-3Areaweightingfactormethod成形数值模拟制件单元厚度补偿量计算补偿量映射b1b2b3b4b5b6节点P上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第34页kbbb...21B，其中)1(kibi为第i个包含节点P的单元。令iS为ib单元的面积，iv为ib单元的参数值，则节点P的参数值kiikiiiPSSvv11)(（3-1）例如在图3-3中，包含节点P的单元有1b~6b，即654321bbbbbbaB，则6161)(iiiiipSSvv。（3-2）3.2.1.2制件节点减薄量面积加权计算对于顶点为321VVV的单元ib，设其厚度值为it，凸、凹模合模间隙为T，如图3-4所示。由于厚度是沿单元法向的，所以在计算节点制件料厚减薄补偿量之前，先计算单元的补偿量。图3-4单元法向补偿值Fig.3-4Compensationvalueofelement设1e、1e为三角形单元的两个边向量，n为三角形单元的法向量，则131VVe（3-3）122VVe（3-4）21een（3-5）则单元补偿向量c为)(itTnnc（3-6）由面积加权算法，节点制件料厚减薄补偿量的计算公式如下：e1ne2V1V2V3上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第35页kiikiiijjSScC11（j=x,y,z）（3-7）令),,(1111zyxV、),,(2222zyxV、),,(3333zyxV，则33322211121011101zyxzyxzyxee121212131313zzyyxxzzyyxx（3-8）上式代入式（3-5），可得121212131313zzyyxxzzyyxxkjinT121312131312131213121213))(())(())(())(())(())((xxyyyyxxxxzzzzxxzzyyzzyy（3-9）上式代入式（3-6），可得T121312131312131213121213))(())(())(())(())(())(()(1xxyyyyxxxxzzzzxxzzyyzzyytTiczyxiccctT)(1（3-10）其中，))(())((13121213zzyyzzyycx，))(())((13121312xxzzzzxxcy，))(())((12131213xxyyyyxxcz，222zyxccc。令1eA、2eB、21eeC，则单元ib的面积为))()((CLBLALLSi（3-11）其中：213213213)()()(zzyyxxA，上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第36页212212212)()()(zzyyxxB，223223223)()()(zzyyxxC，)(21CBAL。对于图3-3中的节点P，将式（3-10）、式（3-11）代入式（3-2），可得其制件减薄补偿量)(PzPyPxPcccc为：T616161616161])(1[])(1[])(1[iiiiiziiiiiiyiiiiiixiPSSctTSSctTSSctTc（3-12）3.2.2制件减薄补偿量映射模具型面修正补偿通过对凹模工作型面离散化，得到凹模型面网格节点的补偿量，然后对模具型面进行补偿修正。但是，由覆盖件冲压成形过程数值仿真得到的制件节点料厚减薄信息都是基于制件网格节点的，运算处理得到的补偿量也是制件表面网格节点上的，记板料表面网格节点补偿值为集合}|{板料表面网格iithbbB。制件表面网格节点的补偿量需要映射到凹模工作型面上，得到凹模工作型面网格节点补偿量，记凹模工作型面网格节点补偿值为集合}|{凹模型面网格iithddD。制件料厚减薄补偿量映射算法流程图如图3-5所示。对于凹模型面网格的任一个节点P，在制件表面网格中找到对应的映射单元B，将P点移到单元内部或边界上，利用三角形面积插值方法对P点插值，得到P点的补偿量Pd。上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第37页图3-5映射算法流程Fig.3-5Mappingalgorithmprocedures3.2.2.1搜索映射单元映射单元B为制件表面网格中离凹模节点P距离最近的单元。搜索映射单元可采用文献[12]中的算法，下面详细讨论该算法。如图3-6所示，顶点为{V1,V2,V3}的三角形可表示成参数形式101(,)stVstee（3-13）式中e0=V2-V1，e1=V3-V1，(s,t)D={(s,t)|s[0,1],t[0,1],s+t1}。P是凹模型面网格中任意一节点，欲求该点到三角形单元的最短距离，应先获得其在三角形单元所在平面(s,t)内的投影点P0(s0,t0)。然后在平面(s,t)内，获得三角形(s,t),(s,t)D内到P0(s0,t0)距离最近的点P1(s1,t1)，空间点P到三角形(s,t),(s,t)D的最近距离就是||PP1||。设d=P-V1，P0P=d-s0e0-t0e1垂直于平面(s,t)，亦垂直于矢量e0、e1，则有0000110001()0()0ststedeeedee（3-14）整理得00000100100111ststeeeeedeeeeed（3-15）令a=e0e0，b=e0e1，c=e1e1，d=e0d，e=e1d，f=dd，式（3-15）可写为0000asbtdbscte（3-16）解得2200cdbeacbaebdacbst（3-17）式中ac-b2=(e0e0)(e1e1)-(e0e1)2=||e0×e1||0。此条件由三角形单元的任意两条边既不平行、长度也不为0保证。如果P在平面(s,t)内，则P0=P，矢量P0P=0，是以上分析的一种特殊情况，亦包含在以上分析中。凹模节点P搜索映射单元BP移到B边界内计算补偿量Pd上海交通大学工学硕士学位论文第三章模具型面补偿计算与合模率改进方案研究及软件开发第38页P0V1V2V3e0e1ⅠⅡⅢDPP1图3-6空间点到三角形的最短距离[12]Figure3-6Theminimumdistancefrompointtotriangleinspace[12]如图3-6所示，直线l1(s,0)=V1+se0、l2(0,t)=V1+te1、l3(s+t=1)=V1+se0+(1-s)e1将平面(s,t)划分为四个区域：I={(s,t)|s0}，II={(s,t)|t0}，III={(s,t)|s+t1}和D（其中ⅠⅡ、ⅡⅢ、ⅠⅢ区域有重叠，但不影响后面的分析）。如果P0落在Ⅰ区（P0Ⅰ），将P0向V1V3所在直线投影，设投影点为P1(0,t1)，则P1P0=P0-P1=(V1+s0e0+t0e1)-(V1+t1e1)=s0e0+t0e1-t1e1垂直于矢量e1，有1000111()0stteeee（3-18）解得001010011ssbtttceeee（3-19）其中c=e1e1=||e1||20，此条件由三角形单元的任一边长大于0保证。当P0Ⅰ时，三角形(s,t),(s,t)D内距P0(s0,t0)最近的点一定在边V1V3上，即若t11时取t1=1（在端点V3上）；t10时取t1=0（在端点V1