钣金零件广泛应用于航空、航天、汽车、兵器等领域，钣金成形技术是一个国家制造业国际竞争力的重要影响因素之一。将有限元分析工具与优化算法相结合，对成形工艺参数进行优化设计，可以提高钣金零件的成形质量，并使人们从繁重的试错仿真工作中解脱出来，但贯穿成形过程的不确定性因素制约了钣金零件成形工艺优化设计的深化应用。全面考虑钣金零件成形过程中的认知不确定性、异常样本点、参数不确定性因素的影响，对钣金零件成形有限元数值模拟、稳健优化模型建立、稳健代理模型构建、稳健优化求解等关键问题开展研究，形成钣金零件成形工艺稳健优化技术路线，在低成本条件下保证成形质量的稳定性和可靠性，从而降低废品率，节约制造成本。
一、ABAQUS EXPLICIT中影响模拟速度的因素
不考虑硬件对于模拟速度的影响。显式方法需要小的时间增量,一般的,增量步的数量级为10,000到1,000,000。如果以自然时间周期计算,用显式动力学方法求解准静态问题是不切实际的(一般需要上百万的时间增量)。为节省计算时间,可以在模拟过程中人为的增加成型过程的速度。目标就是:在惯性力影响较小的前提之下,尽量缩短计算的时间周期。
1.载荷速率。在模拟过程中,人为的增加准静态成型过程的速度是必要的,它可以让求解过程更经济。但是,在不使结果退化的前提下,究竟可以把载荷速率提高多少呢?比如,金属成型过程中,典型的工具速度大约为1 m s的数量级,这个速率与金属中的典型波速相比是非常小的(钢中的波速为5000 m s)。一般推荐的载荷速率为材料中波速的1%。冲压成型过程(轴对称模型180°的截面)。当工具速度非常大时,产生高度局部化的变形(喷注)。标准门梁的撞击测试试验的简化模型。圆梁在每个端点固定,接触刚体圆柱后变形。当刚体速度非常大时,产生高度局部化的变形。推荐的模拟步骤:(1)以不同的速率多次模拟(比如,工具的速度为100m s,50m s,5 m s)。因为以低的载荷速率进行分析的时间比较长,所以从高的载荷速度到低的载荷速度进行分析比较合理。(2)检查结果(变形形状、应力、应变、能量),分析不同载荷速率对结果的影响。在钣金成型模拟过程中,过大的工具速度将抑制起皱现象,并激起非真实的局部拉伸。在冲压成型过程中,过大的工具速度将引起“喷注”效应,(3)在相对“合理”的载荷速率范围内选定某一数值进行模拟。
2.质量缩放。只有时间增量小于稳定时间增量时,显式动力学分析才能给出有界的解,因此求解过程中,控制稳定时间增量的大小直接影响了求解的速度。通过一维问题,可以很容易的解释稳定时间增量的概念,稳定时间增量是膨胀波通过模型中任何单元的最小时间。对于一维问题,膨胀波速cd
其中E为杨氏模量,ρ为当前材料密度。基于当前的几何构型,模型中每个单元的特征长度为Le。这样,稳定时间增量
增大Le或减小cd将会增大稳定时间增量;增大单元尺寸将增大Le,从而增大Δt;增大材料密度将减小cd,从而增大Δt。通过质量缩放的方式人为的增加稳定时间:如果以f2的方式人为的增加材料密度→膨胀波速以f的方式减小→稳定时间增量以f的方式增加。人为的增加工具速度之后,质量缩放对惯性效应具有同样的影响。过多的质量缩放将导致非真实的解。
显示了三种分析的不同结果(PEEQ云图),右图中左边的结果和中间的结果几乎相同,而中间的结果与左边的结果相比,只需要1/5的计算时间。与原始的静态解相比,右边的结果由于的惯性效应过大,基本是没有意义的如果质量缩放用于完全的动态条件下,推荐总质量的变化应该尽量小(小于1%)。
3.能量平衡。能量平衡方程可以用于帮助评估计算结果是否为合理的准静态响应。在ABAQUS Explicit中,能量平衡可以写为:
EI+EV+EFD+EKE-EW=ETOT=constant
其中:EI为内能(包括弹性应变能、塑性应变能和与沙漏控制相关的伪能)。
EV为粘性机制耗散的能量。
EFD为摩擦耗散的能量。
EKE为动能。
EW为外力功
ETOT为系统的总能量。,考虑单轴拉伸试样的拉伸测试,如果实际测试是准静态的,拉伸试件的外力功等于试件的内能。在冲压成型过程,尝试三种不同的冲压速度:3 m s、30 m s、150 m s,最终构型中毛坯厚度云图。
尽管计算费用相差10倍,以30 m s和3 m s的速度冲压的结果非常接近。过大的冲压速度(如150m s)导致结果与实际的物理现象不符。当冲压速度为3 m s和30 m s时,在成型过程中,动能与内能相比只占很小的一部分。当冲压速度为150 m s时,毛坯中的动能与内能相比占很大的比例。因此,能量检查为ABAQUS Explicit金属成型过程的结果是否反应了准静态解提供了另外的评估方法:在主要的成型过程中,变形材料的动能不可以超过内能的一小部分(一般为1～5%),工具的动能不计算在内。综上所述,可以得出如下结论:(1)过大的载荷速率将产生带有显著惯性效应的结果。建议限制载荷施加的速率,比如,工具速度小于材料波速的1%。(2)质量缩放可以影响稳定时间增量,尤其用于率相关材料行为,因为对于率相关材料,需要严格控制载荷速率。（3）能量平衡可以用于评估计算结果。
二、实际应用
1.冲压成型—钛合金板材。钛合金具有强度高,厚向异性指数大的特点,所以要求单位成型压力高,同时钛合金的弹性模量小、回弹大,受压时的稳定性较低,且弯曲能力差。鉴于在一定的高温条件下,合金板材的塑性可以得到明显的改善,延伸率增加,变形抗力减小,成型性显著提高。因此,板材的成型选用热冲压方法。
2.蒙拉成型。蒙拉成型过程模拟的技术难点在于接触的模拟,由于空间曲面在成型过程中的接触状态不断变化,涉及高度的力学非线性问题,因此需要比较精准的工具对其进行仿真模拟。同时,钳具的运动轨迹或夹持力度对成型效果至关重要。
总之，实例的模拟都是在ABAQUS平台下进行,结果表明,采用ABAQUS处理加工成型中涉及到的非线性力学问题都能得到比较令人满意的结果。ABAQUS还提供了种类丰富的用户子程序接口,用户可以根据需要编写特殊的本构关系曲线、复杂的载荷和边界条件、灵活多样的用户单元等,这些功能目前在研究领域、工业领域都取得了广泛应用。
参考文献：
[1]薛鹏飞,动力松弛法在板料成型过程数值模拟中的应用.2019.
[2]李东平，关于航空钣金成型过程的计算机仿真分析.2020.