基于等几何分析的金属板材多步逆成形算法研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lhdbbc
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在设计的早期阶段,对零件成形性的快速估计是必不可少的,增量法在这个过程的计算机建模需要大量参数,如毛坯形状和尺寸等,这些都会显著影响成形后零件的质量。由于无法确定详细的设计参数,因此可以快速验证给定零件成形性的逆方法得到了广泛应用。而传统的一步逆和多步逆成形方法都是基于有限元法(FEM)建立的,尽管这种方法有许多优点,但FEM分析所需要的大量时间都被花在了网格生成阶段,这严重制约了有限元技术的发展。近年来,消除设计、分析与优化之间的差距,以快速高效模拟板材冲压成形过程成为研究热点。为此,在本文中采用等几何分析(IGA)方法,利用NURBS基函数同时进行几何建模和成形性分析,换句话说,与逆有限元法相比,这种方法只需要一个建模和分析表示就可以实现。本文主要研究内容包括:(1)本文利用等几何分析替代传统有限元方法,在多步逆成形方法中引入等几何分析,提出了一种多步逆成形IGA方法,以弥补一步逆成形IGA方法因忽略变形加载历史而引起的计算精度降低的缺陷。滑移约束曲面是根据成形过程中某一时刻的凸模和凹模的相对位置及其轮廓来构建的,中间构形的初始解采用基于滑移约束曲面的网格映射法构建,考虑增量理论来推导应力与应变关系,采取经典的图形返回算法进行应力更新。(2)采用等几何膜单元,推导了多步逆成形等几何分析方法中局部坐标系和坐标转换矩阵的建立方法,推导了多步逆成形IGA方法中的NURBS单元刚度矩阵和内力求解算法,采用Newton-Raphson算法进行迭代求解。最后应用新提出的算法计算方盒模型和S梁模型的厚度、应变和应力等物理量的分布,并与增量法以及多步逆成形有限元法进行了对比验证。这两个算例结果说明了多步逆成形IGA算法对这些物理量的分布可以进行很好的分析预示,并且该方法的计算精度与多步逆成形有限元法和增量法相当,最大误差控制在5%以内,但与这两种方法相比新构建的算法节省了大量的计算成本,不需要网格划分过程,也不需要大量的设计参数。
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