數值模擬的驗證和優化

數值模擬的驗證和優化-藉由模具和部件的光學測量模擬

摘要.

模擬成型過程已成為當前的流程優化的重要工具。它可以顯著的支持通過基於數字圖像處理的現代光學測量方法提供三維表面幾何形狀的全域信息(ATOS),應變和形成的鈑金件(ARGUS)厚度縮減分佈。

在過去幾年,這些光學系統在工業工具製造和鈑金成形中已成為重要的工具,連同成形的模擬,他們在提高質量和開發時間、產品和生產優化上,有顯著潛力。對於複雜過程鏈的一部分,流暢介面的常規CAD / CAM和數值模擬的系統是特別重要的。

本文提出使用的工具和形成的金屬板件的三維表面的幾何數據作為輸入的數值模擬以及用於模擬的驗證。此外,測量和模擬應變和厚度減小分佈的數字比較,進行分析評估。

1. 引言

該Salzgitter Mannesmann Forschung有限公司(SZMF)是Salzgitter集團中央研究公司。在Salzgitter和Duisburg的6個主要部門約有300名從業人員,SZMF在材料鋼的領域中,進行了廣泛的研究和開發工作。

通過這種方式,SZMF積極支持客戶在開發過程早期階段的材料選擇。在這些階段,重要的是對各別材料潛力的正確評估,並通過模擬的方法預測的材料和組件的行為。因此SZMF試圖不斷提高自己使用的材料模型和模擬工具。

GOM開發和銷售光學測量系統,其主要集中在如3D數位化應用,三維坐標測量,變形測量和質量控制。GOM系統用於產品開發和品質控管、材料和元件測試。當前的發展需要關注這成形過程中模擬驗證的需求。

本文介紹了當前用於成形過程模擬驗證的可能性

2. 量測和模擬的程序

如一個用於驗證的例子,用一個真正的形成過程作基礎以下面的方式進行比較:

1. 選擇現有模具的一部分

為模擬驗證,模具的幾何形狀必須準確知道。因此,通過ATOS完整測量幾何形狀。

2. 準備鈑金成形分析

使用ARGUS測量用於成形解析的點網格的幾何形狀和在紙張上的位置。

3. 樣件成形

在該過程開始時定義空白的位置。

樣件利用SZMF分析能力,使用千噸Diefenbacher沖壓形成。

4. 成形樣件由ARGUS作成形分析

5. 與模擬的比較

通過比較測量值和模擬的過程,下面的文字將描述測量技術、模擬和流程優化。

3. 測量技術

3.1. ATOS光學三維數位化的基礎知識

光學測量系統,如數位化系統ATOS(圖1)非常迅速和有效,基於條紋投影,可數位化掃描任何大小與具有複雜性的高精度和高密度形成的組件和工具的幾何形狀(圖2)。

Figure 1: ATOS 測頭Figure 2: 條紋圖案投影到零件表面

測量結果是點雲以ASCII格式和多邊形網格的STL格式(圖3)。此外,ATOS可輸出裁切的或整體的零件成型測量資料,如IGES或ASCII數據集。

Figure 3: 在打孔位置生成的多邊形網格(完整和詳細)

該數據主要用於

– 使用通用CAD系統的曲面重構

– 測量與CAD數據或與其他測量數據真實幾何結構的比較

– 尺寸檢查

– 新一代的CAM系統數控機床的數據

3.2. 模具的數位化和FE起動幾何的定義

模具的公母模皆由ATOS系統作完全的數位化。其結果示於圖4。公母模具的滑塊區(暗區)的坐標系統與實際工作的位置,可利用移動轉換和最佳擬合函數對位。因此,沖頭幾何形狀和位置、模具和壓邊圈和位置適配器是可得知的。(圖5)。

Figure 4. 數位化結果:一個成形模具
公母模的完整幾何結構
(滑塊區域為黑色)
Figure 5.Geometry and position of Punch,
Blank Holder and Position Adapter (left)
and Die and Counterpuch (right)

3.3. 由ARGUS形成分析

ARGUS是用於鈑件形成分析的現代測量解決方案。要被應用到原始鈑件上的圓形點間距通常為1 mm 至5 mm。為了這個目的,主要是使用通過電化學蝕刻創建的,或是激光打標或打印。這些圓點在鈑件變形成形過程中,甚至在鈑件和模具之間相對較大的運動中得以維 持。這些點中心是用於確定坐標的參考和用於以下變形分析。

在成形之後,成形組件會被數位相機從各角度記錄(圖7)。攝影測量算法使用這些圖片去確定鈑件上圓點的三維坐標。因此,根據蝕刻結構的密度說明了在成形鈑件上的整個表面。

Figure 6. 成形後的鈑金Figure 7. ARGUS測量過程中不同的相機位置

在此網格中每個2×2的點區域是比對於原來的幾何形狀和空間中的相應的表面應變量來確定。其結果如:主要和次要應變(圖8和圖9)和鈑件厚度縮減的曲面資訊。假定一個恆定的體積下,厚度縮減是直接由從主要和次要應變計算而來。

Figure 8: 主應變分佈

成形極限圖比較了主要和次要的應變與給定材料的特性(圖10)和對FLC的距離,如圖11所示。因此,在成形過程中,可以用該材料的極限值直接進行評估。 所有的計算值可以顯示顏色在3D輪廓上或成形極限圖上。可通過簡單地旋轉的三維輪廓獲得在成型過程簡短、精確和完整的信息。此外,所有的計算值和相應的三 維坐標皆可以導出用戶定義的ASCII文件,並導入到其他的後處理器。如果需要,可提供組件CAD坐標系統資料, ARGUS就可以進行坐標轉換。

Figure 9: 次應變分佈

 

Figure 10: 成形極限圖包括測得的應變值Figure 11: 從FLC的距離值

該系統的記錄原理允許測量靈活適應到各種應用程序。需要至少三個不同視角進行測量。由於各別的視圖被用一台攝像機連續地記錄下來,所以該系統可用於簡單和 非常複雜的零件 以及用於小型和大型測量。隨著攝影測量過程中,該系統是自動校準,沒有其他準備工作的需求,除了調節透鏡到測量體積。根據此程序,對於 ARGUS攝影測量在空間的三維坐標幾何精度已達到高準確度等級。

4. 成形過程的模擬

4.1. 基本模擬

因於成形處理的模擬,FE-solver LS-Dyna被選用。這種多用途求解器可以很容易地加上外部巨集指令和參數優化程序。

模擬的第一步進行,如同一般標準作業。下面是參數使用的地方:

● 元件類型:外殼16型(全集成Belytschko-Lin-Tsay)

● 可自我調整的網格重建

這些元件在重建區約有1mm的長度。所有邊緣可以表示具有良好的精度和質量。

● 壓邊力1000KN(摘自報刊資料)

● 所有的模具都是剛性並且約束它們的旋轉和適當的平移自由度。這樣可以使結果接近標準的,並最大限度地減少了計算時間

4.2. 材料數據

成形模具被設定針對使用厚度2.5mm的S355MC。該牌號也被應用到模擬。SZMF在遵守1240年9月(PUD-S)進行了測定該S355MC的力學性能。因此,給予對於使用Mat36(Barlat89)的所有材料參數。

4.3. 基於ATOS的網格

它通常使用基於CAD的幾何形狀的FE-mesh進行成形模擬。在本次調查,由使用ATOS測得實際模具 的STL網格。ATOS的數據量的減少是因由在 平面區域局部減薄 和在小半徑的區域的高密度掃描。該數據的高品質允許直接使用的有限元計算,無需額外的逆向工程。這避免了精度在基礎中間階段上的損失。

在拉伸模擬中是很常使用基於Lagrange乘數的接觸算法對所有控制的模具。這種方法實現了非常精確的接觸行為。殼遵循確切工具的幾何形狀和刀具的運 動。不幸的是這種方法會導致高壓力峰值的局部區域。這是不需要的力控制的模具,如壓邊。在這些情況下的補償法達到更逼真的效果。在本次調查使用不滑順的表 面。Lagrange乘數法會造成在表面的許多局部壓力峰值的些微上升。因此,為這最好結果的聯繫,補償法被選定。

4.4. 模擬和測量的比較

從模擬結果和ARGUS測量的比較是在從GOM一個特殊的FE-比較模塊完成。在這個模塊中,選定的結果值(幾何,三維位移,應變)可以直接進行比較,其差異可以顯示作為全領域的信息。因此,已完成了以下步驟:

● 導入FE-solver LS-DYNA的數據結果到比較模塊

● 導入測量數據到比較模塊

● 測量數據轉換到FE的坐標系統:

– 未成形的鈑件

– 已成形的樣件

在比較模塊中可有多個不同的轉換功能。在這種情況下,該未成形鈑件的坐標系統和位置測定使用邊界進行擬合和RPS定位針對初始模擬的邊界線。使成形樣件的 測量用最佳擬合方法轉換到模擬結果。為此,成形樣件只有中央區域被使用(因此這個區域被定義為接近零,如圖16的幾何形狀比較)。

● 新一代的比較點

網格(FE和測量)有不一樣的節點位置。用於與結果值進行比較的網孔中的一個必須被重新劃分網格,要有相等的節點位置。在這裡,以FE-mesh作為主,基於所述相鄰節點,測量的網格透過使用雙線性插值節點位置和結果值重新劃分網格。

● 比較

– 結果值(應變和位移)

– 幾何尺寸(偏差作為距離垂直於該目)結果值(應變和位移)

外表面上的主要真應變差
凹面上的主要真應變差
Figure 12: 測量和模擬第一步驟的比較(顏色的定義:模擬偏差測量)

對於在不同的步驟迭代的結果, 它可以觀察到,該試樣上凸側的應變比在其他(凹)側有更好的測量結果。因此,基於所述凸形表面區域的偏差的比較,模擬迭代的過程進行了驗證,如在圖12和圖13所示。

4.5. 模擬參數的迭代

在本次調查,一些參數進行變化以達到更好的擬合與實驗結果。這些參數均選擇以實現更多或更少的整體改善,他們在共同點範圍內被改變。在比較結果的第一階段,更為複雜的或自動變化會被省略。

首先,摩擦性能進行了研究。塗油鋼板通常被設定為0.125。在實際樣品的成型中,模具被充分潤滑。因此,摩擦係數降低。一般情況下,這種調整取得了較好 的畫面。特殊的區域平行於紙面方向的應變分佈差異超過預期。這是透過使用一個不同的外推測量的流量曲線的最小化。改進後的流量曲線有更多的加工硬化行為。

相比於測量所述第一模擬的結果示於圖12。大的偏差可以找到例如在左側(大紅色區域)主應變是往高計算。可以確認,該模擬的邊界(暗灰色區域的外邊界,圖15)顯示出了從測量試樣的邊界大偏差(不同的拉伸)。

這是假設,即在一開始在片壓邊圈和模具之間夾緊且無干擾。有關壓邊圈的曲面和模具的接觸面積,一個自由的形式彎曲夾緊之前發生。在夾緊的接觸區域的更詳細 分析顯示, 該兩側所測量的位置不是很吻合。壓邊圈沒有在實際的工作位置被測定(未顯示在圖4和圖5)。對於模擬,假定移動完美平行於所測量的位置的。

Figure 13: 經過一些不同步驟優化的主要真應變偏差(顏色的定義:模擬測量的偏差)

關於彈性和未知的夾緊位置的額外自由度被添加到模擬程序。一個自由旋轉在兩軸垂直於拉伸方向被啟用。總之,這些調整產生良好合規的應變(圖14),並畫出在(圖16)。

實測ARGUS網格反映得非常好的樣件實際邊界位置(圖16左)。在第一模擬的圖像(圖16中), 暗區(模擬網格)的邊界到真實(ARGUS測量)的邊界有一個大段距離。模擬的畫圖太低。

在過去的模擬步驟(圖16右)的模擬繪製非常符合真實情況(僅小暗區可見)。

Figure 14: 優化後的主要真應變差(顏色的定義:模擬偏差測量)

 

Figure 15: 局部區域的定義對拉伸的比較

 

測量圖像區域第一次模擬最後結果
Figure 16: 局部區域的拉伸差異, 用ARGUS測量網格模擬幾何體(暗)覆蓋

因此,成形模擬後回彈模擬必須被執行。回彈行為透過使用不同的楊氏模量值進行控制和調節。故,達到很好的法蘭幾何相關性是可能的(圖17)。4.6. 幾何與回彈的比較

為了讓幾何形狀的比較, 模擬樣件必須在相同的機械條件下作為實部。

無回彈模擬

有回彈模擬

Figure 17: 幾何偏差(模擬測量的偏差)

5. 結論

所描述的過程顯示在全場應變的差異和形狀信息的基礎上,成形模擬與實驗成形分析(ARGUS)直接作數值的比較。這個比較能夠在模擬和測量結果之間使得簡單的全視場的比較(應變,幾何形狀和位移)和一個模擬實際迭代步驟的完整驗證。

對於在不同的步驟迭代的結果,它可以觀察到,該試樣上的凸側擬合形成的應變比在其他(凹)側有更好的測量。這可能顯示該組合所使用的計算模型(殼單元)和用於選擇2.5mm材料厚度應用參數的極限。進一步的調查將顯示,實體單元都比較有用。


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