利用LS-DYNA进行成形仿真的输入控制参数

利用LS-DYNA进行成形仿真的输入控制参数
Translated by SunnyWinter
LS-DYNA已广泛用于汽车碰撞分析。

默认的输入参数一般能给出有效，精确的碰撞模拟结果。

但是，这些默认值对于成形仿真分析并不一定理想。

下面是一个标准的金属成形过程。

为及时参考，推荐输入参数用黑体字标识，并包含在盒状关键字输入框中。

模型明确要求的数据，如终止时间等参数，输入黑体的0值。

一般问题设定
在显式成形仿真中，利用质量比例缩放和（或者）人为的高工具速度，运行时间可以大大缩减。

这两种方法都会引入人为的动力学影响，因此必须将其减小到在工程意义上合理的水平。

一个单独的描述人为动力影响的参数是：工具每运动1毫米所采用的显式时间步进值（或周期）数目。

当成形过程允许大的无限的板料运动，比如冲击成形，需要更多的毫米周期数。

当板料被压边圈和冲模支撑较强的约束住时，较少的毫米周期数是必要的。

对大多数的仿真来说，100到1000之间的毫米周期数能产生合理的结果。

如果可能，或者有必要重复一个仿真，可利用两个不同的毫米周期值并比较分析结果去估计其对人为动力学影响的敏感性。

推荐选择的一个最大工具速度是2.0mm/ms,起始和结束速度为0。

可以使用简单的梯形速度轮廓（如图1）。

利用大的时间缩放步参数dt2ms获得要求的毫米周期数，可参考下面的公式：
时间步大小=1.0/(最大工具速度*毫米周期数)
工具速度，时间步大小和结束时间必须在协调的参照系中选择。

如果所有的工具运动给定，可用下面的步骤设置模拟参数：
已知：工具全部行程（mm）:D
最大工具速度（mm/ms）:2.0
速度轮廓： 2.0毫秒上升和2.0毫秒下降的梯形（如图1）
选择：毫米周期数：ncpm
计算：结束时间（ms）: T=2.0+D/2
速度数据点：（0.0，0.0）（2.0，2.0）（T-2.0,2.0） (T,0.0)
时间步大小（ms）: dt2ms=1/(2*ncpm)
上面的运算提供速度轮廓数据点用于下面的工具运动部分。

终止时间（term）和集中缩放步大小（dt2ms）用接下来的关键字输入：
*CONTROL_TERMINATION
$ term
0.0
$
*CONTROL_TIMESTEP
$ dtinit tssfac isdo tslmt dt2ms
0.0 0.0 0 0.0 0.0
图1：最大速度为2.0mm/ms的梯形状冲压速度轮廓。

上升和下降时间各2.0ms.冲压位移在曲线的各个部分显示。

总冲压位移＝D mm。

壳单元
壳单元描述在*SECTION_SHELL关键字部分用elform参数表示。

缺省壳类型#2仅在可成形性分析中可用。

如果要在成形后进行回弹分析，推荐把花费更昂贵的#16壳类型，并要求同时用于成形和回弹分析中。

这个额外的成形分析花费能在后续的回弹分析中产生更精确的结果和更少的收敛性问题。

厚度积分点nip同样能在这个关键字部分找到。

对成形性分析，3个点可能足够，但是如果要进行回弹分析，至少要5个点，7个点会更好。

成形分析的CPU花费随着厚度积分点数目成线性增加。

在这个关键字部分还包括一些其它的必要参数如截面标识secid和部件厚度t1-t4。

*SECTION_SHELL
$ secid elform shrf nip propt qr/irid icomp setyp
0 16 0.0 5 0.0 0.0 0 0
$ t1 t2 t3 t4 nloc
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
关键字*CONTROL_SHELL关键字用于选择三个重要的参数。

必须尽量少使用三角形单元。

如果必须使用三角形单元，当itrist标记被选中时，LS-DYNA将自动应用更加精确的C0三角形壳单元描述。

这种单元比退化的四边形单元描述精确，因为后者更刚硬。

激活壳单元厚度改变用istupd标记。

否则单元将保持厚度不变。

如果使用#2单元，激活翘曲硬度用bwc参数。

*CONTROL_SHELL
$ wrpang itrist irnxx istpud theory bwc miter poj
0.0 1 0 1 0 1 0 0
金属成形中，刚度形式的沙漏控制推荐使用。

选择ihq为4或5。

使用沙漏系数的默认值。

*CONTROL_HOURGLASS
$ ihq I qh
4 0.0
材料
虽然名义上来说回弹分析是一个弹性卸载过程，但是推荐在成形和回弹分析中使用同一个材料模型。

现在，一些材料模型，包括1，3，18，24，36和37材料模型，可用于隐式回弹。

正如上面所说的，输入真实的物质密度，用质量和速度缩放可人为减少模拟时间。

避免在隐式回弹中使用材料失效选项，因为这些会产生收敛性问题。

有效应力－有效塑性应变曲线必须仔细检查：
■ 第一个数据点必须是0有效塑性应变和屈服应力（0.0，σy）；
■ 应力和应变必须单调增长；
■ 每段的斜率必须光滑过渡；
■ 避免过多数据点。

主要依靠四个重要的数据。

所有的工具必须使用壳单元并且是刚性材料类型20。

输入合理的材料属性r0,e和pr,例如这些参数用于壳。

用con1和con2对平移和转动施加位移约束。

这个第三行需要，但是可以保留空白。

*MAT_RIGID
$ mid ro e pr
0 0.0 0.0 0.0
$ cm0 con1 con2
1.0 0 0
$ lco
接触
基于罚函数的接触对大多数金属成形分析推荐使用。

在关键字*CONTROL_CONTRACT上利用slsfac对所有的接触面设置罚函数刚度缩放参数为0.010。

检查结果，在小半径或者高接触压力特征处，看是否有明显的穿透，如果有比较，扩大罚缩放参数10倍。

可利用*CONTACT关键字处的参数对各个接触面分别完成。

对壳激活厚度偏移量可用shlthk。

建议对实际的工具表面建立工具网格，因此忽略刚性工具上的厚度偏移。

有必要时，参照下面合并工具位移到接触面。

*CONTROL_CONTACT
$ slsfac rwpnal islchs shlthk penopt thkchg orient
0.01 0.0 0 1 0 0 0
$ usrstr usrfac nsbcs interm xpenen
0 0 0 0 0.0
推荐“forming-one-way”接触面类型。

这种接触面能为向前自适应重划网格提供计算加工曲率信息。

这种接触面同样能允许（主）工具表面脱节网格。

工具必须提供3或4个节点的壳单元。

薄板必须是副接触边。

推荐用部件ID定义表面（sstyp=mstyp=3），并且如果自适应网格被激活，必须把部件ID定义表面用于副边。

对成形模拟，百分之二十的临界粘滞阻尼（vdc）有助于消除高频动力震荡。

必须在可选卡B上用snlog使冲击节点逻辑失效。

（副）薄板的厚度包含在接触计算中。

接触发生在投影在法向1/4厚度的假想平面上。

建议建立包含物理偏移或模具间隙的工具网格。

如果这样不可行，可用负主厚度mst建立工具偏移。

如果主截面厚度是负值，1/2厚度的工具偏移就已建立。

大的负偏移会在小工具半径处产生差的结果。

可在可选卡A上的soft=4来选择使用约束方式（不是罚函数方法）的接触加强方法。

这种方式既不是必要的，也不推荐。

其它的必要输入参数包括主副部件ID（ssid,msid）,和摩擦系数fs。

*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE
$ ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr
0 0 3 3 0 0 0 0
$ fs fd dc v vdc penchk bt dt
0.0 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
$ optional card A
$ soft
$ optional card B
$ penemax thopt shlthk snlog
0.0 0 0 1
工具运动
工具运动用关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID施加。

指示工具ID 和运动方向分别用pid和dir。

速度或位移可能被描述。

在大时间步的隐式成形模拟中，因为位移控制可产生最精确的总工具运动，故推荐使用位移控制（vad=2）。

lcid标识运动对时间的曲线。

*BOUNDARY_PRESCRIBED-MOTION-RIGID
$ pid dir vad lcid scale
0 0 2 0 0.0
工具速度（位移或速度）必须随时间光滑变化，并且起始和结束速度为0。

定义这个运动用*DEFINE_CURVE 或 *DEFINE_CURVE_SMOOTH.。

在进行回弹分析之前的显式成形分析中，没有必要包含一段0速度的“保持时间”。

*DEFINE_CURVE
$ id
$ time motion
0.0 0.0
0.0 0.0
压边圈负载
利用*LOAD_NODE或*LOAD_RIGID_BODY可对压边圈和其它可移工具施加力。

如果节点选项可用，只要刚性工具的转动自由度被约束，任何工具节点都可选择。

如果刚性体选项可用，负载将施加在工具质量中心。

*LOAD_RIGID_BODY
$ pid dir lcid scale
0 0 0 0.0
负载随时间的变化可用*DEFIEN_CURVE输入。

负载必须在模拟开始的前几毫秒从零开始并增加到常值或初始值。

监测接触面的接触反力，保证施加的负载不受动力影响。

*DEFINE_CURVE
$ id
$ time load
0.0 0.0
0.0 0.0
自适应网格优化
在大曲率处，推荐使用适用性网格自动细分单元并生成精确的网格。

初始四边形单元的长宽比尽量接近1。

避免三角形网格，特别在临界区域。

选择的初始单元大小应足够小，使得经过3或4个水平的重划后能精确地细分部件细节。

对精确的回弹，特别式法兰和管道开口壁，临界半径处至少需要3-4个单元。

在关键字*PART中adpont标记哪些部件使用自适应网格划分。

*PART
Workpiece
$ pid sid mid eosid hgid grav adpopt tmid
0 0 0 0 0 0 1 0
成形分析会在自适应网格划分频率adpfreq时中断，而且网格精确性会被评估。

在每一个自适应周期内，每一个单元最多在一个水平上被细分。

为了避免大的单元在半径处重新划分，自适应频率必须选择的足够小。

通常来说，工具运动每2-4mm进行网格自适应就足够了。

有两个标准来控制单元细化：两相邻单元的夹角和工具接近曲率。

适应公差adpto l选择允许的角度变化，4度左右是合理的。

小的值可以生成更精确的网格。

可利用adpopt来选择测量这个角的方法。

方法2推荐使用。

最大的重划水平由maxlvl给出。

此值取决于初始单元大小，推荐3-4。

利用ireflg参数可以控制所以网格在模拟初始时刻重新划分1或多个水平。

自是用划分网格后，分析可随意地利用新的网格从先前时间从新开始分析。

因为新的向前适应细分能在工具接触前启动重划分，所以这种两向方法不再推荐使用。

推荐的方法是向前活动(adpene>0.0)的单向方法（adpass=1）。

参数adpen e表示在加工曲率评估前的最小允许分离距离。

由于这个距离受接触检测中的接近极限的影响，故其值一些薄板的厚度将步产生额外影响。

*CONTROL_ADAPTIVE
$ adpfreq adptol adpopt maxlvl tbirvl tdeath lcadp loflag
0.0 4 2 3 0.0 0.0 0 0
$ adpsize adpass ireflg adpene
0.0 1 0 5.0
自适应重划水平也能利用一个自适应盒子定义在网格的某些区域进行修改。

*DEFINE_BOX_ADAPTIVE
$ id xmn xmx ymn ymx zmn zmx
1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
$ pid level
0 0
拉延筋
拉延筋可以直接包含在压边圈表面，也可以大致通过添加解析拉延筋在平面型压边圈。

实际拉延筋有时在未修饰的面板回弹预测中很有必要。

然而，仅在修饰的面板上的回弹模拟中，解析拉延筋最常使用。

解析拉延筋通过在压边圈表面的一批节点来定义。

直拉延筋只要求两端的两个节点。

为了精确定义曲线型拉延筋，需要较多节点。

LS-DYNA可通过在插入未定义节点自动生成内部附加节点。

拉延筋力借助这些点施加到薄板上。

定义一个节点组为拉延筋节点。

如同拉延筋的定义，这些节点组被附加到压边圈上。

为了附加这些节点到压边圈，可用*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET关键字为刚性体定义它们为附加节点。

输入压边圈部件标识pid和节点组标识sid.
*SET_NODE_LIST
$ sid
$ n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8
0 0 0 0 0 0 0 0
*CONSTRAINT_EXTRA_NODES_SET
$ pid nsid
0 0
利用附加卡#4，拉延筋接触面的定义和标准的成形类型输入相似。

ssid输入拉延筋节点组ID，sstyp选择为4。

薄板定义为接触的主接触面。

拉延筋可用三种方法生成。

如果摩擦系数fs不为0，可创建摩擦力。

法向力遵循lcidnf 给出的力－位移曲线，其单位是每单位拉延筋长度的力。

由于压边圈封闭，故法向力代表形成拉延筋所需要的力。

由于薄板的弯曲和非弯曲产生的拉延筋遏制力用曲线lcidrf给出。

这个曲线定义遏制力（每单位拉延筋长度）为拉延筋深度的函数。

随着压边圈的靠拢，拉延筋深度增加到它的最大值dbdth。

在时刻0，为了避免拉延筋的接触的初始穿透，压边圈分离至少为dbdth。

*CONTACT_DRAWBEAD
$ ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr
0 0 4 3 0 0 0 0
$ fs fd dc v vdc penchk bt dt
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 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
$ lcidrf lcidnf dbdth dfscl numint
0 0 0.0 0.0 0
必须利用mboxid定义一个拉延筋盒子。

这个盒子自动改变大小以包含某些时候进入拉延筋的所有薄板节点。

定义这个盒子能降低CPU时间。

pid输入薄板部件ID，nsid输入拉延筋节点组，idir输入工具运动的名义方向。

*DEFINE_BOX_DRAWBEAD
$ boxid pid nsid ddir
0 0 0 0
输出
LS-DYAN可生成很多类型输出。

包括有限应变数据的二进制图数据库是金属成形应用最感兴趣的类型。

它可由于成形极限表的分析。

利用关键字*DATABASE_EXTENT_BINARY 中的标识strflg可控制在图数据库中包含应力。

*DATABASE_EXTENT_BINARY
$ neiph neaps 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
用关键字*DATABASE中的dt标识二进制和ASC11数据库的输出频率。

为了获得接触中的反作用力并用于标识运动，经常使用RCFORC和BNDOUT。

为了更广泛的输出数据库，可参考用户手册。

*DATABASE_BINARY_D3PLOT
$ dt
0.0
*DATABASE_FORC
$ dt
0.0
*DTABASE_BNDOUT
$ dt
0.0
回弹和多步成形
为了进行回弹或者多步成形模拟，LS-DYNA能输出一种关键字格式的文件，其包含成形模拟结束时的变形网格和应力状态。

这个文件，“dynain”，在标识strflg被激活时，将包含应变信息。

这个文件要求要*INTERFACE_SPRINGBACK_DYNA3D关键字。

包含一系列部件的部件组标识psid输入被包括在这个输出文件中（通常只是薄板）。

一个可供选择的附加节点约束可被输出，这将用于输出模型。

这些约束提供了一种消除回弹计算中的刚体运动。

*INTRRFACE_SPRINGBACK_DYNA3D
$ psid
$ nid tcode rcode
0 0 0
0 0 0
为了进行接下来的分析，入回弹，焊缝清理，或者附加成形，这个“dynain”文件将被包含在另外一个独立分析的新LS-DYNA输入。

这个程序能避免讨厌的二进制重启数据库。

隐式回弹
一旦成形模拟完成并且dynain文件获得后，进行回弹预测的二次分析可开始进行。

利用这个dynain文件中包含初始模型的部件，截面，材料材料信息以及节点和初始应力信息，
二次分析所需的输入组可建立了。

一些附加的关键字也要加入以控制回弹分析过程。

这些关键字如下所述：
由于回弹是一个静态过程，所以必须用隐式分析器，可利用*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL上的第一个参数imflag=1来激活这个求解器。

时间步大小同样用dt0输入，并且由于这个求解过程是一个静态过程，它在大多数情况下可以任意选择。

*CONTRO_IMPLICIT_GENERAL
$ imflag dt0 lefs nstepsb igso
1 0.001 0 0 0
一些相对刚度较大的板的回弹分析有时可用单一分析步完成，但对大多数分析来说，需要多步骤。

四步是一个合理的起始点，因此可用*ONTROL_TERMINATION上的term=4*dt0来定义终止时间。

*CONTROL_TERMINATION
$ term
0.004
应用在回弹模拟上的负载是板上的初始应力，它在工具去处后已经不在平衡。

对困难的回弹问题，为了把非线性回弹响应划分为易于处理的片断，这个负载必须在多步中缓慢加载。

LS-DYNA用人造平衡在多步中分配回弹响应。

在这种方法中，弹簧被一如节点以限制板节点的运动。

随着计算的进行，弹簧刚度降低，允许更多的回弹。

到达终止时间时，所有的弹簧被移除以允许完全的无限制回弹。

到达终止时间很重要，否则一些人为平衡将存在于模型中，从而结果不正确。

人为平衡用*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION上的ias=1激活。

激活后，屏幕上显示信息说明有多少的平衡保留在模型中。

在终止时间，这个信息报告所有的人为平衡被移除。

这些弹簧的初始刚度可用输入参数scale来缩放。

对于厚刚板，大致默认值是1.0。

如果这个值scale=0.001，大多数的刚度低的板能更快的计算，允许初始几步的分析中有更多的回弹变形。

如果第一步的收敛困难，可用一个较大的scale。

*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION
$ las scale tstart tend
1 0.001 0 0
如果遇到收敛性问题，自动时间步控制使其后退分析并用较小的时间步重试。

自动时间步控制用*CONTROL_IMPLICIT_AUTO关键字中的iauto=1激活。

对困难的回弹模拟，可利用较强的时间步控制策略。

可用iteopt=200增加适宜的重复数目，dtmax=0.001限制最大的时间步。

*CONTROL_IMPLICIT_AUTO
$ iauto iteopt itewin dtmin dtmax
1 200 0 0.0 0.001
在每一个时间步中，非线性分析器反复搜索去寻找平衡。

这种搜索基于牛顿方法。

缺省
方法是BFGS,但对于困难的回弹问题（有大回弹变形的柔性板），全牛顿方法比较好。

为了激活全牛顿法，设置刚度更新之间的重复极限limit=1，并增大每个时间步的最大云如更度更新maxref＝100。

利用非线性求解器打印标识nlprint=1查看屏幕上显示的更新过程。

位移和能量标准在每个反复过程中显示。

在平衡达到以前，这些值必须降低到公差dctol和ectol。

这两个公差的默认值是0.001和0.01，并且一般情况下不需要改变。

在某些情况下，如果利用lstol＝99999使线搜索失效，全牛顿方法会更好。

*CONTROL_IMPLICIT_NONLINEAR
$ nlsolvr ilimit maxref dctol ectol rctol lstol
0 1 100 0.0 0.0 0 99999.
$ dnorm divflag inistif nlprint
0 0 0 1
隐式分析中刚度矩阵的形成需要大量的内存，并且计算其反矩阵需要很多CPU时间。

这些操作用线性平衡求解器，他的控制参数可在*CONTROL_IMPLICIT_LINEAR中找到。

利用lsolvr=3可选择线性系统的[K]{x}={f}的双精度求解，但是，这并不总能提高结果的质量，并且对双倍增加内存需求量。

当lsprint标识被激活时，内存使用的概要会打印在屏幕上。

利用执行线论点“memory=”可增加内存极限。

缺省的memory=8500000。

*CONTROL_IMPLICIT_LINEAR
$ lsolvr lprint negelg
0 0 0
上述推荐参数为使用LS-DYNA进行金属成形分析提供了一个起点。

经验和工程判断力能为一些特殊的板材提供更好的修改参数组。