板料成形数值模拟关键技术

560+NT*33 1104+NT*30 888+NT*270 731+NT*667
626 1164 1428 2065
725 1250 2238 4066
单元属性
*SECTION_SHELL $PROPERTY NAME:blankpro
$
SID
5
ELFORM
SHRF
NIP
3.0 T4
PROPT
参数选择 单元方程（2）
在成形分析中 o 平面内拉伸重要 o 对于减薄和拉伸，使用面内一个积分点不会导致明显误差 在回弹预测中 o 应力分布更为重要 o 弯曲和非弯曲, 在单元平面内应力是不一致的 o 在面内选择更多的积分点是必要的
参数选择 单元方程（3）
特点:
o o
Element #2 比 #16快 (3~5倍) Element #16 能够捕获合理的应力分布 对成形分析#2单元是比较好的选择
Element 单元方程 Formulations
Characteristics of the Belytschko-Tsay SE (default)


基于随动坐标系和速度位移方程. 随动坐标系的单元方程 避免了在单元中嵌入坐标系而导致的非线性 动态的复杂性. 单元动量方程假设节点位于同一个平面. 如果是5个积分点, BT单元需要 725数学计算。但是一点HL单元需要 4066次数学计算. HL单元的选择减缩积分需要35,367次数学计算。 由于计算速度效率非常高, BT单元方程通常是壳单元的单元方程的最 佳选择. 正因为如此, 它已经成为4节点板壳单元的缺省的单元方程。
• 节省CPU • 降低内存需求
建议:
o
o
对回弹分析, element #16是更好的选择
• 更加精确的应力分布
在关键字中选择单元方程
o o o o
*SECTION_SHELL ELFORM=2: Element #2 is selected ELFORM=16: Element #16 is selected (ELFORM is the second parameter under the card of *section_shell)
e
f Ao
t
e
e 1 e
d lo
e
ln(1 e )
d
STEP 3: Shift to Remove Elastic Strains
Effective Stress eff vm xx
Effective Strain xx
xx
Shell Elements
EQ.1: EQ.2: EQ.3: EQ.4: EQ.5: EQ.6: EQ.7: EQ.8: EQ.9: EQ.10: EQ.11: EQ.12: EQ.13: EQ.14: EQ.15: EQ.16: Hughes-Liu Belytschko-Tsay (default) BCIZ triangular shell C0 triangular shell Belytschko-Tsay membrane S/R Hughes Liu S/R co-rotational Hughes Liu Belytschko-Leviathan fully integrated membrane Belytschko-Wong-Chiang Fast Hughes-Liu Plane stress 2D element (x-y plane) Plane strain 2D element (x-y plane) Axisymmetric Petrov-Galerkin 2D solid Axisymmetric Galerkin 2D solid fully integrated (BWC)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
材料的加工硬化
= K n
s
从实验数据得到硬化曲线（决定弹塑 性材料的属性）
假设我们从拉伸实验得到力的曲线，用下列 步骤得到硬化曲线
o
产生工程应力/应变 产生真实应力/应变 去除弹性应变得到等效应力/等效塑性应变曲线
o
o
STEP 1: Engineering Stress/Strain Curve


单元使用提示

单元算法BT，BWC，BL采用面内单点积分，全积分采用四点积分 所有壳单元厚度方向可以用任意多个积分点 对弹性变形沿厚度方向用两个积分点即可 塑性行为沿厚度方向用3到5个积分点，回弹可以用7个积分点 避免使用小单元，以免缩小时间步长。如果使用，请同时使用质量 缩放。 减少使用三角形单元。 避免锐角单元和翘曲单元，否则会降低计算精度。
The cost of shell elements vary by formulation
1 . 0 7
1 . 2 8
1 . 4 9
2 . 4 5
2 . 8 0
8 . 8 4
2 0 . 0 1
Element 单元方程 Formulations
Operation counts (for elastic behavior NT=2 is OK)
o o o

缺省参数有其局限性 新的应用，需要新的参数 可以用来调试，
参数选择 单元方程（1）
在钣金成形仿真中通常使用的单元方程 o #2单元方程（ Belytschko-Tsay） o #16单元方程 (全积分单元方程)
#2 单元
o o
#16单元
#2单元在平面内一个积分点 #16单元在平面内四个积分点
参数选择 厚度上的积分点（1）
厚度方向上的积分点(NIP) o 在厚度方向的应力分布是复杂的 o 需要更多的积分点来捕获在厚度方向不同的应力分布模式.
Case I
Case II
Case III
Case IV
几种在厚度方向的应力模式
Case I: 纯弹性弯曲; Case II: 弹性和塑性弯曲; Case III: 弯曲 + 拉伸; Case IV: 回弹后的
E
d , y d
Option 3: Experimental Data
k n k y
p n
, for
y
exponential
材料
Material 18: Material 24: Material 36: Material 37: Material 1: Material 64: Material 103: Material 33: *Mat_Power_Law_Plasticity *Mat_Piecewise_Linear_Plasticity *Mat_3-Parameter_Barlet *Mat_Transversely_Anisotropic_Elastic_Plastic *Mat_Elastic *Mat_Rate_Sensitive_Power_Law_Plasticity *Mat_Anisotropic_Viscoplastic *Mat_Barlet_Yld96
Engineering Stress Force f Original Area Ao
Engineering Strain
Change in Length d Original Length Lo
e
f Ao
d lo
e
STEP 2: True Stress/Strain Curve
Element 单元方程 Formulations
为什么提供这么多单元方程?


全积分单元用于弹塑性，金属成形，气囊以及关心精确度的时候。 三角形单元(C0单元）刚度比较硬，不建议采用。但是在混合网格中采 用，因为C0三角形壳单元，比退化的四边形网格算法好。 膜单元不能受弯曲和断面剪应力，适用于非常薄的板料以及拉张为主 的变形中 。 进化的板壳单元有较高的精确度，但是和BT单元相比稳定性较差 BT单元速度非常快！
E
eff
eff
硬化曲线
所得到的硬化曲线是屈服应力和等效塑性应变 相关曲线。
o
对金属来说，真实应力是递增的
eff
eff
*Mat_3-Parameter_Barlet
*MAT_3-PARAMETER_BARLAT $MATERIAL NAME:DQ $ MID RO E PR HR P1 P2 1 7.850E-09 2.070E+05 2.800E-01 2.000E+00 5.320E+02 2.000E-01 $ M R00 R45 R90 LCID E0 SPI 6.000E+00 1.870E+00 1.270E+00 2.170E+00 0 0.000E+00 0.000E+00 $ AOPT 0.0 $ XP YP ZP A1 A2 A3 $ V1 V2 V3 D1 D2 D3
NIP = 3 Real stress


参数选择 厚度上的积分点（3）
NIP > 7 o 精确度没有明显提高 o 增加不必要的CPU o 需要更多的内存 • 不推荐 Suggestions: o 重力载荷 (可以认为是纯弹性变形) • NIP = 2 可以增加计算速度 o 成形分析: (Case II and III) • NIP=3 o 回弹分析: (Case IV) • NIP=5, 7 注意: 参数NIP 在 *SECTION_SHELL
单轴拉伸试验
在单轴拉伸下, 可以看到下列阶段
o o o o o
弹性 屈服 塑性硬化 颈缩 破裂
u
y
e
hardening
onset of necking
rupture
材料模型
钣金成形的材料塑性模型:
ETAN d , y d
Option 1: Bilinear Model Option 2: Exponential Model

材料模型/塑性行为
单向拉伸试验验证的塑性行为
P A Initial uniaxial yield point y0 y y ai experimental curve L 0 L
elas tic s train
plas tic strain
L n L0 P A
BT单元简单，速度非常快。
Element 单元方程 Formulations
.
30
20
P e r f o r m a n c e
10
1 . 2 5
1
0 BT BTW BL BWC Element T ype CHL HL FBT CFHL FHL Fully in t eg rat e d elem ent s
1.0 NLOC
QR/IRID
0.0
ICOMP
2 0.833E+00 T2 T3
$
T1
1.000E+00 1.000E+00 1.000E+00 1.000E+00
如果成形完后还要计算回弹， 需选择此项
参数选择
为什么不用统一的参数? o LSDYNA是通用求解器 • 不同的应用需要不同的参数 o 不当参数影响结果预测 • 取决于用户的结果时常发生 o 对于板料成形，我们已经找到了合适的参数 • 做了非常多的分析实例 • 参数一致性得到长足改进 o 对不同的应用采用适当的参数，有利于分析效率 o 大多数参数，DYNAFORM都设定了合理的值 用户的经验仍然重要
OPERATION C OUNT C OM PARISONS ONE P OINT I NTEGRATION (V ERSION LS 930)
2 P TS 5 P TS
Bely ts c hko-Ts ay Bely ts c hko-Wong Fas t Hughes -Liu Hughes -Liu
True Stress Cauchy' s Stress Force fl e 1 e Current Area Ao Ac
True Strain
l Change in Length ln ln1 e Current Length lo
板料成形数值模拟关键技术
Contents
单元的选择 材料的定义 模具与板料的相互作用—接触的定义 自适应网格细分 (Adaptive Meshing) 显式算法和隐式算法 时间步长 一步算法，增量算法和2.5D 成形极限图（FLD）
Element 单元方程 Formulations
参数选择 厚度上的积分点（2）
NIP = 2 o Case I中没有错误; o Case II, III, IV中，导致错误 NIP = 3 o Case I中没有错误; o case II, III中，比较小的偏差; o Case IV中，较大偏差 NIP=5,7 o Case I中没有错误; o Case II, III, and IV中，比较小的偏差.