02板料成形数值模拟关键技术

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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。
板料成形数值模拟的关键技术
Engineering Technology Associates (China) , Inc
Contents
• • • • • • 时间步长 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) 成形极限图（FLD）
参数选择
• 为什么不用统一的参数? – LSDYNA是通用求解器 • 不同的应用需要不同的参数 – 不当参数影响结果预测 • 取决于用户的结果时常发生 – 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 – 对不同的应用采用适当的参数，有利于分析效率 – 大多数参数，DYNAFORM都设定了合理的值 用户的经验仍然重要
单元属性
*SECTION_SHELL $PROPERTY NAME:blankpro $ SID 5 $ T1 ELFORM SHRF NIP 5.0 T4 PROPT 1.0 NLOC QR/IRID 0.0 ICOMP
2 0.833E+00 T2 T3
2.500E+00 2.500E+00 2.500E+00 2.500E+00
3. 4.
例如：所关心的最小圆弧半径是6mm,成形的最后阶段的最小单元尺寸大约是:
3mm=(6*sin(90/6)*2)如果网格细分等级是3,那么初始单元尺 寸大约12 mm=3*2*2).
工具网格基本参数说明
• • • • 工具网格尺寸大小，不参与时间步长的计算 要能精确地描述模具的几何形状，导角或曲率大的区域 要采用较密的网格； 要能高效地划分模具的型面，如比较平的面可以采用较 稀疏的网格； Surface mesh parameters:
时间步长
Timestep
临界（或最小）时间步长:
t min
Imin C
• 其中C声音在3D连续介质中传播的速度
C
E1 1 1 2
E = Y oung 抯 modulus
= Poisson抯 ratio
= specif ic mass density
– – – – Max. size: 单元最大尺寸 Min. size: 单元最小尺寸 Chordal: 弦高 Angle: 相邻单元边的夹角
<20o
<0.15mm
工具网格质量基本要求
• 模具单元
– 不能有重叠单元、崩溃的单元。
1
2
Collapsed
1 1 (4) 4 3(2) 1(5) 2(6) 2 (3)
•
建议:
– 对成形分析#2单元是比较好的选择
• 节省CPU • 降低内存需求
– 对回弹分析, element #16是更好的选择
• 更加精确的应力分布
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在关键字中选择单元方程
– – – – *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)
BT单元简单，速度非常快。
单元方程
.
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 F BT CFHL FHL Fully in t eg rat e d elem ent s
The cost of shell elements vary by formulation
单元方程
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！
4 1
3 2 5 6
Overlapping
1
4 3 8
2
7 4(8)
1(2)
3(7)
工具网格的检查内容
工具网格检查内容： 1. Boundary Display 通过边界的显示,可以看出模具网格是否有缺失、错误， 提供修补的依据 Auto Plate Normal 自动的使单元发向一致(在单元修补完，一定要使用一次) Overlap Element 检查出重叠的单元,只检查完全重叠的单元(一个单元的节 点和另外一个单元的节点完全重叠)，如果单元的叠加， 边界显示可以方便的检查出来 Coincide Node：检查重合节点，并判断是否合并。 Interior Angle 考虑：删除掉内角小于1度的单元 Element Size 考虑：删除掉单元尺寸过小的单元，比如单元尺寸0.1mm. 检查的同时，退化的单元也得到修正 Die Lock 考虑：删除或修改掉负角单元，同时思考负角单元出现 的原因
1 . 0 7
1 . 2 8
1 . 4 9
2 . 4 5
2 . 8 0
8 . 8 4
2 0 . 0 1
单元方程
Operation counts (for elastic behavior NT=2 is OK)
OPERATION COUNT COMPARI SONS ONE P OINT I NTEGRATION (V ERSION LS 930)
参数选择 厚度上的积分点（1）
• 厚度方向上的积分点(NIP) – 在厚度方向的应力分布是复杂的 – 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
时间步长
Timestep
在求解过程中，LS-DYNA计算所需时间步时，检查所有单元，用最小单 元来决定时间步长。
t n 1 min t , t ,. .., t
1 2
• 其中N是单元数量。
N

为达到稳定，采用一个比例因子，通产采用缺省值是.90或更小的值。 为了减少求解时间，可以使用较大的，保证稳定性的时间步长。
时间步长
声波在不同材料中传播速度例子
空气 水 钢 铝 钛 树脂玻璃 331 m/s 1478 m/s 5240 m/s 5328 m/s 5220 m/s 2598 m/s
声音在两种最常见的金属铁，铝中的传播速度范围是5000.m/s. 在两种材料中,单元特征值是5.mm， 时间步长是1.µs, 通常被设为行业标准。
– 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 – #2单元方程（ Belytschko-Tsay） – #16单元方程 (全积分单元方程)
#2 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
#16单元
参数选择 单元方程（2）
• 在成形分析中 – 平面内拉伸重要 – 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 – 应力分布更为重要 – 弯曲和非弯曲, 在单元平面内应力是不一致的 – 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:
– Element #2 比 #16快 (3~5倍) – Element #16 能够捕获合理的应力分布
单元方程
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。
2. 3.
4. 5. 6.
7.
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思考
• 如何选择单元尺寸？ • 如何选取时间步长？ • 如何检查和修补工具网格？
单元方程
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)
参数选择 厚度上的积分点（2）
• NIP = 2 – Case I中没有错误; – Case II, III, IV中，导致错误 NIP = 3 – Case I中没有错误; – case II, III中，比较小的偏差; – Case IV中，较大偏差 NIP=5,7 – Case I中没有错误; – Case II, III, and IV中，比较小的偏差.
板料网格基本说明
注意1：Tool Radius的意思是工具上你所关心的 最小圆弧半径，通过这个圆弧半径来确定所需单元 的尺寸大小，Convert可以显示他们之前的转换结 果。缺省的转换是按网格细分3级以及一个90度圆 弧上基本划分为三个单元来估算。
注意2：板料单元基本要求： 1. 2. 尽可能采用尺寸均 匀的正方形单元 如果三角形单元不 可避免，尽量放在 板料的外围 板料内部没有自由 边界 不能有重叠单元、 崩溃的单元
NIP = 3 Real stress
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参数选择 厚度上的积分点（3）
• NIP > 7 – 精确度没有明显提高 – 增加不必要的CPU – 需要更多的内存 • 不推荐 Suggestions: – 重力载荷 (可以认为是纯弹性变形) • NIP = 2 可以增加计算速度 – 成形分析: (Case II and III) • NIP=3,5 – 回弹分析: (Case IV) • NIP=5, 7 注意: 参数NIP 在 *SECTION_SHELL

思考
• 如何选择单元方程，有什么影响？ • 如何选择积分点，为什么？
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 y 0 y y ai experimental curve
2 PTS 5 PTS
Bely tschko-Tsay Bely tschko-Wong Fast Hughes-Liu Hughes-Liu
560+NT* 33 1104+NT*30 888+NT* 270 731+NT* 667
626 1164 1428 2065
725 1250 2238 4066