Simcenter 3D Solutions Simcenter 3D在钣金成型分析中的应用 （第一部分）
2022-12-19T06:13:43.000-0500
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摘要
使用Simcenter 3D高级非线性分析功能可以非常好的对钣金成型过程进行仿真分析，预测零件在成型过程中的回弹分析、褶皱等缺陷的产生位置等，为钣金产品的设计提供可靠的依据。
详细信息
0.引言
钣金成型是制造业一种重要的加工工艺，具有经济效益高、材料利用率高、生产过程简单、易于实现自动化等特点。钣金成型工艺已经广泛应用于汽车、 航空、家电等行业。钣金成型的精度衡量指标之一是直线度和角度，常见的三大缺陷分别是翘曲、拉裂和回弹，其中以回弹最难控制，会直接影响钣金件的角度精度。回弹的主要原因是因为金属板材在钣金成型过程中发生了弹性变形和塑性变形。当模具撤除后，弹性变形会消失，而塑性变形则不会因为模具的移除而消失。所以这时钣金零件就会发生回弹现象。
通常工程技术人员通过实验来研究钣金零件回弹，但是钣金实验结果往往存在很多不确定性，不仅受实验环境和设备的影响，不同的实验操作人员以及实验件的处理方法都会影响实验结果。而且实物实验通常需要耗费大量的人力、物力成本以及大量的时间。借助有限元仿真技术能够进行钣金成型的虚拟实验，且随着有限元分析的精度提高，仿真分析的精度逐渐逼近真实实验，同时节约试验和人力成本。因此，目前钣金成型研究大多采用以有限元模拟为主和实验为辅的研究方法。
1.Simcenter 3D软件介绍
Simcenter软件是一个将系统仿真、基于3D模型的仿真和测试集于一身的工业软件，可以帮助用户在早期和整个产品生命周期预测所有关键属性和性能。
Simcenter 3D通过革命性地提高模拟效率，解决了复杂的产品工程过程。凭借先进的3D仿真技术和全面的CAE应用程序，Simcenter 3D提供了新的方法，可以提高真实感，更好地了解产品的性能。Simcenter 3D捕获专家知识和最佳实践工作流，使设计工程师和仿真工程师能够在一个平台上进行协作，以适应功能性能的所有方面的要求。
2.Simcenter 3D在钣金成型分析中的关键技术
使用Simcenter 3D高级非线性分析功能可以非常好的对钣金成型过程进行仿真分析，预测零件在成型过程中的回弹分析、褶皱等缺陷的产生位置等，为钣金产品的设计提供可靠的依据。Simcenter 3D 的关键技术包括以下内容：
2.1简单易用的几何理想化功能
Simcenter 3D在CAE前处理环境中提供几何创建和处理功能，为用户仿真带来巨大收益。该软件可以让仿真工程师能够访问和控制几何参数。与此同时，使得仿真工程师和设计工程师协同工作，他们利用同样的设计模型，整个分析前处理能够与CAD模型动态关联。 Simcenter 3D提供同步建模技术支持的直接几何编辑功能。可以直观的快速编辑任何来源的几何模型，这是使用传统CAE前处理器或基于特征的CAD系统无法做到的。 此外，强大的几何体特征抑制和理想化工具，可高效清除特征，提高网格划分的速度和质量，比如小孔、台阶面和狭长面等。
Simcenter 3D前处理提供了强大的几何中面提取功能，可以用于钣金类型的零件进行中面提取工作。Simcenter 3D还可以自动将几何中面的厚度数据赋予到中面所划分的壳单元属性中，这样可以用于描述厚度变化的薄壁类型零件的中面提取。如下图所示，Simcenter 3D 提供简单实用的中面提取命令，可以方便快捷的提取钣金类型零件的中面。
对于多个面片所组成的中面模型，Simcenter 3D提供了边缝合（Stitch Edge）功能，可以为多个面片创建公用边。以下面的图片为例，红色的边是自由边，黑色的边是公共边。
2.2全面的网格划分工具
Simcenter 3D 提供0D、1D、2D以及3D网格模型的生成，并且生成的网格模型与几何模型具有相关性：当几何发生尺寸变化时，与几何相关的网格模型可以进行自动更新而不需要重新导入几何并进行网格划分。
对于钣金成型分析中经常使用的2D Shell单元与3D Solid单元，Simcenter 3D可以提供多种单元类型与网格划分方法。例如，对于Nastran求解器来说，Simcenter 3D支持的Shell单元包括：CQUAD8、CQUAD4、CTRIA6、CTRIA3、CQUADR、CSHEAR等单元。对于其他求解器，例如：ANSYS、Abaqus，Simcenter 3D可以提供多种Shell单元的支持，如下图所示：
同样的，Simcenter 3D支持多种求解器的3D实体单元的生成，包括一阶CTETRA4、二阶四面体CTETRA10以及一阶CHEXA8、二阶六面体单元CHEXA20。对于其他结构求解器，例如：ANSYS、Abaqus、LS-Dyna、Samcef等，Simcenter 3D同样可以提供实体单体的支持，下图显示的是Simcenter 3D支持的其他结构求解器的六面体实体单元的类型：
2.3卓越的非线性求解能力
由于钣金成型过程涉及材料塑性变形、被加工零件大变形/大位移以及模具与被加工工件之间的接触状态变化，所以需要求解器能够提供足够强大的非线性问题求解能力。Simcenter 3D 能够提供卓越的非线性计算能力，可以提供包括SOL401/402 Static/Dynamics解算方案用于钣金成型问题的仿真分析。对于钣金成型分析涉及的材料非线性、几何非线性以及状态非线性，Simcenter 3D 非线性求解器SOL401/402可以提供强大的非线性问题求解能力。一般的，建议使用SOL401/402 Dynamics用于钣金成型过程的仿真分析，使用SOL401/402 Static 解算方案用于钣金成型的回弹过程的仿真分析。
钣金成型是制造业一种重要的加工工艺，具有经济效益高、材料利用率高、生产过程简单、易于实现自动化等特点。钣金成型工艺已经广泛应用于汽车、 航空、家电等行业。钣金成型的精度衡量指标之一是直线度和角度，常见的三大缺陷分别是翘曲、拉裂和回弹，其中以回弹最难控制，会直接影响钣金件的角度精度。回弹的主要原因是因为金属板材在钣金成型过程中发生了弹性变形和塑性变形。当模具撤除后，弹性变形会消失，而塑性变形则不会因为模具的移除而消失。所以这时钣金零件就会发生回弹现象。
通常工程技术人员通过实验来研究钣金零件回弹，但是钣金实验结果往往存在很多不确定性，不仅受实验环境和设备的影响，不同的实验操作人员以及实验件的处理方法都会影响实验结果。而且实物实验通常需要耗费大量的人力、物力成本以及大量的时间。借助有限元仿真技术能够进行钣金成型的虚拟实验，且随着有限元分析的精度提高，仿真分析的精度逐渐逼近真实实验，同时节约试验和人力成本。因此，目前钣金成型研究大多采用以有限元模拟为主和实验为辅的研究方法。
1.Simcenter 3D软件介绍
Simcenter软件是一个将系统仿真、基于3D模型的仿真和测试集于一身的工业软件，可以帮助用户在早期和整个产品生命周期预测所有关键属性和性能。
Simcenter 3D通过革命性地提高模拟效率，解决了复杂的产品工程过程。凭借先进的3D仿真技术和全面的CAE应用程序，Simcenter 3D提供了新的方法，可以提高真实感，更好地了解产品的性能。Simcenter 3D捕获专家知识和最佳实践工作流，使设计工程师和仿真工程师能够在一个平台上进行协作，以适应功能性能的所有方面的要求。
2.Simcenter 3D在钣金成型分析中的关键技术
使用Simcenter 3D高级非线性分析功能可以非常好的对钣金成型过程进行仿真分析，预测零件在成型过程中的回弹分析、褶皱等缺陷的产生位置等，为钣金产品的设计提供可靠的依据。Simcenter 3D 的关键技术包括以下内容：
2.1简单易用的几何理想化功能
Simcenter 3D在CAE前处理环境中提供几何创建和处理功能，为用户仿真带来巨大收益。该软件可以让仿真工程师能够访问和控制几何参数。与此同时，使得仿真工程师和设计工程师协同工作，他们利用同样的设计模型，整个分析前处理能够与CAD模型动态关联。 Simcenter 3D提供同步建模技术支持的直接几何编辑功能。可以直观的快速编辑任何来源的几何模型，这是使用传统CAE前处理器或基于特征的CAD系统无法做到的。 此外，强大的几何体特征抑制和理想化工具，可高效清除特征，提高网格划分的速度和质量，比如小孔、台阶面和狭长面等。
Simcenter 3D前处理提供了强大的几何中面提取功能，可以用于钣金类型的零件进行中面提取工作。Simcenter 3D还可以自动将几何中面的厚度数据赋予到中面所划分的壳单元属性中，这样可以用于描述厚度变化的薄壁类型零件的中面提取。如下图所示，Simcenter 3D 提供简单实用的中面提取命令，可以方便快捷的提取钣金类型零件的中面。
对于多个面片所组成的中面模型，Simcenter 3D提供了边缝合（Stitch Edge）功能，可以为多个面片创建公用边。以下面的图片为例，红色的边是自由边，黑色的边是公共边。
2.2全面的网格划分工具
Simcenter 3D 提供0D、1D、2D以及3D网格模型的生成，并且生成的网格模型与几何模型具有相关性：当几何发生尺寸变化时，与几何相关的网格模型可以进行自动更新而不需要重新导入几何并进行网格划分。
对于钣金成型分析中经常使用的2D Shell单元与3D Solid单元，Simcenter 3D可以提供多种单元类型与网格划分方法。例如，对于Nastran求解器来说，Simcenter 3D支持的Shell单元包括：CQUAD8、CQUAD4、CTRIA6、CTRIA3、CQUADR、CSHEAR等单元。对于其他求解器，例如：ANSYS、Abaqus，Simcenter 3D可以提供多种Shell单元的支持，如下图所示：
2.3卓越的非线性求解能力
由于钣金成型过程涉及材料塑性变形、被加工零件大变形/大位移以及模具与被加工工件之间的接触状态变化，所以需要求解器能够提供足够强大的非线性问题求解能力。Simcenter 3D 能够提供卓越的非线性计算能力，可以提供包括SOL401/402 Static/Dynamics解算方案用于钣金成型问题的仿真分析。对于钣金成型分析涉及的材料非线性、几何非线性以及状态非线性，Simcenter 3D 非线性求解器SOL401/402可以提供强大的非线性问题求解能力。一般的，建议使用SOL401/402 Dynamics用于钣金成型过程的仿真分析，使用SOL401/402 Static 解算方案用于钣金成型的回弹过程的仿真分析。