淺談?dòng)肕SC.MARC/MENTAT模擬汽車(chē)?yán)鋸澬弯摮尚偷目尚行?/h1>
2015-09-10 13:23:02趙生蓮
考試周刊 2015年100期
趙生蓮
摘 要： 文章從靜力隱式算法及動(dòng)力顯式算法和板料成形數(shù)值分析的目的，探討了用MSC.MARC/MENTAT模擬汽車(chē)?yán)鋸澬弯摮尚偷目尚行浴?/p>
關(guān)鍵詞： 靜力隱式算法 動(dòng)力顯式算法 板料成形數(shù)值分析 MSC.MARC/MENTAT
在對(duì)輥彎成型的研究中，如果實(shí)現(xiàn)板帶在所有軋輥共同作用下的全流程模擬分析，就可以更準(zhǔn)確地研究板帶成型規(guī)律，預(yù)示成型缺陷，合理地指導(dǎo)輥型及工藝設(shè)計(jì)。從已有的各種研究方法及成果看，目前對(duì)輥彎成型的整個(gè)成型過(guò)程的研究大多是通過(guò)對(duì)板帶在兩組軋輥之間的變形逐段分析實(shí)現(xiàn)的，不能有效反映全流程過(guò)程中所有軋輥共同作用下板帶的變形形態(tài)。
1.靜力隱式算法和動(dòng)力顯式算法
板料成形有限元模擬的時(shí)間積分方法一般有靜力隱式算法和動(dòng)力顯式算法兩種。
在板料成形數(shù)值模擬研究的早期，研究人員發(fā)現(xiàn)動(dòng)力顯式算法的穩(wěn)定性較差，計(jì)算效率低，故相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里靜力隱式算法是主流算法，在板料成形數(shù)值模擬中得到成功應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，人們從研究?jī)删S問(wèn)題逐步向三維問(wèn)題擴(kuò)展時(shí)，靜力隱式算法的求解效率隨著接觸復(fù)雜程度的提升而下降，因剛度矩陣奇異而使求解穩(wěn)定性下降，計(jì)算時(shí)間隨著結(jié)點(diǎn)自由度數(shù)的增加而大幅上升等問(wèn)題顯得突出。經(jīng)過(guò)研究人員的努力，因復(fù)雜變化的接觸條件而產(chǎn)生的迭代收斂困難的問(wèn)題逐步得到緩解。董湘懷在模具表面以外增加一個(gè)“彈性邊界層”，用以改善因結(jié)點(diǎn)接觸狀態(tài)的變化而引起的計(jì)算不穩(wěn)定現(xiàn)象。D.Zhu經(jīng)過(guò)多年的研究，提出Z-cfs算法及改進(jìn)的n-cfs算法，此算法通過(guò)在每個(gè)結(jié)點(diǎn)處引入接觸力作為附加自由度，這樣接觸條件直接參與有限元方程的平衡迭代，使得由于接觸產(chǎn)生的誤差隨著方程的迭代被逐步消去，從而保證結(jié)果的收斂。盡管如此，靜力隱式算法在收斂性及計(jì)算效率方面的問(wèn)題沒(méi)有完全解決。這樣動(dòng)力顯式算法被提出來(lái)研究，此法時(shí)間步長(zhǎng)小，無(wú)需求解剛度矩陣，不會(huì)因起皺等現(xiàn)象產(chǎn)生數(shù)值失穩(wěn)、適合求解大型復(fù)雜成形問(wèn)題。但動(dòng)力顯式算法的求解精度與虛擬成形速度、虛擬質(zhì)量、阻尼的選取有很大關(guān)系，目前理論上尚未解決。所以美國(guó)Ford汽車(chē)公司的S.C.Tang始終認(rèn)為靜力隱式算法是板料成形數(shù)值模擬時(shí)使用的最好方法。
顯式積分法的運(yùn)算時(shí)間與有限元分析問(wèn)題的規(guī)模成正比，隱式方法的運(yùn)算時(shí)間與整體模型矩陣帶寬的平方成正比。從這點(diǎn)上說(shuō)，動(dòng)力顯式算法在計(jì)算效率上有一些優(yōu)勢(shì)，但隨著計(jì)算機(jī)速度的提高，計(jì)算方法的改進(jìn)，靜力隱式算法的計(jì)算效率問(wèn)題逐漸被克服。
2.模具驅(qū)動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)
板料成形可分為模具驅(qū)動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)兩種類(lèi)型，對(duì)于模具驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，動(dòng)力顯式算法可以通過(guò)采用虛擬沖壓速度縮短計(jì)算時(shí)間，但對(duì)計(jì)算精度的影響不可忽略。對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，動(dòng)力顯式算法不能用上述方法縮短計(jì)算時(shí)間。準(zhǔn)靜態(tài)的靜力隱式算法比較符合真實(shí)的沖壓過(guò)程，計(jì)算精度較高，但存在計(jì)算速度問(wèn)題。
3.板料成形數(shù)值分析的目的
板料成形數(shù)值分析的目的是預(yù)測(cè)回彈、起皺及成形極限。在分析起皺時(shí)，用動(dòng)力顯式算法人為地增大慣性項(xiàng)對(duì)分析結(jié)果有影響，而用靜力隱式算法，由于起皺引起的近似奇異剛度矩陣會(huì)導(dǎo)致求解失敗，最近靜力隱式算法在這方面取得進(jìn)展，用弧長(zhǎng)法等自動(dòng)加載法解決上述問(wèn)題。
4.大型通用有限元軟MSC.MARC/MENTAT
基于靜力隱式算法的著名大型通用有限元軟MSC.MARC/MENTAT在處理接觸問(wèn)題時(shí)，相較于其他軟件有其獨(dú)特之處。其中基于直接約束的接觸算法是解決所有接觸問(wèn)題的通用算法，特別是對(duì)大面積接觸，以及事先無(wú)法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問(wèn)題，程序能根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)約束和相互作用自動(dòng)探測(cè)接觸區(qū)域，施加接觸約束。其獨(dú)特之一是接觸體的定義十分簡(jiǎn)潔，完全拋開(kāi)目前其他軟件采用的定義接觸單元或接觸點(diǎn)對(duì)的繁雜過(guò)程。這種方法對(duì)接觸的描述精度高，具有普遍適性，無(wú)需增加特殊的界面單元，不增加系統(tǒng)自由度數(shù)，但由于接觸關(guān)系的變化會(huì)增加系統(tǒng)矩陣帶寬。
在進(jìn)行冷彎成型的模擬時(shí)，采用直接約束法進(jìn)行接觸分析，可以通過(guò)調(diào)整接觸容限、偏斜系數(shù)來(lái)既有較好的計(jì)算效率又有良好的計(jì)算精度。
綜上所述，采用大型通用有限元軟件MSC.MARC/MENTAT分析輥彎成型全流程這種大規(guī)模彈塑性變形是可行的，也很可靠。
參考文獻(xiàn)：
[1]朱少文.冷彎型鋼在建筑工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2004，12：15-16.
[2]劉洋，謝偉平，蔡玉春.冷彎型鋼發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].鋼結(jié)構(gòu)，2004，6（19）：36-39.
[3]胡松林.板帶連續(xù)輥式冷彎成形的喂入過(guò)程分析[J].鋼管，1998，8（4）：25-27.
[4]周瑛.輥式成型過(guò)程的彈塑性大變形樣條有限元模擬[D].東北重型機(jī)械學(xué)院博士學(xué)位論文，1996：36-49.
[5]陳火紅，于軍泉，席源山.MSC.Marc/Mentat2003[M].北京：科學(xué)出版社，2004.
趙生蓮
摘 要： 文章從靜力隱式算法及動(dòng)力顯式算法和板料成形數(shù)值分析的目的，探討了用MSC.MARC/MENTAT模擬汽車(chē)?yán)鋸澬弯摮尚偷目尚行浴?/p>
關(guān)鍵詞： 靜力隱式算法 動(dòng)力顯式算法 板料成形數(shù)值分析 MSC.MARC/MENTAT
在對(duì)輥彎成型的研究中，如果實(shí)現(xiàn)板帶在所有軋輥共同作用下的全流程模擬分析，就可以更準(zhǔn)確地研究板帶成型規(guī)律，預(yù)示成型缺陷，合理地指導(dǎo)輥型及工藝設(shè)計(jì)。從已有的各種研究方法及成果看，目前對(duì)輥彎成型的整個(gè)成型過(guò)程的研究大多是通過(guò)對(duì)板帶在兩組軋輥之間的變形逐段分析實(shí)現(xiàn)的，不能有效反映全流程過(guò)程中所有軋輥共同作用下板帶的變形形態(tài)。
1.靜力隱式算法和動(dòng)力顯式算法
板料成形有限元模擬的時(shí)間積分方法一般有靜力隱式算法和動(dòng)力顯式算法兩種。
在板料成形數(shù)值模擬研究的早期，研究人員發(fā)現(xiàn)動(dòng)力顯式算法的穩(wěn)定性較差，計(jì)算效率低，故相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里靜力隱式算法是主流算法，在板料成形數(shù)值模擬中得到成功應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，人們從研究?jī)删S問(wèn)題逐步向三維問(wèn)題擴(kuò)展時(shí)，靜力隱式算法的求解效率隨著接觸復(fù)雜程度的提升而下降，因剛度矩陣奇異而使求解穩(wěn)定性下降，計(jì)算時(shí)間隨著結(jié)點(diǎn)自由度數(shù)的增加而大幅上升等問(wèn)題顯得突出。經(jīng)過(guò)研究人員的努力，因復(fù)雜變化的接觸條件而產(chǎn)生的迭代收斂困難的問(wèn)題逐步得到緩解。董湘懷在模具表面以外增加一個(gè)“彈性邊界層”，用以改善因結(jié)點(diǎn)接觸狀態(tài)的變化而引起的計(jì)算不穩(wěn)定現(xiàn)象。D.Zhu經(jīng)過(guò)多年的研究，提出Z-cfs算法及改進(jìn)的n-cfs算法，此算法通過(guò)在每個(gè)結(jié)點(diǎn)處引入接觸力作為附加自由度，這樣接觸條件直接參與有限元方程的平衡迭代，使得由于接觸產(chǎn)生的誤差隨著方程的迭代被逐步消去，從而保證結(jié)果的收斂。盡管如此，靜力隱式算法在收斂性及計(jì)算效率方面的問(wèn)題沒(méi)有完全解決。這樣動(dòng)力顯式算法被提出來(lái)研究，此法時(shí)間步長(zhǎng)小，無(wú)需求解剛度矩陣，不會(huì)因起皺等現(xiàn)象產(chǎn)生數(shù)值失穩(wěn)、適合求解大型復(fù)雜成形問(wèn)題。但動(dòng)力顯式算法的求解精度與虛擬成形速度、虛擬質(zhì)量、阻尼的選取有很大關(guān)系，目前理論上尚未解決。所以美國(guó)Ford汽車(chē)公司的S.C.Tang始終認(rèn)為靜力隱式算法是板料成形數(shù)值模擬時(shí)使用的最好方法。
顯式積分法的運(yùn)算時(shí)間與有限元分析問(wèn)題的規(guī)模成正比，隱式方法的運(yùn)算時(shí)間與整體模型矩陣帶寬的平方成正比。從這點(diǎn)上說(shuō)，動(dòng)力顯式算法在計(jì)算效率上有一些優(yōu)勢(shì)，但隨著計(jì)算機(jī)速度的提高，計(jì)算方法的改進(jìn)，靜力隱式算法的計(jì)算效率問(wèn)題逐漸被克服。
2.模具驅(qū)動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)
板料成形可分為模具驅(qū)動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)兩種類(lèi)型，對(duì)于模具驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，動(dòng)力顯式算法可以通過(guò)采用虛擬沖壓速度縮短計(jì)算時(shí)間，但對(duì)計(jì)算精度的影響不可忽略。對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，動(dòng)力顯式算法不能用上述方法縮短計(jì)算時(shí)間。準(zhǔn)靜態(tài)的靜力隱式算法比較符合真實(shí)的沖壓過(guò)程，計(jì)算精度較高，但存在計(jì)算速度問(wèn)題。
3.板料成形數(shù)值分析的目的
板料成形數(shù)值分析的目的是預(yù)測(cè)回彈、起皺及成形極限。在分析起皺時(shí)，用動(dòng)力顯式算法人為地增大慣性項(xiàng)對(duì)分析結(jié)果有影響，而用靜力隱式算法，由于起皺引起的近似奇異剛度矩陣會(huì)導(dǎo)致求解失敗，最近靜力隱式算法在這方面取得進(jìn)展，用弧長(zhǎng)法等自動(dòng)加載法解決上述問(wèn)題。
4.大型通用有限元軟MSC.MARC/MENTAT
基于靜力隱式算法的著名大型通用有限元軟MSC.MARC/MENTAT在處理接觸問(wèn)題時(shí)，相較于其他軟件有其獨(dú)特之處。其中基于直接約束的接觸算法是解決所有接觸問(wèn)題的通用算法，特別是對(duì)大面積接觸，以及事先無(wú)法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問(wèn)題，程序能根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)約束和相互作用自動(dòng)探測(cè)接觸區(qū)域，施加接觸約束。其獨(dú)特之一是接觸體的定義十分簡(jiǎn)潔，完全拋開(kāi)目前其他軟件采用的定義接觸單元或接觸點(diǎn)對(duì)的繁雜過(guò)程。這種方法對(duì)接觸的描述精度高，具有普遍適性，無(wú)需增加特殊的界面單元，不增加系統(tǒng)自由度數(shù)，但由于接觸關(guān)系的變化會(huì)增加系統(tǒng)矩陣帶寬。
在進(jìn)行冷彎成型的模擬時(shí)，采用直接約束法進(jìn)行接觸分析，可以通過(guò)調(diào)整接觸容限、偏斜系數(shù)來(lái)既有較好的計(jì)算效率又有良好的計(jì)算精度。
綜上所述，采用大型通用有限元軟件MSC.MARC/MENTAT分析輥彎成型全流程這種大規(guī)模彈塑性變形是可行的，也很可靠。
參考文獻(xiàn)：
[1]朱少文.冷彎型鋼在建筑工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2004，12：15-16.
[2]劉洋，謝偉平，蔡玉春.冷彎型鋼發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].鋼結(jié)構(gòu)，2004，6（19）：36-39.
[3]胡松林.板帶連續(xù)輥式冷彎成形的喂入過(guò)程分析[J].鋼管，1998，8（4）：25-27.
[4]周瑛.輥式成型過(guò)程的彈塑性大變形樣條有限元模擬[D].東北重型機(jī)械學(xué)院博士學(xué)位論文，1996：36-49.
[5]陳火紅，于軍泉，席源山.MSC.Marc/Mentat2003[M].北京：科學(xué)出版社，2004.
