張亞岐，成振坤

（1.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北　武漢　430058；2.中國重汽技術(shù)中心發(fā)展中心，山東　濟(jì)南　250002）

Zhang Yaqi1，Cheng Zhenkun2

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MARC沖壓仿真方案規(guī)劃

張亞岐1，成振坤2

（1.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北武漢430058；2.中國重汽技術(shù)中心發(fā)展中心，山東濟(jì)南250002）

Zhang Yaqi1，Cheng Zhenkun2

摘要：以MARC為沖壓分析軟件，從工藝補(bǔ)充設(shè)計、模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、接觸對定義以及后處理等方面對沖壓過程進(jìn)行論述，規(guī)劃MARC沖壓仿真方案；并對整個沖壓仿真過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納，給出相應(yīng)的控制要點(diǎn)，提出工藝補(bǔ)充的設(shè)計原則、凸凹模運(yùn)動參數(shù)設(shè)定方法以及計算結(jié)果退出號的解決方案。經(jīng)多次驗(yàn)證，所提及的沖壓過程控制方案能很好地避免MARC沖壓過程中出現(xiàn)的問題，提升了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可為沖壓仿真提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MARC；沖壓；控制；規(guī)劃；方案

0　引　言1

MARC在強(qiáng)非線性分析領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，而板料沖壓成型包含材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性[1-4]。板料沖壓過程實(shí)際上十分復(fù)雜，其變化過程與模具和板料的接觸與摩擦、模具和壓板的運(yùn)動以及壓力機(jī)加載過程有關(guān)，因此在用有限元分析軟件模擬時必須將問題適當(dāng)規(guī)范和簡化，建立合適的力學(xué)模型。

由于板料沖壓成型過程中，模具的剛性通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板料的剛性，因此模具的變形相對板料的變形來說極小，可以忽略不計。在沖壓成型過程計算機(jī)仿真中應(yīng)考慮的問題可歸結(jié)為如下幾個方面：板料在載荷作用下彈塑性變形的描述和內(nèi)部應(yīng)力的計算；模具的幾何描述和運(yùn)動形式；壓力機(jī)加載過程的描述和模擬。

文中以CAE分析的基本流程為基礎(chǔ)，并結(jié)合MARC軟件的特點(diǎn)，規(guī)劃出沖壓仿真過程，具體的流程方案如圖1所示。

1　工藝補(bǔ)充設(shè)計

對于沖壓件而言，在獲取到產(chǎn)品數(shù)模后，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的工藝補(bǔ)充設(shè)計，由于MARC并非沖壓領(lǐng)域的專用軟件，也沒有相應(yīng)的料片展開計算、模面設(shè)計以及回彈補(bǔ)償?shù)饶K，且MARC曲面功能較差，缺乏良好的人機(jī)交互界面，所以建議在CAD軟件中做相應(yīng)的工藝補(bǔ)充。在默認(rèn)狀態(tài)下，MARC對曲面的容錯精度為0.01，當(dāng)涉及到的產(chǎn)品型面復(fù)雜時，最好在CATIA中做相應(yīng)的工藝補(bǔ)充，或者在UG中進(jìn)行補(bǔ)充后，導(dǎo)入CATIA進(jìn)行曲面縫合檢測，對不連續(xù)邊界進(jìn)行修補(bǔ)后再縫合，確保分析數(shù)模的曲面光順。

圖1　MARC沖壓仿真方案

1.1沖壓工藝設(shè)計的原則

沖壓工藝設(shè)計的總原則是保證沖壓零件的高質(zhì)量，生產(chǎn)的高效率和低成本，包括材料沖壓板材的高利用率、低成本和工模具的低成本。

設(shè)定沖壓方向原則要有利于拉延成形。無負(fù)角，保證凸模能夠進(jìn)入凹模；無滑移，保證開始拉延時凸模接觸毛坯的狀態(tài)良好、平坦、多點(diǎn)、平衡以及材料不竄動；無側(cè)向力，拉延深度要均勻，進(jìn)料阻力要平衡；無沖擊線，有利于后序工序。

工藝補(bǔ)充部分設(shè)計原則。工藝補(bǔ)充部分是構(gòu)成完整拉延件的必要組成部分，是指零件本身以外的部分，是拉延件設(shè)計成功與否的關(guān)鍵，也是衡量沖孔工藝設(shè)計水平的標(biāo)志之一。工藝補(bǔ)充必須構(gòu)成完整的拉延件，生產(chǎn)一個完整的殼體，以利于拉延成形；平衡成形阻力，控制材料的流量，拉延深度要均勻，平衡拉延件各斷面的線段長度，充分利用材料的成形極限，避免開裂、起皺；壓料面要平滑過渡，曲面規(guī)則[5-8]。

1.2工藝補(bǔ)充方案

孔洞填充/刪除。將產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入UG后，通過邊界提取，將產(chǎn)品面打散，并對孔洞進(jìn)行自動填充，通過去參數(shù)，解除抽取到的面與原產(chǎn)品的父子關(guān)系。

凸凹模的提取。若獲取到的產(chǎn)品數(shù)模是實(shí)體，可通過抽取面得到凸凹模，將產(chǎn)品外表面作為凹模，內(nèi)表面作為凸模，若考慮凸凹模間隙時，為保證產(chǎn)品型面的一致性，盡量通過對原產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的曲面增厚，再抽取內(nèi)表面作為凸模。

坯料輪廓尺寸的確定。坯料的最小輪廓尺寸可通過2種方式獲得。

1）利用CAE軟件（Autoform）中料片展開模塊，通過計算獲取到產(chǎn)品的最小輪廓線[9-11]。在獲取過程中，一定要提前確定沖壓方向，保證CAE輸出的料片法向與沖壓方向保持一致，否則導(dǎo)入MARC后凸凹模與料片之間存在夾角；在MARC中要精確調(diào)整料片法向與沖壓方向一致比較困難，應(yīng)提前在CAE軟件中將沖壓方向調(diào)整一致。該方法適用于型面復(fù)雜的產(chǎn)品。

2）利用UG中成型性分析獲取料片輪廓線，此方法適用于型面簡單的產(chǎn)品。通過UG展開料片，選擇要展開的基準(zhǔn)平面時，要保證基準(zhǔn)平面法向與沖壓方向一致[12-15]。

壓邊圈設(shè)計。壓邊圈可通過凹模以及分模線獲取到。

2　MARC沖壓工藝仿真方案規(guī)劃

2.1前處理

模型導(dǎo)入。凸凹模、壓邊圈以及料片導(dǎo)入的先后順序?qū)罄m(xù)處理影響很大，在MARC中做沖壓分析時，凹模不動，凸模沿沖壓方向移動，壓邊圈在沖壓過程中通過控制節(jié)點(diǎn)確定其壓邊力的輸出規(guī)則。對于不規(guī)則料片輪廓線，在進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分時要選取邊界線，一般通過框選獲取，若將凸凹模提前導(dǎo)入后，料片輪廓線獲取不便。一般先將料片線導(dǎo)入，完成網(wǎng)格劃分以及邊界條件添加后，再將凸凹模以及壓邊圈導(dǎo)入，在沖壓起始時刻，單元處在凹模與壓邊圈之間，后導(dǎo)入的凹模和壓邊圈應(yīng)與單元保持一定距離，對凸凹模的相關(guān)設(shè)定完成后，再調(diào)整凸凹模及壓邊圈到指定位置。

網(wǎng)格劃分。MARC中網(wǎng)格生成方式種類較多，大致可分為2類。

1）網(wǎng)格的直接定義。通過基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面建立相應(yīng)的單元，該方法適用于料片輪廓線是規(guī)則曲線的產(chǎn)品。

2）幾何實(shí)體轉(zhuǎn)化單元。實(shí)體的點(diǎn)、線、面轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)和單元，該方法適用于不規(guī)則料片輪廓線的產(chǎn)品。

單元網(wǎng)格的細(xì)化。在MARC中建立單元時，一般先是建立基元，再通過相應(yīng)的網(wǎng)格編輯指令完成對網(wǎng)格的細(xì)分和修正。通過設(shè)定相應(yīng)的橫向、縱向單元細(xì)分?jǐn)?shù)目即可對基元進(jìn)行細(xì)分，這對于局部單元的細(xì)分極為有效。

單元畸形檢測與修正。單元的畸形極有可能導(dǎo)致模型不收斂或計算不準(zhǔn)確，為此，在進(jìn)行分析前需對劃分的單元進(jìn)行畸形檢測。首先對冗余的節(jié)點(diǎn)和幾何元素進(jìn)行剔除，并對所有元素進(jìn)行重新編號，利用CHECK功能對現(xiàn)有單元進(jìn)行畸形檢測，并通過設(shè)定相應(yīng)的修正參數(shù)，對現(xiàn)存的畸形單元進(jìn)行修正，對于型面復(fù)雜的模型，此過程不能省略。

材料屬性定義。MARC自帶有材料庫，但內(nèi)部材料庫大多是合金鋼，一般的沖壓材料幾乎沒有，所以需用戶自行定義材料屬性。材料基本屬性包括：彈性模量、泊松比、密度、屈服準(zhǔn)則和硬化準(zhǔn)則等。

幾何屬性定義。MARC分析沖壓時，一般常用的2種單元：mech_three_shell和hex（8）單元，也就是實(shí)體厚殼單元和實(shí)體單元。實(shí)體單元無需定義幾何參數(shù)，通過單元的映射完成實(shí)體單元的生成，系統(tǒng)默認(rèn)映射后的單元為實(shí)體單元；對于殼單元只需輸入殼厚度，其他參數(shù)默認(rèn)即可。

接觸體定義。MARC的接觸是通過設(shè)定接觸對完成的，在接觸體定義時，需先定義變形體，后定義凸模，定義完凸模后再定義凹模。

沖壓過程中將料片定義為變形體，其摩擦系數(shù)可設(shè)為恒定，也可以表格的形式設(shè)定為動態(tài)摩擦系數(shù)，料片的運(yùn)動方式不指定。

凹模定義為剛體，摩擦系數(shù)的設(shè)定與料片的設(shè)定一致。其運(yùn)動方式默認(rèn)即可。

凸模定義為剛體，摩擦系數(shù)的設(shè)定與料片的設(shè)定一致，由于凸模在沖壓過程中發(fā)生了位移，可通過位移、速度來控制凸模的運(yùn)動，一般通過位移來控制凸模運(yùn)動，凸模運(yùn)動控制參數(shù)選擇位移，再充分考慮沖壓過程，以表格形式輸入作為凸模的控制參數(shù)。

壓邊圈定義為剛體，摩擦系數(shù)設(shè)定與料片設(shè)定一致，由于壓邊圈需通過力來控制，所以，將壓邊圈的控制方式選擇為力，并在壓邊圈上提取1～2個關(guān)鍵點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，在初始條件定義中通過對節(jié)點(diǎn)添加載荷來實(shí)現(xiàn)壓邊力。

接觸體的接觸方式。定義完接觸體后，定義接觸對，在不定義的情況下軟件自動判斷接觸，可通過控制實(shí)現(xiàn)分區(qū)域接觸、分時段接觸等，一般選擇自動接觸判斷即可。

初始條件定義。初始條件可加在單元上，也可加在節(jié)點(diǎn)上。對于沖壓而言，在進(jìn)行成型性分析時，凹模當(dāng)做剛體處理，在整個沖壓過程中不動，壓邊圈在整個沖壓過程中施加壓邊力，將壓邊圈的控制節(jié)點(diǎn)作為施加壓邊力的對象，通過對控制節(jié)點(diǎn)添加相應(yīng)的壓邊力，MARC可將這些力等效地轉(zhuǎn)化為壓邊圈與壓料面之間的面壓。

邊界條件定義。沖壓過程中的擋料銷可轉(zhuǎn)化為邊界條件，擋料銷的根本目標(biāo)就是保證料片幾何中心與沖壓中心保持一致。由于在MARC中設(shè)置相應(yīng)的擋料銷極為不便，可通過對中心節(jié)點(diǎn)添加相應(yīng)的邊界條件即可實(shí)現(xiàn)擋料銷的作用。若分析模型是1/2、1/4對稱模型，也可通過對邊界處單元或節(jié)點(diǎn)添加相應(yīng)的載荷實(shí)現(xiàn)對整個模型的分析。

2.2沖壓計算

沖壓過程定義。MARC對同種模型可做不同類型的分析，對于沖壓可選擇靜態(tài)分析，其中分析總時長與凸模運(yùn)動相關(guān)，一般取1s，載荷子步時間步長為0.02s，整個分析過程分50個載荷子步。

沖壓過程計算。在完成所有設(shè)定后，即可提交運(yùn)算。在提交運(yùn)算前需對接觸控制進(jìn)行選擇，若前期定義多個接觸對，此處即可選擇多個接觸對中的一個進(jìn)行分析，分析類型為大變形，并對分析輸出的結(jié)果參數(shù)進(jìn)行選擇。在確認(rèn)無誤后即可檢測整個模型是否存在警告或錯誤，若無錯誤警告即可提交運(yùn)算。

2.3后處理

錯誤輸出分析。當(dāng)MARC計算完成后，退出號為3004時，表示計算完成，即求解成功；若計算完成后退出號不是3004，表明計算結(jié)果不準(zhǔn)確。最常見的輸出數(shù)字有：13、1009、3002、3009、3015等，如果有網(wǎng)格重劃分，還會出現(xiàn)33、5059、5063等錯誤，需要參照EXITMESSAGE提示和OUTPUTFILE去發(fā)現(xiàn)問題和尋求解決問題的方法，然后反復(fù)修改模型，直至提交輸出數(shù)字正確為止。常見的輸出數(shù)字可以做如下處理。

1）輸出13錯誤：如果模型中不存在網(wǎng)格重劃分，代表幾何模型有錯誤，這種情況應(yīng)該檢查建模過程中可能出現(xiàn)的失誤，一般有可能是以下原因：

（1）存在畸形的單元，應(yīng)該重新劃分，盡量將單元形狀劃分規(guī)則；

（2）存在冗余節(jié)點(diǎn)或單元沒有排列好，應(yīng)該用sweep命令清除掉多余的節(jié)點(diǎn)；

（3）有可能是材料問題或接觸剛體的問題；

（4）約束加得不合適；

（5）約束或接觸體的定義名稱給得不合適；

（6）剛體曲面存在破損或剛體曲面中某一曲面接觸方向錯誤（最為常見）。

2）輸出33錯誤：這個錯誤提示一般出現(xiàn)在網(wǎng)格重劃分時，是由于網(wǎng)格重新細(xì)化以后，模型中的網(wǎng)格數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目急劇增大，Job中設(shè)置的網(wǎng)格重劃參數(shù)小于實(shí)際中網(wǎng)格重劃后生成的參數(shù)。改正的方法是將Job中設(shè)置的網(wǎng)格重劃參數(shù)中相應(yīng)的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)增大，即只要將該選項(xiàng)中的3項(xiàng)（即max element；max node；max contact）數(shù)值加大，在設(shè)置這幾個數(shù)值之前應(yīng)該大概估計一下將會生成的單元數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目，有目的地去修改。

3）輸出3009錯誤：提示代表計算結(jié)果不收斂，有可能是以下原因：

（1）收斂準(zhǔn)則選得不合適或收斂容差給得不合適，對待不同的問題應(yīng)該有不同的收斂準(zhǔn)則，有些用位移收斂準(zhǔn)則好，有些用力收斂準(zhǔn)則好，有些用應(yīng)變能收斂準(zhǔn)則好。當(dāng)然收斂的容差數(shù)值也應(yīng)該給得合適；

（2）有可能是步長給得不合適，應(yīng)該選用自適應(yīng)載荷步，使用adaptive s teps aut o ste p并把parameters中的＃cut backs allow值設(shè)置大些；

（3）減少loadcases總時間；

（4）增大時間步長。

以上4種解決方案都不能解決，則應(yīng)具體分析結(jié)果的動畫，觀察變形體是否在成型過程中偏離出剛體的邊界，或者2個剛體面發(fā)生接觸等。

4）輸出5063錯誤：說明網(wǎng)格重劃中沒有設(shè)置單元邊的平均長度值，這個長度值是網(wǎng)格重劃分模型目標(biāo)的平均長度，是網(wǎng)格能夠得以重新劃分成功必不可少的條件。

5）輸出5059錯誤：網(wǎng)格重劃分失敗，有可能是網(wǎng)格重劃分的準(zhǔn)則或網(wǎng)格重劃分參數(shù)設(shè)置得不好，應(yīng)該去調(diào)節(jié)，主要包括網(wǎng)格重劃分的單元長度和總單元、總節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

在模型準(zhǔn)確計算完成后，進(jìn)入后處理模塊，打開默認(rèn)的后處理文件，可通過監(jiān)控器觀察整個沖壓過程，可添加變形前板料圖，對比分析板料的變形過程。MARC中顯示結(jié)果可分為2種方式，即沿路徑顯示和隨時間顯示。沿路徑顯示時，選取多個節(jié)點(diǎn)，獲取這些節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的載荷步，添加曲線時將橫軸指定為弧長，縱坐標(biāo)由用戶指定要顯示的變量；隨時間顯示，即以時間為橫軸，整個曲線描述的是單個或多個節(jié)點(diǎn)的結(jié)果變量。MARC還可以動畫輸出。

MARC計算結(jié)果中的成型極限參數(shù)用于沖壓件的成型性判定，對于厚殼單元還可利用單元厚度以及減薄率判定板料的成型性能。

3　結(jié)束語

MARC在強(qiáng)非線性分析領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，而沖壓又是非線性分析的典型代表，因此，文中以沖壓分析為例，規(guī)劃MARC沖壓方案，從工藝補(bǔ)充設(shè)計、模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、接觸對定義以及后處理等方面對沖壓過程進(jìn)行論述。對MARC沖壓過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納，以工藝補(bǔ)充原則、CAE分析的基本流程為基礎(chǔ)，提出工藝補(bǔ)充的設(shè)計原則、凸凹模運(yùn)動參數(shù)設(shè)定方法以及計算結(jié)果退出號的解決方案。經(jīng)多次驗(yàn)證，所提及的沖壓過程控制方案能很好地避免MARC沖壓過程中出現(xiàn)的問題，提升了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可為沖壓仿真提供參考依據(jù)。

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收稿日期：2015? 10? 08

文章編號：1002-4581（2016）01-0014-04

基金項(xiàng)目：（61374196，51178053）；教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計劃項(xiàng)目（IRT1286）。

中圖分類號：U466：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.004