淺談用MSC.MARC/MENTAT模擬汽車?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?yán)鋸澬弯摮尚偷目尚行浴?/p>
關(guān)鍵詞： 靜力隱式算法 動力顯式算法 板料成形數(shù)值分析 MSC.MARC/MENTAT
在對輥彎成型的研究中，如果實現(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。從已有的各種研究方法及成果看，目前對輥彎成型的整個成型過程的研究大多是通過對板帶在兩組軋輥之間的變形逐段分析實現(xiàn)的，不能有效反映全流程過程中所有軋輥共同作用下板帶的變形形態(tài)。
1.靜力隱式算法和動力顯式算法
板料成形有限元模擬的時間積分方法一般有靜力隱式算法和動力顯式算法兩種。
在板料成形數(shù)值模擬研究的早期，研究人員發(fā)現(xiàn)動力顯式算法的穩(wěn)定性較差，計算效率低，故相當(dāng)長的一段時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。隨著時間的推移，人們從研究兩維問題逐步向三維問題擴展時，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，計算時間隨著結(jié)點自由度數(shù)的增加而大幅上升等問題顯得突出。經(jīng)過研究人員的努力，因復(fù)雜變化的接觸條件而產(chǎn)生的迭代收斂困難的問題逐步得到緩解。董湘懷在模具表面以外增加一個“彈性邊界層”，用以改善因結(jié)點接觸狀態(tài)的變化而引起的計算不穩(wěn)定現(xiàn)象。D.Zhu經(jīng)過多年的研究，提出Z-cfs算法及改進(jìn)的n-cfs算法，此算法通過在每個結(jié)點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算效率方面的問題沒有完全解決。這樣動力顯式算法被提出來研究，此法時間步長小，無需求解剛度矩陣，不會因起皺等現(xiàn)象產(chǎn)生數(shù)值失穩(wěn)、適合求解大型復(fù)雜成形問題。但動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Ford汽車公司的S.C.Tang始終認(rèn)為靜力隱式算法是板料成形數(shù)值模擬時使用的最好方法。
顯式積分法的運算時間與有限元分析問題的規(guī)模成正比，隱式方法的運算時間與整體模型矩陣帶寬的平方成正比。從這點上說，動力顯式算法在計算效率上有一些優(yōu)勢，但隨著計算機速度的提高，計算方法的改進(jìn)，靜力隱式算法的計算效率問題逐漸被克服。
2.模具驅(qū)動和壓力驅(qū)動
板料成形可分為模具驅(qū)動和壓力驅(qū)動兩種類型，對于模具驅(qū)動問題，動力顯式算法可以通過采用虛擬沖壓速度縮短計算時間，但對計算精度的影響不可忽略。對于壓力驅(qū)動問題，動力顯式算法不能用上述方法縮短計算時間。準(zhǔn)靜態(tài)的靜力隱式算法比較符合真實的沖壓過程，計算精度較高，但存在計算速度問題。
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)測回彈、起皺及成形極限。在分析起皺時，用動力顯式算法人為地增大慣性項對分析結(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，用弧長法等自動加載法解決上述問題。
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在處理接觸問題時，相較于其他軟件有其獨特之處。其中基于直接約束的接觸算法是解決所有接觸問題的通用算法，特別是對大面積接觸，以及事先無法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問題，程序能根據(jù)物體的運動約束和相互作用自動探測接觸區(qū)域，施加接觸約束。其獨特之一是接觸體的定義十分簡潔，完全拋開目前其他軟件采用的定義接觸單元或接觸點對的繁雜過程。這種方法對接觸的描述精度高，具有普遍適性，無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)系的變化會增加系統(tǒng)矩陣帶寬。
在進(jìn)行冷彎成型的模擬時，采用直接約束法進(jìn)行接觸分析，可以通過調(diào)整接觸容限、偏斜系數(shù)來既有較好的計算效率又有良好的計算精度。
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，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程分析[J].鋼管，1998，8（4）：25-27.
[4]周瑛.輥式成型過程的彈塑性大變形樣條有限元模擬[D].東北重型機械學(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?yán)鋸澬弯摮尚偷目尚行浴?/p>
關(guān)鍵詞： 靜力隱式算法 動力顯式算法 板料成形數(shù)值分析 MSC.MARC/MENTAT
在對輥彎成型的研究中，如果實現(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。從已有的各種研究方法及成果看，目前對輥彎成型的整個成型過程的研究大多是通過對板帶在兩組軋輥之間的變形逐段分析實現(xiàn)的，不能有效反映全流程過程中所有軋輥共同作用下板帶的變形形態(tài)。
1.靜力隱式算法和動力顯式算法
板料成形有限元模擬的時間積分方法一般有靜力隱式算法和動力顯式算法兩種。
在板料成形數(shù)值模擬研究的早期，研究人員發(fā)現(xiàn)動力顯式算法的穩(wěn)定性較差，計算效率低，故相當(dāng)長的一段時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。隨著時間的推移，人們從研究兩維問題逐步向三維問題擴展時，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，計算時間隨著結(jié)點自由度數(shù)的增加而大幅上升等問題顯得突出。經(jīng)過研究人員的努力，因復(fù)雜變化的接觸條件而產(chǎn)生的迭代收斂困難的問題逐步得到緩解。董湘懷在模具表面以外增加一個“彈性邊界層”，用以改善因結(jié)點接觸狀態(tài)的變化而引起的計算不穩(wěn)定現(xiàn)象。D.Zhu經(jīng)過多年的研究，提出Z-cfs算法及改進(jìn)的n-cfs算法，此算法通過在每個結(jié)點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算效率方面的問題沒有完全解決。這樣動力顯式算法被提出來研究，此法時間步長小，無需求解剛度矩陣，不會因起皺等現(xiàn)象產(chǎn)生數(shù)值失穩(wěn)、適合求解大型復(fù)雜成形問題。但動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Ford汽車公司的S.C.Tang始終認(rèn)為靜力隱式算法是板料成形數(shù)值模擬時使用的最好方法。
顯式積分法的運算時間與有限元分析問題的規(guī)模成正比，隱式方法的運算時間與整體模型矩陣帶寬的平方成正比。從這點上說，動力顯式算法在計算效率上有一些優(yōu)勢，但隨著計算機速度的提高，計算方法的改進(jìn)，靜力隱式算法的計算效率問題逐漸被克服。
2.模具驅(qū)動和壓力驅(qū)動
板料成形可分為模具驅(qū)動和壓力驅(qū)動兩種類型，對于模具驅(qū)動問題，動力顯式算法可以通過采用虛擬沖壓速度縮短計算時間，但對計算精度的影響不可忽略。對于壓力驅(qū)動問題，動力顯式算法不能用上述方法縮短計算時間。準(zhǔn)靜態(tài)的靜力隱式算法比較符合真實的沖壓過程，計算精度較高，但存在計算速度問題。
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)測回彈、起皺及成形極限。在分析起皺時，用動力顯式算法人為地增大慣性項對分析結(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，用弧長法等自動加載法解決上述問題。
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在處理接觸問題時，相較于其他軟件有其獨特之處。其中基于直接約束的接觸算法是解決所有接觸問題的通用算法，特別是對大面積接觸，以及事先無法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問題，程序能根據(jù)物體的運動約束和相互作用自動探測接觸區(qū)域，施加接觸約束。其獨特之一是接觸體的定義十分簡潔，完全拋開目前其他軟件采用的定義接觸單元或接觸點對的繁雜過程。這種方法對接觸的描述精度高，具有普遍適性，無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)系的變化會增加系統(tǒng)矩陣帶寬。
在進(jìn)行冷彎成型的模擬時，采用直接約束法進(jìn)行接觸分析，可以通過調(diào)整接觸容限、偏斜系數(shù)來既有較好的計算效率又有良好的計算精度。
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，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程分析[J].鋼管，1998，8（4）：25-27.
[4]周瑛.輥式成型過程的彈塑性大變形樣條有限元模擬[D].東北重型機械學(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.
