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1、材料成形计算机模拟中的参数化有限元法——黄菊花黎雪芬饶进军等文章编号:1004-132Ò(2003)02-0145-03材料成形计算机模拟中的参数化有限元法黄菊花黎雪芬饶进军肖祥芷董湘怀摘要:在分析常规有限元法在材料成形模拟中的不足的基础上,提出了参数化有限元分析的概念,阐述了其基本任务、基本过程、实现方法和进行参数化有限元分析的技术要点。针对方孔翻边问题进行了编程式参数化有限元法研究,其结果与现有文献试验结果基本吻合;针对方盒拉深中的坯料形状优化问题进行了交互式参数化有限元法研究,其结果与现有文献试验结果基本吻合。研究表明,提出的参数化有限元法实用、可
2、行,为材料成形黄菊花教授计算机模拟探索出了一种高效快捷、实用的新方法。关键词:金属材料成形;参数化有限元分析;数值模拟;优化中图分类号:TG302文献标识码:A有限元法得到了广泛的应用,具有如下优点:本文针对当前有限元分析软件系统存在的问①不需要建造物理模型,节省人力、物力和时间;题,将有限元分析有关数据参数化。对前处理进行②具有很强的非线性分析能力;③能对变形过程参数化包括几何模型、有限元网格划分、约束边界物理特性真实包容;④有极大的灵活性,能用于模条件、载荷及材料性能的参数化等,从而使用户在拟在目前尚不能提供的虚拟条件下模型的性态,参数化建模后可一次
3、性计算出不同参数下的各类从而为探索性的研究如新工艺、新材料的研究等结果,便于直接进行优化分析、比较;对后处理部提供了手段。但有限元法分析也存在分析系统的分进行参数化,主要目的是帮助用户从大量的分前后置处理过程比较复杂、烦琐,易出错等不足。析数据中迅速提取用户所关心的信息。若用传统的有限元分析的后处理模块来读出信息,只能对1参数化有限元法的特点和实现方法各次分析结果逐个进行处理。对后处理部分进行111参数化有限元法的提出及其特点参数化后,可以实现“批处理”,不仅节约了用户时根据经验,有限元分析各阶段所用时间的间,且便于不同工艺参数条件下的结果比较,可直40
4、%～45%用于模型的建立和数据输入(即前处接进行优化分析等。理),50%～55%用于分析结果的判读和评定(即112参数化有限元分析的实现后处理),而分析计算只占5%左右。在科研及新11211基本任务及基本过程产品研发实际中,经常要对多个相似方案进行比(1)前处理部分前处理部分对有限元分析较,以筛选出最合理的方案。但当前有限元分析软过程是决定性的,任何参数在数值上的差异都将件系统都是用“软试错”代替“硬试错”,存在前后导致有限元分析结果的不同。有限元分析模型的参数化包括几何模型的参数化、有限元网格划分置处理过程复杂、烦琐,易出错,费时、费力,对软的参数化、
5、约束条件及载荷的参数化、材料性能的件使用者要求高等问题,使一些有限元分析软件参数化等。科研经验表明,并不是所有的数据都是难以推广应用。如果按照现有有限元分析软件所我们关心的,例如,对一个已经定型的产品,如果规定的步骤,将花费大量的时间在各个方案的前我们仅希望考察产品材料性能对形成过程的影后处理上,且增加出错机率。目前,大多数有限元响,则不必将几何模型、有限元网格、约束条件、载分析软件对此问题均没有针对性的解决办法。荷及工艺过程等其它部分参数化,这样可以简化收稿日期:2002—10—21任务。基金项目:江西省主要学科跨世纪学术和技术带头人培养计(2)后处理
6、部分对后处理部分进行参数化,划项目(2001—6);江西省自然科学基金资助项目(2002—主要目的是帮助用户从大量的分析数据中提取用12);华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室开放基金资助项目(2003—2)户所关心的一些信息。对金属板料成形而言,用户往往对一些角部易破裂处的应力、应变值比较感·145·中国机械工程第14卷第2期2003年1月下半月兴趣,若用有限元分析的后处理模块来读出信息,进行几何模型的参数化工作,参数化程度比较浅,只能对各次分析结果逐个进行处理,比较费时。对方法③能够对所研究的问题进行全参数化处理,后处理部分进行参数化后,
7、可以实现“批处理”,可大大提高了研究问题的效率,但目前能接受“命令一次性读出各次分析的结果,成批得到所关心的流”处理的有限元分析软件仅有ANSYS、数据,且易于不同工艺参数条件下的结果比较,既ABAQUS等较少的几种,且均较难处理复杂问节约了用户的时间,又可直接进行工艺参数优化。题。方法③能够实现全参数驱动,自动化程度最对有限元分析前后置处理进行参数化有限元高,是具有发展前途的方法。方法①及方法②是人分析的功能结构见图1。工交互参数化,方法③所述的参数化方法可看作是编程式参数化。2基于ABAQUS的参数化有限元分析实例ABAQUS是美国HKS公司的产品,
8、是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之[1]一,特别是它的非线性(几何、材
