金屬塑性成形過程三維有限元六面體網格自動生成算法及數(shù)值模擬關鍵技術研究.pdf

1、在我國以技術進步、科技創(chuàng)新為中心的現(xiàn)代化建設的進程中,以計算機輔助設計/制造/工程分析(CAD/CAM/CAE)為代表的先進制造技術在該領域中無論在實際應用和學術研究方面都已成為最為活躍的部分。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展以及金屬塑性流動理論的日臻完善,使得金屬塑性成形過程的三維有限元數(shù)值模擬成為現(xiàn)實,利用數(shù)值模擬方法,可以明確整個成形過程的全部細節(jié)問題,為工藝設計和模具優(yōu)化提供強有力的支持。本文針對金屬體積成形過程空間六面體網格自動劃分

2、和再劃分等問題和三維有限元數(shù)值模擬中的關鍵技術進行了深入研究和探討。在三維有限元分析技術中,關于模具形狀的描述和引入有限元分析方面,提出了以有限元表面網格代替整個剛性模具的方案,并采用三維造型中廣泛使用的STL文件格式表達模具形狀并在整個模擬過程中始終保持這種格式：提出了方便有效的空間局部坐標建立方法,保證了有限元模擬中邊界條件的正確施加和結果的正確轉換；推導了工件與模具接觸表面的摩擦力積分以及對單元載荷列陣和剛度矩陣的貢獻項；針對已有

3、的動態(tài)邊界處理方法中引起觸模單元體積變化過大的缺陷,提出了觸模節(jié)點的“原長修正法”,從而有效地減少觸模單元的體積變化,提高了模擬的真實性：關于在剛塑性有限元模擬體積成形過程中體積損失問題本文也進行了專題研究,深入分析了造成模擬過程中工件體積損失的原因,并指出體積損失不可避免但可控制,提出了協(xié)調模擬精度和計算效率之間的關系具體方法。網格劃分是金屬體積成形過程有限元模擬中的“瓶頸”問題,也是此類模擬系統(tǒng)是否成功的關鍵技術。本文首先分析論述了

4、三維有限元分析中六面體網格已有生成算法,并給出了六面體網格與四面體網格相比的優(yōu)勢和特點,指出六面體網格分析精度高、網格劃分數(shù)量少,特別是在大變形的體積成形過程模擬中,此摘要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。~。。。。。。。。。類單元既具有一定的抵抗變形的能力又具有一定變形適應能力,因此,六面體單元是體積成形過程三維有限元數(shù)值模擬的首選單元。目前,己有的六面體網格劃分方法大致可分為三大類,它們的代表算法分別

5、是：映射法、鋪路法和柵格法。本文在綜合比較三類算法基礎上,指出柵格法經過改造后最適合金屬體積成形過程模擬的六面體網格生成方法。 本文在柵格法的基礎上,建立了三維六面體網格劃分方法“表層網格法”,從而保證了所劃分的模型表面具有高質量的六面體網格,滿足了體積成形分析過程對網格的要求。本文詳細研究了所采用的算法和關鍵技術：首先是對所需劃分模型的識別,其中包括模型表面識別、特征邊界和特征點的識別以及整體網格密度函數(shù)分布；在模型識別的基礎上,生成

6、規(guī)則網格,通過節(jié)點和單元的“奇偶判別法”剔除與模型無關的單元,產生核心網格；再根據(jù)規(guī)則提取核心網格的表面節(jié)點、特征邊界和特征點,按順序擬合所需劃分模型與核心網格相對應的特征點、特征邊界和一般表面節(jié)點；在擬合后的核心網格表面按三種模式生成表層網格,這三種模式分別為：表面模式、棱邊模式和頂點模式,這樣就完成了在核心網格表面包絡一層六面體網格,同時也滿足了特征邊界和特征點在網格中特殊的拓撲關系；最后是網格優(yōu)化,在本文所研究的網格優(yōu)化算法不僅具

7、有優(yōu)化網格幾何形狀的功能而且還具有把表層網格“放大”到合適的尺寸,把核心網格表面擬合后畸變的六面體單元“推入”模型內部的功能。采用上述柵格法和表層網格法相結合的六面體網格生成算法不僅保證了模型表面生成高質量的網格而且在模型的內部網格質量也是令人滿意的,從而保證了體積成形過程有限元模擬計算順利進行,通過實例也證明,采用上述方法生成的六面體網格比采用四面體網格在模擬過程中重劃次數(shù)減少50%以上。、 網格再劃分是金屬體積成形過程模擬中不可避免

8、的過程,本文深入分析了網格再劃分的兩個主要標準：工件與模具幾何離散造成的干涉和工件網格單元的變形,并給出了兩個標準的建議值：提出和建立了新舊網格之間包容測試和方程迭代求解物理量傳遞具體算法,經汽車后橋下臂鍛壓成形過程等工程實例計算表明,該算法具有計算速度快,物理量傳遞準確的特點。 有限元的前后處理技術也是整個分析系統(tǒng)的重要組成部分,在本文中,重點II山東大學博士學位論文。。。。。。。。。。。。。。。。對基于六面體網格的三維模擬結果進行顯

9、示消隱處理、表面等值線和任意剖面等值線的生成和顯示算法進行了研究,提出了先“面消隱”再“線消隱”的三維六面體網格動態(tài)消隱方法,使得變形后的網格在屏幕上顯示更加快速清楚、具有立體效果；在三維等值線生成算法中引入“三角形化”的概念,無論是表面四邊形還是任意剖面上的多邊形均轉化為三角形后再在此基礎上生成等值線和彩色云圖,該算法具有原理簡單、編程方便、顯示準確的特點,對于其它類型網格的有限元后處理技術也具有一定的指導意義。 綜合本文所研究的六面