ABAQUS在冲压成形有限元模拟中的应用

    加工成形技术是制造工业的中一种重要的技术。当前，制造行业加工工艺正朝着高技术的方向发展，越来越多的公司在产品研发和制造过程中开始注重仿真技术的应用。

    采用ABAQUS进行仿真模拟的目的是节约开发成本、加快研发速度和提高产品质量。ABAQUS可以针对不同操作系统（如Unix，Linux和Windows等）进行单机或多机并行运算，节省更多运算时间。

    下面以ABAQUS某汽车用户的车门设计为例，说明ABAQUS在冲压成型有限元模拟中的应用。

    传统的车门设计流程如图1所示。

　　　　　　　　　　　　图1 某型号汽车车门的传统设计流程

其中主要设计及加工成本如下：

    1.软质模具的设计和加工成本为20万美元；
    2.初期生产并修改模具的周期一般不低于12周；
    3.硬质模具的设计修改和加工成本为75万美元；
    4.最后产品试生产、模具方案的定型、修正生产流程直至正式生产的周期一般为8~9个月。

    其中，硬质模具的设计费用包含在前期软质模具设计费用之中，后期只计算修改模具设计的费用。

    采用ABAQUS进行数字仿真之后，设计流程如图2所示。

　　　　　　　　　　　图2 引入ABAQUS后某型号汽车车门的设计效果

修改设计流程之后，主要设计和加工成本如下：

    1.软质模具的设计和加工成本为10万美元；
    2.初期生产并修改模具的周期缩短为4周；
    3.硬质模具的设计修改和加工成本为25万美元；
    4.最后产品试生产、模具方案的定型、试生产、修正生产流程直至正式生产的周期一般为3.5~4个月。

    经过以上计算可以明确看出，仅车门的设计费用就节约了2/3，而设计周期则缩短为原来的1/3。

二、模拟加工成形过程中的难点

    加工成形过程的数值模拟受到材料非线性、几何非线性和边界非线性的综合影响，直接计算的难度非常大。从力学本质来看，很多的成形过程可以简化为准静态过程，对该过程的有限元模拟通常有两种方法：静力隐式方法和动力显式方法。根据动力松弛法的原理，动力系统的稳态解和静力解是一致的。所以本文所涉及的算例均采用显式动力学的方法，即使用ABAQUS/EXPLICIT求解器模块，对不同的加工成形过程进行模拟。

    算例表明，ABAQUS在处理加工成形中可以得到令人满意的结果。

三、实际应用

1.普通油箱的冲压成形

    本实例模拟油箱的冲压成型过程。图3所示为实际成型时油箱的一半的形状。考虑到在冲压成型过程中，油箱结构的对称性，本文通过模拟图3左下所示的结构，对其进行模拟分析，达到分析整个油箱成型的目的。首先，通过ABAQUS/CAE完成图3右侧所示的装配图，其中平面铝板将被冲压成型为图3左下的结构。成形的全过程如图4所示，模拟结果跟实际生产过程相吻合。其中，图5所示为整个过程中内能和动能的变化曲线，可以确定模拟过程为准静态。图6表现的是成型后金属板的厚度分布云图。图7给出了与厚度变化最大处的单元相关的四个节点处的厚度在时间域内的变化曲线。

　　　　　　　　　　　　图3 油箱的结构模拟图及装配图

　　　　　　　　　　　　　图4 油箱冲压成形过程示意图 

　　　　　　　　　　　　图5 整个过程中内能和动能的变化曲线