基于物质点法金属体积成形过程的仿真

针对传统有限元法开展金属体积成形分析过程中存在的网格畸变,以及在常规无网格法分析中存在的本质边界条件施加困难等问题,建立了基于物质点法金属体积成形过程的仿真模型。因其背景网格积分采用了有限元形函数,从而有效地解决了边界条件施加困难的问题。通过对圆柱顶镦和反向挤压等金属体积成形过程的仿真,并将仿真结果与实验和有限元结果进行了对比分析,结果显示物质点法不仅能有效地消除网格畸变,而且在金属发生大变形时其计算精度优于有限元法的计算精度。所得结论可为物质点法在弹塑性大变形分析中的应用提供指导。     

基于金属成形塑性分析的无网格法应用

在金属弹塑性变形、金属体积成形、板料成形等金属成形加工方面,分析比较了有限元法与无网格法的优缺点,总结了无网格法各种算法的优势与现状,得出了无网格法在金属成形塑性分析中的巨大潜力,同时,分析了无网格法的不足、亟待继续深入解决的问题,并展望了无网格法在金属成形塑性分析中的发展.     

无网格法在金属成形模拟分析中的应用

利用无网格再生核质点法对金属塑性变形过程进行模拟仿真分析,讨论了无网格法的研究进展,无网格PKPM技术的基本原理和方法,以及应用无网格法进行金属成形过程仿真分析的关键技术,并通过塑性材料数值分析实例,验证无网格法框架下进行金属成形过程模拟分析的可行性和有效性。     

涡轮叶片一维气动方案多学科优化设计

涡轮叶片设计过程中涉及气动、几何、结构、材料、强度、温度等多个学科,需要用多学科优化设计方法进行涡轮叶片的设计。本文应用iSIGHT软件和基于精化网格法的自编程序分别进行了涡轮叶片一维气动方案设计。通过对iSIGHT软件中不同算法的求解与对比分析,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计过程中的优化算法选择提供了参考。应用精化网格法编制的多级涡轮叶片优化设计程序,根据发动机总体提出的性能要求与约束条件,计算得到了多级涡轮热态子午流程通道以及涡轮叶片气动三角形等参数,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计提供了初始的设计点。     

方盒形件拉深成形无网格法模拟

针对板材冲压成形有限元模拟存在的不足,采用一种新的数值方法——无网格法对方盒形件拉深成形进行数值模拟研究。建立基于无网格法的板材冲压成形力学控制方程。采用材料形函数避免影响域和形函数的频繁更新。通过改造无网格形函数获得动可容形函数,该形函数具有插值性,通过对全域内的节点形函数进行重新构造,可精确施加复杂问题的本征边界条件。利用模具上分布的节点建立矩阵,利用矩阵的特性可实现接触搜索。在此基础上,为提高接触搜索效率,提出建立稀疏"矩阵"数据结构加快接触搜索。编写板材冲压成形无网格模拟程序,实现方盒形件拉深成形无网格法模拟。通过盒形件冲压成形无网格数值模拟考察压边力对盒形件冲压成形过程的影响,获得厚度分布和应力应变分布,通过数值模拟结果与试验结果的比较,表明采用无网格法模拟板材冲压成形是有效的。     

基于配点型无网格法的金属体积成形过程数值模拟

基于配点型无网格法的基本原理，阐述了采用配点型无网格法求解偏微分方程的步骤和方法，推导了刚塑性二维轴对称问题的配点型无网格法求解公式。以汽车气门弹簧座冷挤压过程为例，对金属体积成形的塑性变形情况进行了模拟分析。算例表明，配点型无网格法不需要借助背景网格或有限元网格进行数值积分，解决了伽辽金型无网格法计算效率低的问题。计算结果与有限元法比较接近，说明配点型无网格法用于金属塑性大变形过程数值模拟是可行性的。     

无网格法在金属成形塑性分析中的应用

比较了有限元法与无网格法在金属成形应用中的优缺点,分析描述了无网格法在金属弹塑性变形、金属体积成形、板料成形等金属成形加工方面的应用现状,并阐述了无网格法的不足、亟待继续深入解决的问题以及未来的展望.     

板材成形无网格再生核质子法模拟中的接触处理

无网格法不依赖节点,且其形函数具有高阶连续性和非插值性。对板材成形数值模拟,无网格法比有限元法更具优势。接触处理是板材成形无网格数值模拟中的关键问题。构造稀疏"矩阵"加快接触搜索,重构再生核质子法(Reproducing kernel particle method,RKPM)形函数,并使之具有插值性,在此基础上建立材料形函数,精确施加板材成形中的本征边界条件,采用接触力计算模型导出节点接触力无网格表达式,可准确处理板材成形无网格法模拟中的接触问题。数值算例表明接触处理法是可靠的。     

薄板成形中变压边力优化设计方法

变压边力的最大优点是可以根据成形过程不同阶段的变形特点来设置不同压边力 ,从而可以充分利用板料的成形性能 ,然而如何设计变压边力的形式及大小一直未成定论。T Ohata提出的基于网格法和单纯形法的混合算法在求解约束问题时存在解的可行性和有效性问题 ,针对这种不足提出一种改进的混合优化算法 ,使之适合求解非线性约束优化问题 ,并将这种改进的优化算法与薄板成形数值仿真软件相结合 ,提出应用优化理论和数值仿真来确定薄板成形中的变压边力设计方法。将这种方法应用到一球头柱形杯零件的变压边力方案设计时 ,大大减小了零件局部最大减薄量 ,改善了零件的总体质量     

基于LS-DYNA的电子元件冲压成形仿真研究

针对电子元件结构尺寸较小,采用传统方法设计其成形模具效率低且很难保证质量,基于LS-DYNA接触碰撞算法,建立了工件、凸凹模的冲压成形有限元模型,定义了成形条件。在分析过程中通过创建接触界面来实现凸凹模与工件之间力和运动的传递。分析得到了工件应力应变分布图和成形性能图。采用接触碰撞算法可根据节点的时间-位移图来判断工件成形质量,并通过调整分析输入参数来获得最佳成形条件:凸凹模间隙和冲压速度。将仿真分析结果应用到模具设计和冲压工艺参数的拟订定中,实际生产表明仿真分析数据合理可靠。     

金属塑性成形过程再生核质点无网格方法数值模拟

应用微可压缩材料的流动法则,采用再生核函数无网格方法,自行开发了求解方棒压缩、圆棒压缩、反向挤压和轧制等金属塑性成形过程应用程序。应用再生核质点无网格方法计算得到纯铝和铝合金材料金属塑性成形过程的速度场和应力场解析结果,并与自行开发的I-Form有限元程序得到的计算结果以及试验数据进行了分析比较,结果符合良好。再生核质点无网格方法具有求解金属大变形特点,解决了有限元法中的网格重划问题,为复杂金属变形分析提供了良好的研究手段。     

金属体积成形过程的自适应无网格方法

采用动态显式自适应无网格RKPM方法的计算格式，在有效误差估计模型的基础上进行节点加密，采用区域分解思想确定新的计算模型中节点的影响域半径，对金属体积成形过程进行了全过程的计算机模拟。Taylor Bar冲击的自适应无网格计算结果与实验结果吻合良好，有效地验证了该方法的正确性和可行性。挤压算例的计算结果也表明该算法能提高计算精度和改善板内应变能误差。     

Numerical simulation of three-dimensional bulk forming processes by the element-free Galerkin method

A new approach for simulating three-dimensional (3D) bulk metal forming processes is proposed by combining element-free Galerkin method (EFGM) with the flow theory of 3D rigid-plastic/viscoplastic mechanics. Different from the conventional rigid-plastic FEM, the velocity field is constructed by the moving least-squares (MLS) approximation. Special emphasis is placed on the treatments of essential boundary conditions, incompressibility constraint and friction boundaries. The stiffness equation for the analysis of 3D bulk metal forming using EFGM is derived and its key algorithms are given. To test the validity of the proposed meshless approach, a typical 3D upsetting forming process is analyzed and the numerical results are compared with those obtained by commercialized rigid-plastic FEM software Deform^3D. As results show, when handling 3D plastic deformations, the proposed approach eliminates the need of expensive meshing and remeshing procedures unavoidable in conventional FEM, and still provides results that are in good agreement with finite element predictions.     

汽车碰撞过程并行有限元仿真技术

根据显式有限元的计算特点和神威超级计算机的体系结构,设计了基于消息传递和区域分割的动态显式有 限元的并行算法,给出了基于汽车结构和材料特征的并行化分区算法,提出的算法应用在自行开发的GEFEP-P汽 车碰撞的并行化有限元分析软件,并成功移植到神威Ⅰ超级计算机。算例计算结果表明:采用并行有限元计算,可 以大大提高汽车碰撞过程的仿真计算效率。     

刚塑性无网格方法中体积闭锁问题的缓解算法

将无网格伽辽金方法引入金属塑性成形过程分析,在给出基于刚塑性理论的无网格伽辽金方法及其基本理论方程的基础上,重点研究应用无网格方法分析金属塑性成形问题时所面临体积闭锁问题的缓解算法,采用体积应变率映射方法,对能量速率泛函中的体积应变率进行修正处理,通过将速度场计算的体积应变率映射到低维空间,降低独立约束方程数目,从而建立体积闭锁现象的缓解算法。应用所建立的方法对典型锻造过程进行了无网格分析,结果表明,该算法能够有效解决体积闭锁问题。     

板坯稳态立轧过程的RKPM无网格法数值模拟

将一种新的数值模拟方法--再生核质点无网格法用于三维稳定状态板坯立轧过程的数值模拟,在入口处插入一层超薄单元处理速度不连续奇异点;由于无网格方法的形函数不是插值函数,利用罚函数法满足本质边界条件。由于立轧时接触区附近局部塑性变形严重,所以对内部的高斯积分点采用双线性一致性条件,而接触表面的高斯点采用线性一致性条件;对摩擦条件进行特殊的处理以避免由于摩擦切应力在中性点发生突变而引起的数值问题。计算了板坯立轧后的狗骨形,计算结果与文献中的试验数据吻合,并对主要场变量进行了分析。     

基于渐进优化的锻造预成形优化设计研究

体积成形的预成形设计及优化是金属多工序成形设计领域的难点之一,也是获得高质量产品的关键。借鉴渐进结构优化(Evolutionary structural optimization,ESO)的思想,并考虑体积成形特点,建立一种针对体积成形预成形设计的方法——拓扑优化法,并详细给出该方法的优化策略、单元增删准则、插值处理等关键技术。利用自行开发的优化程序,结合DEFORM-2D有限元模拟软件,以理想充填模膛、改善锻件变形均匀性为目标,以静水压力的大小作为单元的增删准则,对开式模锻下轴对称结构的盘形锻件预成形几何外形进行优化设计。优化结果表明,该方法算法原理清晰明确,实现方便,整个过程集成化以后,从模拟到优化均可实现自动进行,运行效率高,同时也有较高的优化精度,预成形结构比较理想。     

薄板冲压成形过程的并行有限元仿真技术

根据显式有限元的计算特点和神威超级计算机的体系结构,设计了基于消息传递和区域分解的动态显式有限元的并行算法,给出了基于薄板冲压有限元仿真特点的并行化分区算法,开发了薄板冲压成形并行有限元仿真软件。算例计算结果表明：采用并行有限元计算,可以大大提高薄板冲压成形的仿真计算效率。     

金属板料冲压成形的数值模拟

本文采用有限元动力显式算法模拟金属板料冲压成形的加工过程。四结点蜕化壳单元和刚体壳单元分别用来建立权和模具的有限元模型;更新Ｌａｇｒａｎｇｅ法和速率型本构关系被用来处理板料变形中的大应变和大转动;材料模型采用塑性各向异性屈服与等向强化模型;通过主从面模型定义板料和模具的接触,接触算法采用运动约束法,摩擦力用库仓定律计算;并利用动力松弛法对回弹过程进行了计算。模拟结果和实际零件比较,证明模型合理,算法稳定,结果可靠,具有良好的应用价值。     

粗糙表面热弹塑性接触自适应无网格分析

为了在较真实地模拟接触状态的同时节省计算耗费,采用自适应无网格法求解粗糙表面热弹塑性接触问题。计算中考虑了屈服强度温度相关因素,将基于应变能梯度的自适应无网格法与线性规划-增量初应力法相结合,构建了热弹塑性接触自适应无网格分析模型,并给出相应的程序流程。通过粗糙表面与弹塑性平面热弹塑性接触算例进行验证,分别对两种不同工程材料考虑切向摩擦力、材料应变硬化和材料屈服强度温度相关等情况进行了讨论。结果表明,采用自适应无网格法能有效求解粗糙表面热弹塑性接触问题,在保证计算精度与整体加密相当的情况下,自适应加密的计算耗费约为整体加密计算耗费的10%。