多工步板料成形问题的多步反向模拟法

提出一种新的多步反向模拟法,该方法建立在虚功原理的基础上,为提高计算精度,采用弹塑性材料模型。提出一种适用于多步反向模拟法的本构关系,可以充分考虑弹 / 塑性变形状态、加载 / 卸载状况。提出一种“双截面线法”来快速获取中间构型,可以充分考虑塑性变形对构型的影响。提出一种快速接触搜索算法来实现中间构型各个节点在约束滑移面上的移动,采用全局搜索和局部搜索策略相结合的方法,加快搜索速度。理论成果已经在自主开发的板料成形反向模拟软件InverStamp/Multi-step模块中实现。在盒形件多步拉深实例中,坯料轮廓、等效应变分布等计算结果与基于ls-dyna的增量法模拟软件Dynaform计算的结果十分吻合,验证了多步反向模拟法相比于一步反向模拟法的优势。     

板料成形反向模拟精度修正法

传统的板料成形反向模拟法(Traditional inverse analysis method, TIAM)没有考虑变形历史对成形过程的影响,使得反向模拟法计算的应力值与实际情况有较大偏差。金属在流经凹模圆角时受到强烈的弯曲—反弯曲作用,并且凹模圆角处往往是应力集中的区域,能否较为准确地描述该区域变形历史,关系到反向模拟法应力/应变计算精度。针对反向模拟法无法准确预测成形零件应力分布的缺点,提出一种快速搜索流经凹模圆角区域单元的方法,对该部分单元进行应力修正。采用一种高效的多步加载应力应变本构关系模型,避免了增量有限元法应力应变更新算法的复杂性,同时充分考虑了凹模圆角对金属变形历史的影响。NUMISHEET’93 U形件弯曲的标准考题中,通过与增量有限元分析软件ABAQUS/Standard计算结果的比较,验证了采用所提出的多步加载本构关系模型可以有效地反映变形历史的影响,获得更为接近真实情况的应力分布。     

多步逆成形有限元法中间构型初始解预示算法

在逆成形有限元法中,为考虑加载路径的影响,针对不同成形类型阶段引入中间构型,整个过程被划分为多阶段成形过程,即多步逆成形有限元法,一个好的中间构型初始解的构造是其中的关键问题之一。针对中间构型初始解的构造,提出一种基于滑移约束曲面的节点反向映射法：利用板材的纯几何弯曲效应构造出弯曲构型,经过伪最小面积法优化后生成空间滑移约束曲面;投影展平的最终构型网格面到展平滑移约束曲面网格中,利用面积坐标计算出所有投影节点的坐标;投影节点反向映射回到空间滑移约束曲面上,构造出对应中间构型的初始解。另外,针对中间构型初始解构造中可能出现部分节点无投影区域的问题,给出一种扩展空间滑移约束曲面轮廓的解决方法。零件的数值算例验证相应算法的可行性与有效性。     

基于塑性流动本构关系的多步反向模拟法

传统板料成形反向模拟法的本构关系是建立在塑性形变理论的基础上,无法考虑变形历史的影响.提出一种新型有效的多步反向模拟法,采用弹塑性材料模型提高计算精度:引入DKT12薄壳单元考虑类似模具圆角处的弯曲一反弯曲效应等应变历史的影响.提出一种基于塑性流动理论的本构方程,可以快速准确地处理弹/塑性变形及加载/卸载状况,提高了应...     

一种基于能量法的自由曲面展开算法

提出了一种基于能量法的自由曲面展开算法,适用于任意复杂自由曲面的展开.根据建立的曲面能量模型,采用映射法进行曲面的Delaunay三角网格划分,并计算空间网格三角形点的变形能,然后进行变形能的释放,得到自由曲面展开后的二维平面.能量法不拘于问题的形式,可以用来求解一般的问题,该算法具有一定的通用性,适用于CAD/CAM中的曲面展开问题.     

基于草图的网格曲面变形算法

为了对网格模型进行控制,提出了一种基于草图线和轮廓线的网格曲面变形技术.首先,通过提取模型的侧影轮廓线或在曲面上绘制初始草图线生成变形区域的初始控制线;然后,对原草图线临近区域进行微分特性的操作,或者绘制一条新的草图线以映射初始控制线;最终利用改进的离散拉普拉斯算子建立线性方程组并采用最小二乘法求解,实现变形.这一变形技术较为直观,方便用户对变形效果的控制,在自主开发的软件平台上进行了测试,验证了其效果和工程可行性.     

三角网格模型特征线识别

给出了新的三角网格模型顶点法矢计算公式,据此对模型中的边进行了分类;在此基础上,提出了一种曲面三角网格模型特征线识别的新方法,该方法根据网格中边的分类结果形成含特征边的特征域,再由这些特征域得到初始特征线,最后对初始特征线进行优化处理,从而识别出网格模型的特征线。     

基于光切测量数据的直接三角化重构

针对光切测量数据的直接三维三角化,提出一种采用同步法在参数域进行初始平面三角剖分,再利用边角和最大准则对反向映射的三维初始三角剖分进行主剖分的三维三角化表面重构的新方法。此外,文中还讨论了利用该方法生成的三角网格的优化和简化,并通过实例验证了该方法的可行性,结果表明：该方法简易可行,不易出错,效率较高。     

可重用零件特征的快速设计技术

针对零件建模中复杂结构设计重用困难的问题,提出了一种基于网格融合的建模方法。采用离散指数映射(DEM)方法对基网格目标区域进行局部参数化;利用最小二乘网格以特征网格边界为条件进行补洞处理,进而采用DEM方法对补洞网格进行参数化,得到特征网格边界点的参数坐标和法矢;依据参数坐标将特征网格边界映射至基网格目标区域,并以目标区域映射边界点的位置和法矢作为初始形变条件,利用基于层的网格变形优化算法对特征网格进行变形重建,使特征网格具有较好的保形性;通过修正特征网格边界点法矢来控制重建网格体积膨胀收缩情况,进一步提高保形性;依据法矢、曲率对基网络和特征网格提取特征图元并以此添加几何约束,控制特征网格在基网格上的位置形态,保证两网格相对位置关系。实验结果表明：该方法便捷高效、精度高,可在新模型设计中有效实现设计重用。     

一种受约束的散乱点三角划分方法

提出了一种基于区域分割的方法来解决受任意边界、孔域、特征线约束的二维散乱点的三角划分问题。该方法分两个步骤 ,第一步实现散乱点的初始三角形连接 ,第二步实现三角形网格优化。在初始三角形连接中 ,每连接一个三角形 ,将待划分区域分为两至三个较小的区域 ,然后分别对每个区域内的散乱点进行三角划分 ,这样一直迭代下去 ,直至没有新区域出现为止。本方法不仅能解决非凸边界、孔域、特征线嵌入等三角划分中的难点 ,而且其计算量也少     

网格曲面上自由形状特征设计重用

针对目前网格曲面上复杂特征重用困难的问题,提出一种保细节的特征重用方法。借助于拉普拉斯坐标蕴含的曲率、法矢等微分几何信息,提出基于微分坐标的重用特征边界环参数化方法,具有保长度、保曲率和保形状的特性,减小特征边界环从兴趣区域映射至目标区域时所产生的形变。采用离散测地极坐标方法对目标网格进行局部参数化,按照参数坐标一致原则将重用特征的边界环映射至目标网格的指定区域,并以映射后的边界环顶点位置和法矢信息为约束边界条件,基于旋转不变量的改进拉普拉斯变形框架,对重用特征进行变形操作,使重用特征与目标区域实现自然过渡。所提特征设计重用框架无须对重用特征本身参数化,因而可以重用任意复杂的特征,且对特征的亏格数亦无限制。试验结果表明,所介绍方法健壮、有效,可用于复杂特征的迁移式设计重用。     

Fast thickness prediction and blank design in sheet metal forming based on an enhanced inverse analysis method

In sheet metal forming process, inverse analysis codes serve a useful purpose at the early product design stage when an approximate analysis is required to determine if the initial concept part can be made and where the failures and defects will occur. In this paper, a robust energy-based 3D mesh mapping algorithm is used to obtain the initial solution and is followed by a reverse deformation method to improve its accuracy. The novel initial solution scheme can consider the material and the process parameters, and thus lead to fewer Newton–Raphson iterations. The actions of the punch, die, blank holder and the drawbead are fully considered. A fast and reliable boundary condition treatment method is implemented to workpiece without binder and addendum information. Contact treatment between punch and die is an essential issue which greatly affects the convergence of Newton–Raphson iterations. A reliable contact treatment based on topological relations of workpiece is proposed to define the force direction between die and punch. Equivalent drawbead forces are also considered with a simplified model. With the improved aspects, the in-house inverse analysis code InverStamp is developed. Application to a square box and a clover-shaped cup are presented with demonstrations of the validity of the code and the efficiency of the proposed modified approaches.     

One step positive approach for sheet metal forming simulation based on quasi-conjugate-gradient method

In one step inverse finite element approach, an initial blank shape is normally predicted from the final deformed shape. The final deformed shape needs to be trimmed into a final part after stamping, the trimmed area, therefore, needs to be compensated manually before using one step inverse approach, which causes low efficiency and in consistency with the real situation. To solve this problem, one step positive approach is proposed to simulate the sheet metal stamping process. Firstly the spatial initial solution of one step positive method is preliminarily obtained by using the mapping relationship and area coordinates, then based on the deformation theory the iterative solving is carried out in three-dimensional coordinate system by using quasi-conjugate-gradient method. During iterative process the contact judgment method is introduced to ensure that the nodes on the spatial initial solution are not separated from die surface. The predicted results of sheet metal forming process that include the shape and thickness of the stamped part can be obtained after the iterative solving process. The validity of the proposed approach is verified by comparing the predicted results obtained through the proposed approach with those obtained through the module of one step inverse approach in Autoform and the real stamped part. In one step positive method, the stamped shape of regular sheet can be calculated fast and effectively. During the iterative solution, the quasi-conjugate-gradient method is proposed to take the place of solving system of equations, and it can improve the stability and precision of the algorithm.     

基于模糊的框架变形重构的应变测量修正

针对三维(three-dimensional,简称3-D)框架结构弹性变形重构中存在的应变测量误差问题,提出了一种应变测量修正的方法。通过逆有限元法(inverse finite element method,简称iFEM)推导出结构表面应变量与测量点位移量之间的应变-位移关系,实测位移量代入应变-位移的转化关系得到相应的逆解应变。由于测量应变中含有安装、测量误差等,测量应变量与逆解应变量之间非线性数学关系模型难以准确得到。基于模糊网络对任意映射关系的无限逼近特性,采用模糊网络(fuzzy network,简称FN)逼近测量应变与逆解应变的关系。在确定模糊网络后,调用网络完成测量应变的修正,利用修正后应变量求解框架的变形位移。最后在三维框架模型上进行实验验证,实验结果表明结构变形重构的误差普遍减小了60%以上,说明该测量应变修正方法能够有效提高变形重构的精度。     

三维复杂零件修边线快速预示方法

为解决传统的修边线预示方法在三维复杂零件修边线求解过程中所存在的诸多困难,在一步逆成形法的理论基础上,提出一种以单元层的方式进行初始几何展开的方法,将需要翻边的网格按节点相邻单元关系逐层展开到三维凹模面上,采用滑动约束面的办法对上一步展开的网格进行光顺处理,来消除重叠或畸形网格,从而得到一步逆成形法所需的三维初始解网格,经过一步逆成形法的塑性迭代求解计算能够快速获得精确的三维复杂零件修边线.先选取一个带有翻边的零件预示出其修边线,用该修边线所确定的初始板料进行翻边成形过程仿真,成形模拟后零件的翻边高度与设计高度进行对比,误差满足要求,再选取一个典型的预示修边线的实例对该算法进行验证,模拟值与试验值相比较的结果同样满足工程实际要求,表明该算法具备了足够的求解精度并且可以处理复杂形状的零件.     

基于组合优化算法的6R机器人逆运动学求解

针对逆运动学求解存在的多解、精度低及通用性差等问题,提出了一种适用于各类6R工业机器人求逆解的组合优化算法.根据经典D-H法建立了机器人运动学模型,以最小化位姿误差为目标,结合运动平稳性原则构造了逆解问题的目标函数,以线性加权和法设计了适应度函数.通过混沌映射初始化种群、收敛因子非线性更新、自适应惯性权重位置调整及引入...     

基于几何映射法的钣金展开有限元逆算法

在现有线性变形逆向映射法的基础上，采用几何映射法计算变换单元，避免单元刚度矩阵出现畸形，提高钣金展开有限元逆算法的稳定性和收敛速度，对几何映射法与投影法所计算的变换单元进行了对比，数值计算结果表明用几何映射法计算的初始估算展开料形状更接近于最终的钣金件展开形状。以涡轮叶片和曲柄轴箱盖的展开为例对改进后的有限元逆算法进行了实验和数值验证，试验结果显示，该方法是有效的钣金展开算法。     

梯度引导电学成像自适应网格生成方法

电学层析成像是一种观测场域内电导率分布的无损检测技术。有限元法是求解电学层析成像问题的常用方法。其作为线性化的近似方法,剖分单元的大小会影响有限元法求解的精度。更密的尺寸可以提高重建图像的空间分辨率,但会增加计算成本,同时未知量个数的增加会加剧逆问题的欠定性。针对上述问题,提出一种基于图像梯度的自适应网格生成方法。根据初始重建图像的梯度,自适应地提高内含物区域的网格密度,降低其他区域的网格密度,并对场域边界进行精确拟合来优化被测场域的网格剖分。通过仿真与实验研究对比分析了所提方法与常用网格剖分方法。结果表明,所提方法的重建结果图像误差平均降低15%,相关系数平均提高7%,因此所提方法在不显著增加或减少网格数的情况下,可以有效提高内含物的重建精度和图像重建质量。     

基于加权广义逆求解被动过约束刚-柔耦合并联机构的受力问题*

提出一种直接应用力映射矩阵的加权广义逆求解一般被动过约束并联机构(指分支提供给动平台的约束力/力偶数目大于等于1的被动过约束并联机构)的超静定受力问题的方法。基于小变形叠加原理和螺旋理论得到了分支约束力螺旋系刚度矩阵的一般表达式。推导一般被动过约束并联机构的各分支约束力螺旋系幅值与六维外力之间的映射关系式,进而证明了该关系式恰好是力映射矩阵的加权广义逆,其中加权矩阵为各分支约束力螺旋系刚度矩阵组成的分块对角阵的逆。以3-RRC空间三自由度被动过约束并联机构和一个并联振动平台为例,直接应用加权广义逆求解了机构各分支约束力螺旋系的幅值,并进行仿真验证。基于加权广义逆求解被动过约束并联机构的超静定受力问题大大简化了求解过程且解的形式统一、简单。