板料成形数值模拟关键技术,Contents,单元的选择 材料的定义 模具与板料的相互作用接触的定义 自适应网格细分 (Adaptive Meshing) 显式算法和隐式算法 时间步长 一步算法，增量算法和2.5D 成形极限图（FLD）,EQ.1: Hughes-Liu EQ.2: Belytschko-Tsay (default) EQ.3: BCIZ triangular shell EQ.4: C0 triangular shell EQ.5: Belytschko-Tsay membrane EQ.6: S/R Hughes Liu EQ.7: S/R co-rotational Hughes Liu EQ.8: Belytschko-Leviathan EQ.9: fully integrated membrane EQ.10: Belytschko-Wong-Chiang EQ.11: Fast Hughes-Liu EQ.12: Plane stress 2D element (x-y plane) EQ.13: Plane strain 2D element (x-y plane) EQ.14: Axisymmetric Petrov-Galerkin 2D solid EQ.15: Axisymmetric Galerkin 2D solid EQ.16: fully integrated (BWC),Shell Elements,Element Formulations,单元方程,为什么提供这么多单元方程? 全积分单元用于弹塑性，金属成形，气囊以及关心精确度的时候。 三角形单元(C0单元）刚度比较硬，不建议采用。但是在混合网格中采用，因为C0三角形壳单元，比退化的四边形网格算法好。 膜单元不能受弯曲和断面剪应力，适用于非常薄的板料以及拉张为主的变形中 。 进化的板壳单元有较高的精确度，但是和BT单元相比稳定性较差 BT单元速度非常快！,Element Formulations,单元方程,Characteristics of the Belytschko-Tsay SE (default) 基于随动坐标系和速度位移方程. 随动坐标系的单元方程 避免了在单元中嵌入坐标系而导致的非线性动态的复杂性. 单元动量方程假设节点位于同一个平面. 如果是5个积分点, BT单元需要 725数学计算。但是一点HL单元需要4066次数学计算. HL单元的选择减缩积分需要35,367次数学计算。 由于计算速度效率非常高, BT单元方程通常是壳单元的单元方程的最佳选择. 正因为如此, 它已经成为4节点板壳单元的缺省的单元方程。 BT单元简单，速度非常快。,Element Formulations,单元方程,The cost of shell elements vary by formulation,Element Formulations,单元方程,Operation counts (for elastic behavior NT=2 is OK),Element Formulations,单元方程,单元属性,*SECTION_SHELL $PROPERTY NAME:blankpro $ SID ELFORM SHRF NIP PROPT QR/IRID ICOMP 5 2 0.833E+00 3.0 1.0 0.0 $ T1 T2 T3 T4 NLOC 1.000E+00 1.000E+00 1.000E+00 1.000E+00,如果成形完后还要计算回弹，需选择此项,参数选择,为什么不用统一的参数? LSDYNA是通用求解器 不同的应用需要不同的参数 不当参数影响结果预测 取决于用户的结果时常发生 对于板料成形，我们已经找到了合适的参数 做了非常多的分析实例 参数一致性得到长足改进 对不同的应用采用适当的参数，有利于分析效率 大多数参数，DYNAFORM都设定了合理的值 用户的经验仍然重要 缺省参数有其局限性 新的应用，需要新的参数 可以用来调试，,在钣金成形仿真中通常使用的单元方程 #2单元方程（ Belytschko-Tsay） #16单元方程 (全积分单元方程) #2单元在平面内一个积分点 #16单元在平面内四个积分点,#2 单元 #16单元,参数选择 单元方程（1）,参数选择 单元方程（2）,在成形分析中 平面内拉伸重要 对于减薄和拉伸，使用面内一个积分点不会导致明显误差 在回弹预测中 应力分布更为重要 弯曲和非弯曲, 在单元平面内应力是不一致的 在面内选择更多的积分点是必要的,参数选择 单元方程（3）,特点: Element #2 比 #16快 (35倍) Element #16 能够捕获合理的应力分布 建议: 对成形分析#2单元是比较好的选择 节省CPU 降低内存需求 对回弹分析, element #16是更好的选择 更加精确的应力分布 在关键字中选择单元方程 *SECTION_SHELL ELFORM=2: Element #2 is selected ELFORM=16: Element #16 is selected (ELFORM is the second parameter under the card of *section_shell),厚度方向上的积分点(NIP) 在厚度方向的应力分布是复杂的 需要更多的积分点来捕获在厚度方向不同的应力分布模式.,几种在厚度方向的应力模式 Case I: 纯弹性弯曲; Case II: 弹性和塑性弯曲; Case III: 弯曲 + 拉伸; Case IV: 回弹后的,参数选择 厚度上的积分点（1）,NIP = 2 Case I中没有错误; Case II, III, IV中，导致错误 NIP = 3 Case I中没有错误; case II, III中，比较小的偏差; Case IV中，较大偏差 NIP=5,7 Case I中没有错误; Case II, III, and IV中，比较小的偏差.,NIP = 3 Real stress,参数选择 厚度上的积分点（2）,NIP 7 精确度没有明显提高 增加不必要的CPU 需要更多的内存 不推荐 Suggestions: 重力载荷 (可以认为是纯弹性变形) NIP = 2 可以增加计算速度 成形分析: (Case II and III) NIP=3 回弹分析: (Case IV) NIP=5, 7 注意: 参数NIP 在 *SECTION_SHELL,参数选择 厚度上的积分点（3）,单元使用提示,单元算法BT，BWC，BL采用面内单点积分，全积分采用四点积分 所有壳单元厚度方向可以用任意多个积分点 对弹性变形沿厚度方向用两个积分点即可 塑性行为沿厚度方向用3到5个积分点，回弹可以用7个积分点 避免使用小单元，以免缩小时间步长。如果使用，请同时使用质量缩放。 减少使用三角形单元。 避免锐角单元和翘曲单元，否则会降低计算精度。,单向拉伸试验验证的塑性行为,材料模型/塑性行为,单轴拉伸试验,在单轴拉伸下, 可以看到下列阶段 弹性 屈服 塑性硬化 颈缩 破裂,材料模型,Option 1: Bilinear Model Option 2: Exponential Model Option 3: Experimental Data,钣金成形的材料塑性模型:,exponential,材料,Material 18: *Mat_Power_Law_Plasticity Material 24: *Mat_Piecewise_Linear_Plasticity Material 36: *Mat_3-Parameter_Barlet Material 37: *Mat_Transversely_Anisotropic_Elastic_Plastic Material 1: *Mat_Elastic Material 64: *Mat_Rate_Sensitive_Power_Law_Plasticity Material 103: *Mat_Anisotropic_Viscoplastic Material 33: *Mat_Barlet_Yld96,材料的加工硬化, = K n,s,从实验数据得到硬化曲线（决定弹塑性材料的属性）,假设我们从拉伸实验得到力的曲线，用下列步骤得到硬化曲线 产生工程应力/应变 产生真实应力/应变 去除弹性应变得到等效应力/等效塑性应变曲线,STEP 1: Engineering Stress/Strain Curve,STEP 2: True Stress/Strain Curve,STEP 3: Shift to Remove Elastic Strains,硬化曲线,所得到的硬化曲线是屈服应力和等效塑性应变相关曲线。 对金属来说，真实应力是递增的,*Mat_3-Parameter_Barlet,*MAT_3-PARAMETER_BARLAT $MATERIAL NAME:DQ $ MID RO E PR HR P1 P2 1 7.850E-09 2.070E+05 2.800E-01 2.000E+00 5.320E+02 2.000E-01 $ M R00 R45 R90 LCID E0 SPI 6.000E+00 1.870E+00 1.270E+00 2.170E+00 0 0.000E+00 0.000E+00 $ AOPT 0.0 $ XP YP ZP A1 A2 A3 $ V1 V2 V3 D1 D2 D3,由Barlat和Lian开发 平面应力状态下的各向异性材料 由Lankford参数定义各向异性. 有三种硬化准则可以选择. 比37号材料计算慢,*Mat_Transversely_Anisotropic_Elastic_Plastic,*MAT_TRANSVERSELY_ANISOTROPIC_ELASTIC_PLASTIC $MATERIAL NAME:CQ $ MID RO E PR SIGY ETAN R HLCID 1 7.850E-09 2.070E+05 2.800E-01 1.760E+02 5.860E+02 1.400E+00 0.000E+00,s,p,使用Hill屈服函数. 只考虑横断面各向异性,平面内R=(R0+2R45+R90)/4 双线性或任意由定义的应力/等效塑性应变曲线. 不能模拟出凸耳现象,材料库,材料参数曲线,通常可能的错误 观测结果: 在钣金模拟过程中,过早失效(颈缩) 发现原因: 应力应变曲线不合理(高应变范围太低),Bad stress-strain curve,Effective strain,Effective stress,材料参数曲线,产生原因: 通过实验只能获得一定范围内的应力应变曲线,所以需要外插. 有几种外插方式,Commonly extrapolated stress-strain curves,Constant slope (too high stress in large strain),Power law (more reasonable fit),No hardening (result in earlier necking),使用材料提示,在定义材料属性时，确保使用一致的单位制，不正确的单位制(密度,时间,