以下论文介绍了一种新颖的 FE 仿真技术 (KBC-FE),该技术通过应用单个模块在云计算环境中执行仿真来降低计算成本。此外,它还在世界领先的科学家之间建立了一个无缝的协作网络,能够将尖端知识模块集成到 FE 仿真中。
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以下论文介绍了一种新颖的 FE 仿真技术 (KBC-FE),该技术通过应用单个模块在云计算环境中执行仿真来降低计算成本。此外,它还在世界领先的科学家之间建立了一个无缝的协作网络,能够将尖端知识模块集成到 FE 仿真中。
使用有限元 (FE) 仿真软件来充分预测钣金成型工艺的结果,对于提高此类工艺的效率和缩短开发时间至关重要,同时降低试错原型制作的成本。最近,在汽车和航空航天领域,人们开始关注用铝合金替代品替代钢制部件,这增加了对此类合金的成型行为的需求,以用于越来越复杂的部件几何形状。然而,这些合金,特别是它们的高强度变体,在室温下表现出有限的可成型性,并且已经开发了高温制造技术来形成它们。因此,需要先进的本构模型来反映相关的温度和应变率效应。使用传统的 FE 仿真技术模拟这种行为在计算上非常昂贵。
本文提出了一种新颖的基于知识的云 FE (KBC-FE) 仿真技术,该技术以高效的方式将先进的材料和摩擦模型与传统的 FE 仿真相结合,从而增强了商业仿真软件包的能力。这些方法的应用通过两个示例案例研究进行了演示,即:在热冲压条件下预测材料的成型极限,以及在多循环载荷条件下预测模具寿命。
有限元 (FE) 模拟已成为金属成型行业优化工艺参数的强大工具。有限元仿真结果的可靠性取决于材料定义的准确性、以流动应力数据或本构方程形式输入的精度,以及边界条件(如摩擦系数和传热系数)的分配。在过去的几年里,通过实现用户定义的子程序开发了先进的 FE 仿真,这大大扩展了 FE 软件的功能。
航空和汽车行业已经研究了在结构部件成型工艺设计中使用这种先进的有限元模拟技术,目的是生产出能够降低运营成本和 CO2 排放的轻质结构。特别关注用低密度材料(如铝合金和镁合金)替换钢部件。然而,这些合金,尤其是更坚固的变体,在室温下的成型性有限,因此无法使用传统的冷冲压工艺制造复杂形状的部件。因此,在过去的几十年里,先进的高温成型技术,如温铝成型 1-4、铝合金热冲压 5-9 和高强度钢热冲压 10,使复杂形状的部件能够成型。一般来说,高温成型过程涉及显着的温度变化、应变速率和加载路径变化 11,例如,这会导致工件材料不可避免地产生依赖于粘塑性和加载历史的响应。这些是高温成形工艺的固有特征,使用传统的 FE 仿真技术可能难以表示。另一个理想的功能是能够预测此类工艺中多个成型周期的模具寿命,因为它们需要通过涂层实现低摩擦特性,这些涂层会随着每次成型作而降解。通过用户定义的子例程的实现来表示所有这些特性在计算上将非常昂贵。此外,多个子例程的开发和实现需要执行仿真的工程师具备过多的多学科知识。
在本工作中,基于模块在云计算环境中的应用,提出了一种新的基于知识的云 FE (KBC-FE) 仿真技术,该技术能够实现一种与传统 FE 仿真相结合的高效方法对高级成型特征进行建模。在这种技术中,来自 FE 软件的数据在每个云模块上进行处理,然后以相关的一致格式导入回 FE 软件中,以便进一步处理和分析。详细介绍了这些模块的开发及其在 KBC-FE 中的实施。
1.高温成形极限预测模型的建立
2.交互式摩擦/磨损模型的建立


其中h 0是初始涂层厚度并且是该涂层的时间相关的磨损率。 



3. KBC-FE模拟案例
KBC-FE仿真缩口预测
在烫印过程中,使用的形状优化的空白,不仅节约材料成本,还有助于减少缺陷,如缩,龟裂,起皱和存在。初始坯料形状在成形过程中影响了材料流动显著,因此,坯件的形状的一个合理的设计是在热冲压工艺的成功和质量的最终产品的关键。为了减少试错误实验努力确定最佳坯料几何形状,KBC-FE模拟被证明是用于与缩颈最小化区域高效且有效的方法。使用这种技术,各模拟约需2小时,而对于缩颈预测并行云模块计算是在4小时内完成。
图4示出了在热冲压,汽车车门内组件的一个例子中使用的毛坯形状的演变。最初的坯料形状,从传统的冷冲压工艺采用,在KBC-FE模拟首次使用。在图4中的实验结果(一)表明,在大故障(破裂或缩颈)地区烫印后可见。坯料形状优化的一个迭代,它在图4中可以看出(b)之后,一个几乎完全成功的面板用少得多的缩颈形成相比,使用初始毛坯形状。可以看出,仍然存在着在右上方的口袋和面板的左边拐角缩颈的指示。在图4(c)还优化后,与面板上没有可见的缩颈最终得到优化的毛坯形状。由KBC-FE模拟确定的优化坯料形状是通过热冲压实验验证试验由生产系统制造商提供了一个全自动化的生产线进行。
KBC-FE仿真刀具寿命预测
金属成形过程的常规有限元模拟为单个周期进行。但是,在生产环境中,多个成形周期在给定的工具,它被发现,增加成形的循环次数导致形成部件之间的增加的变化进行的。多周期工具装载期间的这种变化是改变的表面形貌的结果。例如,形成具有功能性涂层的工具的多周期加载会导致因磨损的涂层厚度减少。此外,该涂层的击穿也将通过形成参数,如负载/压力,成形速度等 。KBC-FE技术使得影响仿真金属板材成形多循环载荷条件下的过程,这对于形成具有先进功能涂料工具的在职寿命预测至关重要。
以调查对工具寿命毛坯压持力,5,20,和50千牛毛坯压持力值的影响进行了检查为250毫米/秒的恒定形成速度。 图5示出了具有不同的压边力300形成循环后的剩余的刀具涂层厚度分布。它清楚地表明,剩余的涂层厚度的增加的坯料夹持力降低。
图6示出300形成循环后具有5,20和50千牛顿,分别的坯料夹持力的压力和剩余的涂层厚度分布,沿管芯的曲线的距离。由于区域AB表示冲模耳鼻喉科在U形弯曲加工朗斯区域,压力和在该区域的相对磨损距离比管芯的其他区域的高得多。因此,涂层的磨损主要发生在这个区域。有在20千牛和涂层厚度减少的两个峰值50千牛对应于压力下的两个峰。同时,剩余的涂层厚度与坯料夹持力的增加而降低。为5,20和50千牛顿压边力最低剩余涂层的厚度,分别为0.905,0.570,和0.403微米,分别,其中的初始涂层厚度为2.1微米。

图1: 在不同温度下的实验,并预测成形极限应变的比较。成形极限菌株随着温度升高,在250毫米的恒定速度/秒,或等同地,6.26 -1的应变速率。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2: 一个金属板材成形工艺的基础知识云的有限元模拟原理图。商用有限元模拟软件,是用来运行模拟和导出各个模块所要求的结果。这些模块, 例如 ,成形性,热传导,形成后强度(微观),刀具寿命预测,模具设计等 ,在云中同时独立工作,从而使前沿知识从多个来源成有限元模拟的融合。 请CLICK这里查看该图的放大版本。

图3: 工件和工具的U形弯曲模拟的几何。该工具, 即冲,压边和模具,使用刚性单元模拟。壳单元被用于对工件(空白)的元件。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4: 门内板(在有限元模拟显示)的烫金坯料形状的演变。剩下: 绿色帧中的数字代表每个优化阶段空白的形状,并以红色的那些帧对应于它的优化前的毛坯形状。右:在每一个优化缩颈的预测结果。 (a)用大故障的初步结果(裂化/缩颈所示红色),(B)减少未与优化的第一级,(c)与不可见的颈缩最终优化毛坯形状后一些缩颈。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:剩余涂层厚度分布(在有限元模拟显示)与压边力:(1)5千牛顿,(B)20千牛,和(c)50千牛,在250一个恒定的冲压速度300形成循环后毫米/秒。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6:接触压力的预测和剩余涂层厚度与压边力:(1)5千牛,(B)20千牛,以及(c)50千牛,沿着模具的曲线距离在250恒定的烫印速度毫米/秒。 请点击此处查看该图的放大版本。
该KBC-FE模拟技术实现先进的模拟,以使用专用的模块进行场外。它可以运行于云环境的功能模块,即从不同的特化连接起来的节点,以确保过程仿真尽可能准确地进行。在KBC-FE模拟关键方面可能涉及有限码的独立性,计算的效率和功能模块的准确度。每个高级功能的一个模块中实现将依赖于一个新的模型和/或一个新的实验技术的发展。例如,成形极限模块是基于新的统一的成形极限预测模型11开发的,摩擦刀具寿命预测模块目前已经被互动式摩擦模型20实施开发。该KBC-FE模拟技术也提供了选择性的计算履行选择功能, 也就是说 ,只有元素标准选择用于各个模块进一步的评估。例如,工具寿命预测模块自动选择其中硬涂层倾向于破裂,由排名第1的所有元素的磨损率成形周期的元素,该元素的因而通常小于1%将被选择用于进一步多周期载荷条件下的刀具寿命评估。在本研究中,300形成循环后的工具寿命预测可在5分钟内完成。
通过进行相关试验,并相应地校准,成形极限模型可以适用于形成处理模拟,以从而确定用于成功地产生由这种合金的组分的最佳参数,并且没有缩颈的发生率。成形极限预测模型被开发为,这是独立的有限元软件的被利用云模块,并且可以被应用到任何有限元软件评估过程中的材料的成形性成形,无需复杂的子程序17。通过导入相关数据到模型,计算可以被进行,以确定故障是否发生,在该用户可以指定该组件的区域,从而节省了计算资源。然而,应该指出的是,作为应力 - 应变曲线是输入到通过简单的查表的有限元软件,可能难以在模拟过程中,以充分代表在不同温度和应变率的材料特性。
在刀具寿命预测模块,成型过程中的摩擦行为可以通过导入所需的变形历史数据到验证摩擦模块20,然后再导入为每个元素放回有限元软件的云模块计算出的离散数据点进行预测。这保证了高级摩擦模块可以被所有的FE码被使用,无论其掺入用户子程序能力。此外,国防部ULE可以并行运行,以进一步减少计算时间。交互式摩擦/磨损模型假定没有磨损颗粒的过程中的初始滑动,并作为一个结果,这将是合理的预期摩擦系数0.17 20的恒定初始值。尽管该模型揭示摩擦分布的演变,在成形过程中的摩擦行为是非常复杂的,并且难以从云模块的复合摩擦行为完全融入有限元模拟。
作为未来的技术,KBC-FE模拟将依靠专用基础和强大的互联网有限元模拟软件包开发,这需要一个高利润,但完全不同的商业模式,由软件开发商建立。此外,专用的内部网络需要在合作各方内部建立确保数据安全和工业系统的控制可靠性。
作者没有什么可透露的。
感谢 Innovate UK、Ultra-light Car Bodies(UlCab,参考101568)和 Make it lighter, with less(LightBlank,参考131818)的财政支持。导致这些结果的研究已获得欧盟第七框架计划 (FP7/2007-2013) 的资助,资助协议编号为 604240,项目名称为"一种工业系统,能够使用获得专利的、经过实验室验证的材料加工技术实现运输行业轻质结构的低成本成型 (LoCoLite)"。伦敦帝国理工学院 (Imperial College at Imperial College at Aviic in Structural Design and Manufacture) 的 AVIC 结构设计与制造中心也提供了大力支持,该中心由中国航空工业集团公司 (AVIC) 资助。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| AA6082-T6 | AMAG | 材料 | |
| AA5754-H111 | AMAG | 材料 | |
| 1,000 kN 高速压力机 | ESH | 成型压力机 | |
| ARGUS | GOM | 光学成形分析 | |
| PAM-STAMP 2015 | ESI | FE 模拟软件 | |
| Matlab | MathWorks | 数值计算软件 | |
| Gleeble 3800 | DSI | 单轴拉伸试验 | |
| 高温摩擦试验仪 (THT)Anton | Paar | 摩擦性能试验 | |
| NewViewTM 7100 | ZYGO | 表面轮廓仪 | |
| 磁控溅射设备 | 涂层沉积 | ||
| 显微硬度计 | Wolpert Wilson Instruments | ||
| 纳米硬度压头 | MTS 公司 |
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