基于旋转变形的中间构形快速生成算法

基于旋转变形的中间构形快速生成算法

汽车结构的形状通常是比较复杂的，大多数采用缓冲形式。为了提高生产效率与成形质量,很多零件采用级进模成形的方式进行加工通过有限元数值模拟技术来预测冲压成形过程中的各种缺陷,已经成为企业提高产品质量、降低生产成本的重要途径级进模条料设计过程中的主要难点在于中间构形的设计。如图1所示的复杂折弯件,A区域绕旋转轴逆向旋转30°即为它的前一步工序完成后的构形,很显然,旋转过程中和B固定区相邻的圆角部分会发生较大的变形,离B区较远的区域不会发生变形,只有整体旋转和平移,一般的CAD软件对于这种零件的中间构形设计束手无策。针对上述难题,本文提出了一种基于旋转变形的中间构形生成算法,该算法通过设置相关求解条件,通过曲面网格快速求解出中间构形,并以生成的中间构形网格为修边线利用逆算法展开模型的参考构形,精确地获取中间构形的修边线。介绍了中间构形生成算法的实现流程,并在SolidWorks平台下采用二次开发技术,开发了一套无缝集成的级进模条料分步展开系统SW-CUX。最后以复杂连续折弯件为例说明了该算法的可行性。1中间构形生成算法以图2所示的简单折弯件为例说明基于旋转变形的中间构形生成算法的实现流程。算法的输入条件以及各个条件在计算中的约束属性如表1所示。在SolidWorks中,曲面都是基于参数化网格构成的,曲线也可以离散成一定数目的点。在离散曲面实体时,通过改变离散控制参数,如弦高、弦长、最大和最小单元尺寸就可以获得不同精度的曲面网格,如图3所示。在离散曲线时也能通过改变控制参数,如弦公差、长度公差来获取不同精度的离散点。在中间构形生成算法的输入条件中,固定区、变形区和非变形区以曲面网格的形式输入,固定约束、形状约束、旋转轴和等长线以离散点的形式输入,旋转角度的正负由右手定则来确定。算法的实现流程如下。(1)图4显示了等长度离散点的排列(2)图5显示了等长度的等长度投影线假设1首先,计算线段AB、BC、CD、DE、EF的长度,分别记为L23轮换首先,将线段(3)展开变形区域网格,步骤如下1)对于变形区域网格内的任意一点首先将固定约束线离散成一系列的点,对于离散获得的任意一条线段2)以3)在等长线的投影线中找出连续的两个投影点Q4)对于变形区域网格中的每个节点都按照P的方式进行平移和旋转,即可得到展开后的变形区域网格。(4)平整度并旋转非变形区域的网格对于非变形区域网格,均按照等长线的投影线中和形状约束线最近的点的平移值和旋转值进行平移和旋转。图8为采用以上算法且旋转角2基于逆算法的边线展开模拟结果与实验结果对比华中科技大学模具技术国家重点实验室早期基于改进的有限元逆算法和DKQ单元,开发了修边线展开与翻边成形性分析求解器,能准确预测复杂翻边零件的三维修边线及翻边成形过程中的起皱、破裂等缺陷。图9为某零件的局部区域修边线展开与翻边成形性分析有限元模型翻边成形性和修边线展开模拟结果与实验结果的对比分别如图10和图11所示。从图中可知,采用逆算法计算出的起皱区域的分布以及修边线与实验结果吻合很好,在局部区域修边线展开的最大误差小于0.5mm,基本满足工艺要求误差范围。翻边成形过程中,材料的变形路径比较简单,采用逆算法模拟翻边成形能得到较高的精度。本文的主要工作是:对于级进模中局部复杂区域多次弯曲变形的情况,采用前面所描述的基于旋转的中间构形生成算法,将最终构型绕已知的旋转轴经过多次逆向旋转生成局部区域的中间构形,并将生成的中间构形作为修边线展开逆算法模型的参考区域,进而准确地获取中间构形的修边线,完成整个中间构型的精确设计。3逆向旋转30中间构形生成如图12所示的复杂折弯件为某级进模零件的局部折弯成形区,分别定义固定区、固定约束线、等长线、形状约束线、变形区、非变形区、旋转轴,逆向旋转30°即为前一步折弯工序完成后的构形。网格模型如图13所示。采用前文所提出的算法,定义好上述输入条件后,根据右手定则,逆向旋转30°获得的中间构形如图13所示。由图13可以看出,获得的中间构形网格非常光顺,并且变形区与非变形区网格在邻接的边界区域吻合非常完美,所采用的算法是可行的。将生成的中间构型作为修边线展开逆算法模型的参考区域,如图14所示。建立如图15所示的修边线展开有限元模型,参考区域网格(图14中获得的中间构型网格),展开区域即为最终构形经过高质量的离散获取的网格,展开区域和参考区域邻接的边界上施加固定约束,经逆算法展开后获得的中间构形上的精确修边线如图16所示。大量的算例和企业实践验证了逆算法求解器在修边线展开中的有效性和准确性4模型求解算法验证针对级进模成形以弯曲成形为主的特点,本文提出了一种基于旋转变形的中间构形生成算法,该算法通过设置最终构形的旋转轴、固定区、变形区、非变形区等求解条件,通过曲面网格快速求解出中间构形。文章以某复杂连续折弯件为例,验证了采用