基于ABAQUS显式动力学和隐式动力学的弯管成型加工分析

摘要： 弯管成型分析方法及注意点，分别采用显式动力学和隐式动力学方法进行弯管成型分析，并对两种分析方法进行了比较。  

素材来源：

本文中所引用的案例素材来源于：钱　峰，潘笑誉，叶小奔. 基于ＡＢＡＱＵＳ的管件弯曲成型的有限元分析[J]. 机械工程与自动化,１６７２－６４１３（２０１７）０４－００１９－０３.

案例中弯管模具以及坯料尺寸皆根据该论文进行建模，论文中未提及的尺寸信息，笔者根据自身过往经验自行设定。

建 模：

零部件定义：共五个组件，除坯料外，全部设置为离散刚体，解析刚体也可，这里以离散刚体为例。

材料属性：刚体不需要设置材料，坯料材料属性需要设置弹性模量，应力应变数据以及密度（采用隐式动力学可不设置密度参数）。

关于应力应变曲线定义需要注意abaqus程序内部对应力应变曲线数据的正则化问题，显式动力学算法会根据用户输入的应力应变数据进行正则化处理，如果数据点过多，或者数据点间存在突变，则可能会产生计算误差或者直接报错。

庄茁教授关于显示动力学中应力应变关系的正则化处理的解释

 

分析步：

隐式动力学设置如下：

 

显式动力学设置如下：

 

关于显式动力学中质量缩放（Mass scaling）的原理请查阅官方帮助文档。由于一般的材料加工问题都属于准静态问题，因此采取一定的质量缩放可以在损失较少计算精度的前提下，大幅提高计算速度，具有非常大的应用价值。当然，如果能够通过采用更大的网格划分提高计算速度，那是更好的选择。在模型调试阶段可以采用较大的质量缩放系数，快速计算，debug模型，在模型调整好之后减小质量缩放系数，以获得精度更高的计算结果。

 

输出设置：

如何评价质量缩放系数对结果的影响？？

可以通过比较分析过程中整个模型的动能ALLKE和内能ALLIE的比值，如果小于1%，结果非常可靠，如果小于5%，结果可以接受，如果大于5%，则需要谨慎判断。

接触关系：

1.     建立所有离散刚体（芯棒，滑板，胎模）与坯料的接触关系，surface to surface，contact pair，离散刚体作为主面。

接触属性中，摩擦系数根据实际情况采用适当大小。法向接触关系在显式动力学算法中采用默认即可。如果采用隐式动力学算法，建议采用penalty接触增强算法，这样可以在较少损失计算精度的前提下，提高收敛性。

2.     前卡与坯料的头部采用绑定约束（Tie）。

3.     刚体约束（Rigid body）。如下图所示。

将前卡和胎模一起约束到RP-1点，RP-1点位于胎模的圆心位置

 

 

滑板和芯棒可以约束到不在刚体上的任意点位置

 

边界条件：在step1分析步，固定滑板和芯棒的刚体约束点所有自由度。固定胎模与前卡的刚体约束点除了胎模轴心方向旋转自由度以外的所有自由度，轴心方向的旋转自由度（本例为UR2）设置为弯管需要的弯曲角度，本例为-1.57弧度。

注意：UR2载荷的幅值曲线采用smooth step，这一点在显式动力学分析中极为重要，采用smooth step可以平滑载荷的一次导和二次导，以避免引入过大的惯性效应。

 

smooth step 幅值曲线

网格划分：

离散刚体可以采用R3D4和R3D3单元，坯料建议采用S4R单元，离散刚体的网格大小要大于坯料为宜，建议1.5倍。

计算结果对比：

左边式显式动力学分析结果，质量缩放系数25，计算时间0.5小时；右边是隐式动力学分析结果，计算时间为3.5小时。

分别为Mises应力，等效塑性应变以及厚度分析结果

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检查一下显式动力学分析过程中内能和动能，显然动能远低于内能，分析结果可以接受。

总结：显式动力学和隐式动力学对于都可以应用于求解弯管成型加工问题，当然也可以用于其他的金属成型问题分析。注意到显式动力学分析具有较高的计算效率，且计算结果与隐式算法接近，计算精度完全可以满足工程需要，并且显式动力学不存在收敛问题，在求解复杂接触，大变形等问题上具有天然的优势，因此笔者推荐采用显式动力学求解材料加工问题。但也应该注意到，在某些简单问题上，隐式算法其实式更加稳健的，求解精度更高的，需要大家根据经验进行判断。如果需要材料在加工过程中需要分析折叠，褶皱，开裂等问题，显式动力学算法应当为唯一选择。

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