本發(fā)明屬于沖壓成型技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種向有限元仿真模型引入沖壓成型信息的載荷投影映射方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車的環(huán)保性、安全性和舒適性等方面越來越受重視，汽車輕量化逐漸成為汽車工業(yè)發(fā)展的新趨勢。然而，輕量化的要求使車身用鋼板材料的性能越來越高，高強度鋼板在車身的應用也越來越廣泛。然而，高強度鋼板的應用給沖壓生產(chǎn)帶來一系列問題：高強度鋼板的成形性差、回彈嚴重，沖壓模具的剛度不足、設(shè)計問題越來越復雜以及設(shè)計參數(shù)也不斷增多，沖壓模具安裝調(diào)試修改困難影響生產(chǎn)進度等。傳統(tǒng)低強度鋼板沖壓模具設(shè)計準則、規(guī)范不再能滿足高強度鋼板沖壓模具設(shè)計的要求。單純一味地增大模具的體積和厚度，選用硬度更高的模具材料，增加了模具材料成本和生產(chǎn)中的能耗，而且有時并不能起到提高模具安全系數(shù)的作用。因此，針對高強度鋼板的沖壓受力特點，急需一種定量化的分析方法對沖壓模具進行強度剛度校核、壽命預測以及進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，建立新的模具結(jié)構(gòu)形式、標準以及疲勞壽命評價標準。

傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，主要是設(shè)計者根據(jù)模具企業(yè)設(shè)計人員的經(jīng)驗及以往相似模具結(jié)構(gòu)形成設(shè)計，缺乏理論依據(jù)來評估模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，以及對模具結(jié)構(gòu)分析和模具變形量對成形的影響關(guān)注很少。國內(nèi)外一些學者利用有限元分析技術(shù)，在沖壓模具結(jié)構(gòu)分析方面進行了研究，他們的研究方法可以為沖壓模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供借鑒。becchio等首先采用有限元分析方法分析了沖壓模具的受力情況，分析了拉延模具整體的應力情況和變形分布，并列舉出來沖壓模具結(jié)構(gòu)分析的一些應用，韓國的keum等用有限元分析技術(shù)分析了模具和壓機的彈性變形，并通過耦合成形和結(jié)構(gòu)分析來研究模具彈性變形對沖壓零件成形性的影響。在國內(nèi)，上海汽車工業(yè)(集團)公司汽車工程研究院的孫成智等通過試驗獲得了沖壓模具壓邊圈受力情況，并利用數(shù)值模擬求得了壓邊圈應力分布情況，結(jié)果表明模擬的應力分布趨勢與試驗得出的結(jié)果較為吻合。湖南大學的劉迪輝研究了一種用于汽車碰撞模擬的網(wǎng)格變量映射算法，認為在汽車碰撞仿真分析當中，應該考慮零件沖壓后的板料厚度變化、材料硬化以及殘余應力對仿真結(jié)果的影響；上海交通大學的曾鵬、朱平研究了沖壓成型歷史對車身典型結(jié)構(gòu)耐撞性的影響研究，采用基于塑性全量理論的一步成型法對車身典型帽型結(jié)構(gòu)進行成形性研究，通過仿真和試驗對比分析了成型歷史對帽形結(jié)構(gòu)耐撞性的影響。吉林大學的胡平等，采用自主開發(fā)的高效快速的逆成形有限元分析方法和網(wǎng)格映射技術(shù)，提出了引入工藝因素，又保證設(shè)計周期，提高碰撞仿真精度的汽車車身及部件精細仿真分析方法。然而，網(wǎng)格變量載荷映射方法在模具結(jié)構(gòu)分析之中的應用，研究的學者相對比較少。

面對汽車沖壓模具競爭激烈的現(xiàn)狀，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，提升設(shè)計質(zhì)量，降低模具成本具有非常重要的意義。因此，在汽車沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中迫切需要引入新的計算方法，提升復雜結(jié)構(gòu)的分析精度，進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。眾多學者對計算方法進行了研究，尋找計算精度與效率較高的算法，已取得諸多成果，但仍有較多問題值得進一步探索。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種向有限元仿真模型引入沖壓成型信息的載荷投影映射方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中如何快速、準確的將板料沖壓成型信息傳遞到有限元仿真模型的問題，實現(xiàn)不同網(wǎng)格模型節(jié)點作用力之間的傳遞，從而到達提高模具結(jié)構(gòu)有限元分析精度、降低模型求解規(guī)模、實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的向有限元仿真模型引入沖壓成型信息的載荷投影映射方法，包括如下步驟：

(1)板料節(jié)點信息提取，根據(jù)產(chǎn)品科提供的產(chǎn)品數(shù)模，提取產(chǎn)品型面，將產(chǎn)品型面導入到板料成形分析軟件中對板料進行成形性分析，并從分析結(jié)果中提取板料節(jié)點信息；

(2)模具型面網(wǎng)格節(jié)點信息提取，根據(jù)上述板料成形分析結(jié)果建立工藝型面，根據(jù)工藝型面建立模具cad三維模型，提取模具cad三維模型型面，并將模具cad三維模型型面導入到hyperworks中進行網(wǎng)格劃分，獲取模具cad三維模型的型面網(wǎng)格節(jié)點信息；

(3)將沖壓成形中板料的節(jié)點力信息通過編寫程序載荷映射到模具型面網(wǎng)格節(jié)點上，得到載荷映射后的模具型面網(wǎng)格節(jié)點信息；

(4)將步驟(3)中得到的載荷映射后的模具型面網(wǎng)格節(jié)點信息導入hyperworks中，以載荷映射后的模具型面網(wǎng)格節(jié)點力作為力邊界條件，建立模具有限元模型，對模具結(jié)構(gòu)有限元分析。

進一步的，步驟(3)中的載荷映射方法包括如下步驟：

step1、采用ifstreamfile方式，讀入板料沖壓仿真后板料節(jié)點信息；

step2、采用ifstreamfile方式，讀入模具型面網(wǎng)格節(jié)點信息；

step3、采用中心投影的思想進行全局定位：以步驟(1)中板料節(jié)點信息中某一節(jié)點o為中心點，給定閾值長度為半徑r且與沖壓方向成夾角θ(θ<90°)進行投影，然后對模具型面網(wǎng)格節(jié)點進行全局搜索，判斷模具型面網(wǎng)格各個節(jié)點是否在投影區(qū)域內(nèi)，投影區(qū)域內(nèi)模具型面網(wǎng)格節(jié)點構(gòu)造的單元即為局部定位的單元范圍；比較投影區(qū)域內(nèi)模具型面網(wǎng)格各節(jié)點和節(jié)點o構(gòu)成的向量分別與沖壓方向單位向量的向量積大小，確定投影區(qū)域內(nèi)向量積最小值的模具型面網(wǎng)格節(jié)點為局部定位的坐標原點；

step4、采用點在平面上的投影思想對模具型面網(wǎng)格節(jié)點進行局部定位，由全局定位確定的坐標原點建立局部坐標系，將板料節(jié)點信息中節(jié)點o精確定位于模具型面網(wǎng)格中與其對應的三角形網(wǎng)格單元內(nèi)；

step5、利用插值形函數(shù)將節(jié)點o上的載荷力映射到對應的模具型面網(wǎng)格節(jié)點上；

step6、重復上述步驟，直至將板料節(jié)點信息中所有節(jié)點上的載荷力全部映射到模具型面網(wǎng)格節(jié)點上為止；

step7、采用ofstreamoutfile方式，導出載荷映射后模具型面網(wǎng)格節(jié)點信息。

進一步的，步驟(1)中板料成形分析軟件是指商業(yè)板料成形分析軟件autoform，產(chǎn)品需在autoform中分析結(jié)果良好，其分析結(jié)果不能出現(xiàn)error或warning。

進一步的，步驟(2)中對模具cad三維模型的簡化不影響模具整體剛強度。

進一步的，step4中局部定位的具體步驟包括：

a、以step3中全局定位確定的模具型面網(wǎng)格節(jié)點為坐標原點，在模具型面網(wǎng)格中以坐標原點為節(jié)點的某一三角形單元a的兩條邊為坐標軸建立局部坐標系；

b、如果節(jié)點o的投影點在三角形單元a內(nèi)，則節(jié)點o在模具型面網(wǎng)格中相對應的網(wǎng)格單元即為三角形單元a；如果節(jié)點o的投影點不在三角形單元a內(nèi)，則在模具型面網(wǎng)格中以坐標原點為節(jié)點的另一三角形單元的兩條邊為坐標軸建立局部坐標系，重新判斷節(jié)點o的投影是否在選定三角形單元內(nèi)，直至找到節(jié)點o在模具型面網(wǎng)格中相對應的網(wǎng)格單元為止。

本發(fā)明通過兩套不同網(wǎng)格單元之間的準確定位,將沖壓板料網(wǎng)格單元與模具型面網(wǎng)格單元之間建立了一種對應關(guān)系，構(gòu)建板料單元節(jié)點上的成形力與模具型面網(wǎng)格節(jié)點之間載荷映射的關(guān)系模型，將板料成形力較精確的傳遞到模具型面上，從而提高仿真計算精度；將該方法應用于模具結(jié)構(gòu)的分析中，可以精確計算模具各部分所受的載荷，能夠更好的滿足強度、疲勞等結(jié)構(gòu)分析模型，實現(xiàn)模具的輕量化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本方法具有以下優(yōu)點:

1、將板料成形數(shù)值分析中的成形力精確傳遞到模具型面網(wǎng)格節(jié)點上，作為模具結(jié)構(gòu)分析的邊界條件，對模具進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，可合理改進模具承載母體結(jié)構(gòu)，使得模具母體達到滿足剛強度要求又實現(xiàn)輕量化的目的。

2、板料成形數(shù)值模擬和模具結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬采用兩套網(wǎng)格表達，可以根據(jù)不同過程對網(wǎng)格的要求合理進行網(wǎng)格劃分，很好地解決了求解精度和模型規(guī)模之間的矛盾；用變形板料和模具之間的相互作用力代替它們之間復雜的接觸耦合作用，在較真實地反映模具受力的前提下，大大簡化了問題的復雜度并顯著降低了模型的求解規(guī)模，且此方法可推廣到其他應用領(lǐng)域。

綜上所述，本發(fā)明中的一種向有限元仿真模型引入沖壓成型信息的載荷映射方法，實現(xiàn)了板料和模具之間力的傳遞，對提高汽車沖壓成形模具結(jié)構(gòu)分析具有重要的理論指導意義和應用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中后縱梁的三維建模結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是載荷映射方向圖；

圖4是全局定位圖；

圖5是局部定位圖；

圖6是載荷的插值計算圖；

圖7是載荷映射方法流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步地說明。

如圖1-7所示，本發(fā)明所提供的向有限元仿真模型引入沖壓成型信息的載荷投影映射方法，包括如下步驟：

(1)板料節(jié)點信息提?。阂詀utoform為數(shù)值模擬平臺，根據(jù)產(chǎn)品科提供的產(chǎn)品數(shù)模，提取產(chǎn)品型面(上、下型基準)，將產(chǎn)品型面導入到autoform中對板料進行成形性分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷產(chǎn)品是否有成形性問題(比如拉裂、起皺等問題)，如果產(chǎn)品有成形性問題則對產(chǎn)品提出產(chǎn)品更改要求，然后根據(jù)反饋再對新產(chǎn)品進行分析，直到?jīng)]有成形性問題，如果產(chǎn)品沒有成形性問題則不需對產(chǎn)品提更改要求；得到無成形缺陷的沖壓模型，并從分析結(jié)果中提取板料節(jié)點信息(節(jié)點坐標、單元、節(jié)點力)；分析結(jié)果不能出現(xiàn)error或warning，將板料節(jié)點信息以af格式輸出，并將af文件在excel中打開保存為dat格式文件作為板料節(jié)點信息源文件1；

(2)模具型面網(wǎng)格節(jié)點信息提?。焊鶕?jù)autoform中板料成形結(jié)果建立工藝型面，根據(jù)工藝型面建立模具cad三維模型，并對其進行合理簡化，但是對模具cad三維模型的簡化不影響模具整體剛強度；提取模具cad三維模型型面，并將模具cad三維模型型面導入到hyperworks中進行網(wǎng)格劃分，獲取模具cad三維模型型面網(wǎng)格節(jié)點信息(節(jié)點坐標、單元)，將模具cad三維模型型面網(wǎng)格節(jié)點信息保存為dat文件作為模具型面網(wǎng)格信息源文件2；

(3)將沖壓成形中板料的節(jié)點力信息通過編寫程序載荷映射到模具型面網(wǎng)格節(jié)點上：

step1、采用ifstreamfile方式，讀入板料沖壓仿真后板料節(jié)點信息源文件1；

step2、采用ifstreamfile方式，讀入模具型面網(wǎng)格信息源文件2；

step3、采用中心投影的思想進行全局定位：以板料節(jié)點信息中某一節(jié)點o為中心點，給定閾值長度為半徑r且與沖壓方向成夾角θ(θ<90°)進行投影，然后對模具型面網(wǎng)格節(jié)點進行全局搜索，判斷模具型面網(wǎng)格各個節(jié)點是否在投影區(qū)域內(nèi)(如果不存在投影區(qū)域，則認為該板料節(jié)點無效)，投影區(qū)域內(nèi)模具型面節(jié)點構(gòu)造的單元即為局部定位的單元范圍；比較投影區(qū)域內(nèi)模具型面網(wǎng)格各節(jié)點和節(jié)點o構(gòu)成的向量分別與沖壓方向單位向量的向量積大小，確定投影區(qū)域內(nèi)向量積最小值的模具型面網(wǎng)格節(jié)點為局部定位的坐標原點；

step4、采用點在平面上的投影思想對模具型面網(wǎng)格節(jié)點進行局部定位，由全局定位確定的坐標原點建立局部坐標系，將節(jié)點o精確定位于模具型面網(wǎng)格中與其對應的三角形網(wǎng)格單元內(nèi)；

step5、利用插值形函數(shù)將節(jié)點o上的載荷力映射到與其對應的模具型面網(wǎng)格三角形單元節(jié)點上，實現(xiàn)網(wǎng)格模型之間的載荷變量值的傳遞；

step6、重復上述步驟，直至將板料節(jié)點信息中所有節(jié)點上的載荷力全部映射到模具型面網(wǎng)格節(jié)點上為止，當板料沖壓仿真后板料節(jié)點數(shù)目大于模具型面網(wǎng)格節(jié)點數(shù)目時，可能存在多個板料節(jié)點對應于同一模具型面三角形網(wǎng)格中，此時對映射后模具型面網(wǎng)格節(jié)點上的載荷力進行求平均值；

step7、采用ofstreamoutfile方式，導出模具型面網(wǎng)格上每個節(jié)點的力,得到所需要的載荷輸出文件3；

(4)在hyperworks中讀入載荷輸出文件3，將載荷映射后的模具型面網(wǎng)格節(jié)點力作為力邊界條件，建立模具有限元模型，利用hyperworks中optistruct模塊對模具進行結(jié)構(gòu)分析以及后處理。

如圖5所示，step4中局部定位的具體步驟包括：

a、以step3中全局定位確定的模具型面網(wǎng)格節(jié)點為坐標原點，在模具型面網(wǎng)格中以坐標原點為節(jié)點的某一三角形單元a的兩條邊為坐標軸建立局部坐標系；

b、如果沖壓模型節(jié)點o的投影點在三角形單元a內(nèi)，則沖壓模型節(jié)點o在模具型面上相對應的網(wǎng)格單元即為三角形單元a；如果o點的投影點不在三角形單元a內(nèi)，則在模具型面網(wǎng)格中以坐標原點為節(jié)點的另一三角形單元的兩條邊為坐標軸建立局部坐標系，重新判斷沖壓模型節(jié)點o的投影是否在選定三角形單元內(nèi)，直至找到?jīng)_壓模型節(jié)點o在模具型面上相對應的網(wǎng)格單元為止。

下面將以汽車某縱梁為研究對象，對映射方法作詳細說明：

圖2是某縱梁的三維建模結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)后縱梁的幾何形狀選取局部形狀a處進行分析；

如圖4所示，采用中心投影的思想進行全局定位，即設(shè)板料節(jié)點信息中某一節(jié)點o為中心點，以給定閾值長度為半徑r且與沖壓方向夾角θ(θ<90°)進行投影，然后對模具型面網(wǎng)格各節(jié)點進行全局搜索，判斷模具型面網(wǎng)格各個節(jié)點是否在投影區(qū)域內(nèi)，投影區(qū)域內(nèi)模具型面節(jié)點構(gòu)造的單元即為局部定位的單元范圍，比較投影區(qū)域內(nèi)模具型面網(wǎng)格各節(jié)點和節(jié)點o構(gòu)成的向量分別與沖壓方向單位向量的向量積大小，確定投影區(qū)域內(nèi)向量積最小值的模具型面網(wǎng)格節(jié)點為局部定位的坐標原點；圖4中m6、m7、m10、m11四個節(jié)點在投影區(qū)域內(nèi)，比較om6、om7、om10、om11向量與沖壓方向單位向量e0的向量積的大小，圖中om6與沖壓方向單位向量e0的向量積最小，即m6節(jié)點為局部坐標原點；

如圖5所示，采用點在平面上的投影思想對模具型面網(wǎng)格節(jié)點進行局部定位，對模具型面網(wǎng)格三角形單元e8進行分析，以全局定位確定的m6節(jié)點為局部坐標系原點、邊m6m11、邊m6m7分別為u、v坐標軸建立局部坐標系，頂點為{m6,m7,m11}的三角形τ可表示成參數(shù)形式τ(s,t)＝m6+su1+tv2式中u1＝m11-m6，v2＝m7-m6，(s,t)∈d＝{(s,t)|s∈[0,1],t∈[0,1],s+t≤1}，此處s，t是參數(shù)，相當于x，y一樣，u1、v2為向量；判斷圖4中節(jié)點o在平面m6m7m11的投影點，如果節(jié)點o的投影點在三角形單元m6m7m11內(nèi)，則節(jié)點o在模具型面網(wǎng)格上相對應的網(wǎng)格單元為e8，如果o點的投影點不在三角形單元e8內(nèi)，則以m6節(jié)點為局部坐標系原點重新建立局部坐標系，重新判斷節(jié)點o在其余單元e1、e4、e5、e7、e11中的投影，直至找到節(jié)點o在模具型面網(wǎng)格中相對應的網(wǎng)格單元為止；

如圖6所示，采用插值形函數(shù)將板料成形三角形單元節(jié)點上的載荷力映射到模具型面網(wǎng)格三角形單元上；設(shè)模具型面網(wǎng)格中某三角形網(wǎng)格三個節(jié)點m6、m7、m11的插值形函數(shù)分別為n1，n2，n3，其中：

同理可得n2＝s1；

n1＝1–n2–n3＝1-s1–t1

其中，e1、e2、e3表示向量，s1、t1為參數(shù)，(s1,t1)∈d＝{(s1,t1)|s1∈[0,1],t1∈[0,1],s1+t1≤1}；

可見，插值形函數(shù)就是節(jié)點o的坐標值，當?shù)玫饺切蝺?nèi)到空間點距離最近的點的坐標后，該點在對應的三角形內(nèi)的插值函數(shù)也就確定；

設(shè)板料節(jié)點信息中節(jié)點o的載荷點在空間全局坐標系下的載荷為fo＝(fox,foy,foz)，該載荷移動到模具某三角形網(wǎng)格m6、m7、m11三個節(jié)點組成的三角形上，移動目標點在三角形內(nèi)對三個節(jié)點的插值形函數(shù)分別為n1，n2，n3，插值到三個節(jié)點上的載荷分別

記為p1＝(p1x,p1y,p1z)，p2＝(p2x,p2y,p2z)，p3＝(p3x,p3y,p3z)，

同理可得其余板料節(jié)點力的映射。

本發(fā)明針對高強度鋼板沖壓成形過程，研究了一種新的網(wǎng)格變量載荷投影映射方法，該方法提出一種兩套不同網(wǎng)格三角形單元之間的載荷投影映射計算方法，對提高汽車有限元分析精度與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的理論指導意義和應用價值。