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球形铝板加工从数学的角度看,其钣金成形是一个多重非线性问题。主要包括几何非线性,包括大位移、大转动或大变形;材料非线性,包括弹、塑性;边界非线性主要是摩擦三个方面。有限元法的基本思路就是将连续的空间求解区域离散为一组组单元,然后将这些单元按照的方式重新组合在一起,从而近似模拟整个求解域的变化情况。
球形铝板加工常用的数值积分方法有两种:动态-显式和静态-隐式。在动态-显式算法中,优点是对离散方程的时间积分不需要求解任何方程,因此容易编程而且稳健性好;缺点是条件稳定性差,如果时间步长超过了一个临界值,计算结果将会增至无穷大。目前动态-显式算法中应用较广泛的是中心差分法。静态-隐式算法考虑一个普遍的时间积分器,因此稳定性好,但是却存在不收敛的可能。在数值模拟过程中,成形过程一般采用动态-显式方法,而回弹计算则采用静态-隐式方法,这样就能够较大限度地发挥出这两种算法的效率。
在球形铝板工程中,当壳体的厚度与中面的曲率之比小于1/20时,即认为是薄板壳。物理上的可靠性是选择壳单元的基本要求,退化壳单元是可靠的一种单元,其表达公式是直接将连续体力学中的三维方程离散化,采用有独立转角和位移自由度的参数,将三维应力应变状态简化,以适应壳的特性,从而避免了复杂的一般壳理论,通常用来求解薄板和中厚板的问题。目前的模拟软件按其功能主要可分为两大类:动力-显式软件和静力-隐式软件。 动力-显式软件起初是为冲击、碰撞问题的模拟而开发,采用中心差分算法,不需要刚度矩阵的集合,不存在收敛性问题。特别适合于大型覆盖件的模拟计算。但它存在固有的缺陷,即为了得到显著的计算优势,人为地放大真实的凸模速度。另外,它的起皱、回弹计算能力较差。 静力-隐式软件从理论上讲较适合覆盖件的冲压成形问题,计算结果也是无条件稳定的。但它存在着收敛性问题,由于接触状态的改变,容易引起收敛速度变慢或发散,从而使计算难以进行下去。另外,计算效率低也是它的一个不利因素。