利用Abaqus模拟二维管道成型过程

Abaqus二维管道成型模拟

6月份毕业后，断更了5个月，因为工作后不再使用Abaqus，最近看B站有个短视频是模拟这个管道成型的，感觉比较有意思，就试着按照视频里模型的基本结构做了一个仿真，没有模具的具体尺寸，计算时经常不收敛，只能边仿真边修改模具的尺寸。共使用了静力学和隐式动力学两种方法计算，显式动力学计算失败，总出现沙漏现象。

仿真最终的结果大概就是这个样子，最高应力位置是钢板两端的接口处，而且网格发生了穿透，个人感觉属于应力奇异。而且在成型的最后阶段，钢板的两侧与模具Die_top接触非常容易不收敛，并且钢板的两侧边还要形成自接触，钢板四边倒圆角，并且不能建立对称模型，后面会详细介绍。

分析结果

Part模块：

仿真模型共有6个Part零件，分别为Die_top、Punch、Blank、Holder_left、Holder_right、Die_bottom，其中只有Blank是柔性体，其余均定义为刚体。

Die_top零件

Punch零件

Blank零件

Holder_left与Holder_right零件

Die_bottom零件

Property模块：

仿真材料为SUS304不锈钢，弹塑性模型，具体材料本构，就不详细例举了。

Assembly模块：

仿真的装配模型如下图所示。

装配体模型

Step模块：

仿真共定义3个分析步。前两个分析步为1s，第3个分析步分析时间是2s。隐式动力学分析步设置，最大增量步为1000步，初始时间长为0.01s，最小时间步长为1e-10s。静力学的分析步设置，最大增量步为1000步，初始时间步长0.01s，最小时间步长为1e-10s，最大时间长为0.1s。

Implicit隐式动力学

Stastic静力学

Step-1：Punch下压900mm，使Blank与Punch、 Die_bottom、Holder_left、Holder_right建立稳定的接触关系。

Step-2：Holder_left向右移动150mm， Holder_right向左移动150mm，向中间推动Blank钢板，便于Die_top与Blank形成接触关系，完成后续冲压操作。

Step-3：Die_top向下移动920mm，Holder_left向左移动300mm， Holder_right向右移动300mm，完成最后成型分析。

Interaction模块：

仿真模型中共定义了4个接触对，1个自接触。接触属性均为法向硬接触Hard contact，切向罚摩擦Penalty，摩擦系数为0.1，后面不再赘述。

IntProp-1接触属性

Punch与Blank的接触：Punch面为主面(图中的红线)，Blank的顶面为从面(图中的紫线)，因为Punch定义为刚体，所以主从面很好区分。

Punch与Blank的接触

Holder_left、Holder_right与Blank的接触：Holder_left与Holder_right面为主面(图中的红线)，Blank底面为从面(图中的紫线)。

Holder_left、Holder_right与Blank的接触

Die_bottom与Blank的接触：Die_bottom为主面(图中的红线)，Blank底面为从面(图中的紫线)。

Die_bottom与Blank的接触

Die_top与Blank的接触：Die_top为主面(图中的红线)，Blank底面为从面(图中的紫线) ，两侧圆角的线也要选中。

Die_top与Blank的接触

Blank钢板的自接触：Blank钢板两侧圆角也要定义接触。

Blank的自接触

Die_top、Punch、Holder_left、Holder_right、Die_bottom定义刚体约束：每个零件的RP点均是零件的重心。以Holder_left零件为例，介绍刚体约束的定义方式，其余零件的刚体约束方式与Holder_left类似，不再赘述。

Holder_left刚体约束

Load模块：

Load载荷后面数字对应每个RP点编号的载荷，例如Load-1定义RP-1点的载荷。Modified表示此分析的载荷被修改过，Propagated表示此分析步载荷设置延续上一分析步设置不变。

Load载荷

Step-1分析步载荷

Step-2分析步载荷

Step-3分析步载荷

Load-1载荷设置：RP-1点在initial初始分析步与Step-1分析步约束U1、U2、UR3全部自由度。Step-2分析步，RP-1点在1s到2s内均匀向右移动150mm。Step-3分析步，RP-1点在2s到4s内均匀向左移动300mm。Displacement载荷中的U1可以理解为RP-1点在x坐标轴上的位置，不是移动的距离，RP-1点在1s时的位置是(0，0)，RP-1点在2s时的位置是(150，0)，即RP-1点向右移动了150mm，RP-1点在4s时的位置是(-150，0)，相当于RP-1点向左移动了300mm。

Load-1载荷设置

载荷曲线设置

Load-2载荷设置：RP-2点的载荷设置与RP-1点相反，不再详细赘述。

Load-3载荷设置：RP-3点在initial初始分析步、Step-1分析步、Step-2分析步均约束全部自由度。Step-3分析步，RP-3点在2s到4s内沿Y轴均匀向下移动920mm。

Load-3载荷设置

Load-4载荷设置：initial初始分析步，RP-4点约束全部自由度；Step-1分析步，RP-4点在0s到1s内沿Y轴向下移动900mm。Step-2和Step-3分析步，RP-4点不再移动。

Load-4载荷设置

Load-5载荷设置：RP-5在整个分析过程中约束全部自由度。

Mesh模块：

定义刚体约束的零件全局网格尺寸是20mm，接触面网格尺寸为10mm，平面应力问题，CPS4I非协调积分单元。Blank钢板的全局网格尺寸是6mm，宽度方向有3层网格，四边圆角处局部网格尺寸是3mm，此处网格必须细化，否则在Step-3分析步，与Die_top面接触时或者自接触时，非常容易不收敛。

Visualization模块：

根据Step-1分析结果，分析步1结束时，Blank应该与两侧的Holder和Die_bottom底面及上部的圆角建立稳定接触，尤其是与两侧的Holder接触不能分离。如果第1步冲压结束，Blank与两侧Holder没有建立稳定接触关系，在Step-2分析步，两侧的Holder向内移动，移动距离较大，与Blank突然建立接触关系，接触刚度较大，收敛曲线不断振荡，及易不收敛。因此两侧Holer的具体尺寸以及位置，冲压时的移动距离都需要不断修改。