MARC冲压仿真方案规划

张亚岐，成振坤

（1.东风汽车公司技术中心，湖北　武汉　430058；2.中国重汽技术中心发展中心，山东　济南　250002）

Zhang Yaqi1，Cheng Zhenkun2



MARC冲压仿真方案规划

张亚岐1，成振坤2

（1.东风汽车公司技术中心，湖北武汉430058；2.中国重汽技术中心发展中心，山东济南250002）

Zhang Yaqi1，Cheng Zhenkun2

摘要：以MARC为冲压分析软件，从工艺补充设计、模型导入、网格划分、接触对定义以及后处理等方面对冲压过程进行论述，规划MARC冲压仿真方案；并对整个冲压仿真过程中出现的问题进行归纳，给出相应的控制要点，提出工艺补充的设计原则、凸凹模运动参数设定方法以及计算结果退出号的解决方案。经多次验证，所提及的冲压过程控制方案能很好地避免MARC冲压过程中出现的问题，提升了计算结果的准确性，可为冲压仿真提供参考依据。

关键词：MARC；冲压；控制；规划；方案

0　引　言1

MARC在强非线性分析领域具有明显的优势，而板料冲压成型包含材料非线性、几何非线性以及接触非线性[1-4]。板料冲压过程实际上十分复杂，其变化过程与模具和板料的接触与摩擦、模具和压板的运动以及压力机加载过程有关，因此在用有限元分析软件模拟时必须将问题适当规范和简化，建立合适的力学模型。

由于板料冲压成型过程中，模具的刚性通常远远大于板料的刚性，因此模具的变形相对板料的变形来说极小，可以忽略不计。在冲压成型过程计算机仿真中应考虑的问题可归结为如下几个方面：板料在载荷作用下弹塑性变形的描述和内部应力的计算；模具的几何描述和运动形式；压力机加载过程的描述和模拟。

文中以CAE分析的基本流程为基础，并结合MARC软件的特点，规划出冲压仿真过程，具体的流程方案如图1所示。

1　工艺补充设计

对于冲压件而言，在获取到产品数模后，应进行相应的工艺补充设计，由于MARC并非冲压领域的专用软件，也没有相应的料片展开计算、模面设计以及回弹补偿等模块，且MARC曲面功能较差，缺乏良好的人机交互界面，所以建议在CAD软件中做相应的工艺补充。在默认状态下，MARC对曲面的容错精度为0.01，当涉及到的产品型面复杂时，最好在CATIA中做相应的工艺补充，或者在UG中进行补充后，导入CATIA进行曲面缝合检测，对不连续边界进行修补后再缝合，确保分析数模的曲面光顺。

图1　MARC冲压仿真方案

1.1冲压工艺设计的原则

冲压工艺设计的总原则是保证冲压零件的高质量，生产的高效率和低成本，包括材料冲压板材的高利用率、低成本和工模具的低成本。

设定冲压方向原则要有利于拉延成形。无负角，保证凸模能够进入凹模；无滑移，保证开始拉延时凸模接触毛坯的状态良好、平坦、多点、平衡以及材料不窜动；无侧向力，拉延深度要均匀，进料阻力要平衡；无冲击线，有利于后序工序。

工艺补充部分设计原则。工艺补充部分是构成完整拉延件的必要组成部分，是指零件本身以外的部分，是拉延件设计成功与否的关键，也是衡量冲孔工艺设计水平的标志之一。工艺补充必须构成完整的拉延件，生产一个完整的壳体，以利于拉延成形；平衡成形阻力，控制材料的流量，拉延深度要均匀，平衡拉延件各断面的线段长度，充分利用材料的成形极限，避免开裂、起皱；压料面要平滑过渡，曲面规则[5-8]。

1.2工艺补充方案

孔洞填充/删除。将产品数模导入UG后，通过边界提取，将产品面打散，并对孔洞进行自动填充，通过去参数，解除抽取到的面与原产品的父子关系。

凸凹模的提取。若获取到的产品数模是实体，可通过抽取面得到凸凹模，将产品外表面作为凹模，内表面作为凸模，若考虑凸凹模间隙时，为保证产品型面的一致性，尽量通过对原产品进行相应的曲面增厚，再抽取内表面作为凸模。

坯料轮廓尺寸的确定。坯料的最小轮廓尺寸可通过2种方式获得。

1）利用CAE软件（Autoform）中料片展开模块，通过计算获取到产品的最小轮廓线[9-11]。在获取过程中，一定要提前确定冲压方向，保证CAE输出的料片法向与冲压方向保持一致，否则导入MARC后凸凹模与料片之间存在夹角；在MARC中要精确调整料片法向与冲压方向一致比较困难，应提前在CAE软件中将冲压方向调整一致。该方法适用于型面复杂的产品。

2）利用UG中成型性分析获取料片轮廓线，此方法适用于型面简单的产品。通过UG展开料片，选择要展开的基准平面时，要保证基准平面法向与冲压方向一致[12-15]。

压边圈设计。压边圈可通过凹模以及分模线获取到。

2　MARC冲压工艺仿真方案规划

2.1前处理

模型导入。凸凹模、压边圈以及料片导入的先后顺序对后续处理影响很大，在MARC中做冲压分析时，凹模不动，凸模沿冲压方向移动，压边圈在冲压过程中通过控制节点确定其压边力的输出规则。对于不规则料片轮廓线，在进行单元网格划分时要选取边界线，一般通过框选获取，若将凸凹模提前导入后，料片轮廓线获取不便。一般先将料片线导入，完成网格划分以及边界条件添加后，再将凸凹模以及压边圈导入，在冲压起始时刻，单元处在凹模与压边圈之间，后导入的凹模和压边圈应与单元保持一定距离，对凸凹模的相关设定完成后，再调整凸凹模及压边圈到指定位置。

网格划分。MARC中网格生成方式种类较多，大致可分为2类。

1）网格的直接定义。通过基准点、线、面建立相应的单元，该方法适用于料片轮廓线是规则曲线的产品。

2）几何实体转化单元。实体的点、线、面转化为相应的节点和单元，该方法适用于不规则料片轮廓线的产品。

单元网格的细化。在MARC中建立单元时，一般先是建立基元，再通过相应的网格编辑指令完成对网格的细分和修正。通过设定相应的横向、纵向单元细分数目即可对基元进行细分，这对于局部单元的细分极为有效。

单元畸形检测与修正。单元的畸形极有可能导致模型不收敛或计算不准确，为此，在进行分析前需对划分的单元进行畸形检测。首先对冗余的节点和几何元素进行剔除，并对所有元素进行重新编号，利用CHECK功能对现有单元进行畸形检测，并通过设定相应的修正参数，对现存的畸形单元进行修正，对于型面复杂的模型，此过程不能省略。

材料属性定义。MARC自带有材料库，但内部材料库大多是合金钢，一般的冲压材料几乎没有，所以需用户自行定义材料属性。材料基本属性包括：弹性模量、泊松比、密度、屈服准则和硬化准则等。

几何属性定义。MARC分析冲压时，一般常用的2种单元：mech_three_shell和hex（8）单元，也就是实体厚壳单元和实体单元。实体单元无需定义几何参数，通过单元的映射完成实体单元的生成，系统默认映射后的单元为实体单元；对于壳单元只需输入壳厚度，其他参数默认即可。

接触体定义。MARC的接触是通过设定接触对完成的，在接触体定义时，需先定义变形体，后定义凸模，定义完凸模后再定义凹模。

冲压过程中将料片定义为变形体，其摩擦系数可设为恒定，也可以表格的形式设定为动态摩擦系数，料片的运动方式不指定。

凹模定义为刚体，摩擦系数的设定与料片的设定一致。其运动方式默认即可。

凸模定义为刚体，摩擦系数的设定与料片的设定一致，由于凸模在冲压过程中发生了位移，可通过位移、速度来控制凸模的运动，一般通过位移来控制凸模运动，凸模运动控制参数选择位移，再充分考虑冲压过程，以表格形式输入作为凸模的控制参数。

压边圈定义为刚体，摩擦系数设定与料片设定一致，由于压边圈需通过力来控制，所以，将压边圈的控制方式选择为力，并在压边圈上提取1～2个关键点作为节点，在初始条件定义中通过对节点添加载荷来实现压边力。

接触体的接触方式。定义完接触体后，定义接触对，在不定义的情况下软件自动判断接触，可通过控制实现分区域接触、分时段接触等，一般选择自动接触判断即可。

初始条件定义。初始条件可加在单元上，也可加在节点上。对于冲压而言，在进行成型性分析时，凹模当做刚体处理，在整个冲压过程中不动，压边圈在整个冲压过程中施加压边力，将压边圈的控制节点作为施加压边力的对象，通过对控制节点添加相应的压边力，MARC可将这些力等效地转化为压边圈与压料面之间的面压。

边界条件定义。冲压过程中的挡料销可转化为边界条件，挡料销的根本目标就是保证料片几何中心与冲压中心保持一致。由于在MARC中设置相应的挡料销极为不便，可通过对中心节点添加相应的边界条件即可实现挡料销的作用。若分析模型是1/2、1/4对称模型，也可通过对边界处单元或节点添加相应的载荷实现对整个模型的分析。

2.2冲压计算

冲压过程定义。MARC对同种模型可做不同类型的分析，对于冲压可选择静态分析，其中分析总时长与凸模运动相关，一般取1s，载荷子步时间步长为0.02s，整个分析过程分50个载荷子步。

冲压过程计算。在完成所有设定后，即可提交运算。在提交运算前需对接触控制进行选择，若前期定义多个接触对，此处即可选择多个接触对中的一个进行分析，分析类型为大变形，并对分析输出的结果参数进行选择。在确认无误后即可检测整个模型是否存在警告或错误，若无错误警告即可提交运算。

2.3后处理

错误输出分析。当MARC计算完成后，退出号为3004时，表示计算完成，即求解成功；若计算完成后退出号不是3004，表明计算结果不准确。最常见的输出数字有：13、1009、3002、3009、3015等，如果有网格重划分，还会出现33、5059、5063等错误，需要参照EXITMESSAGE提示和OUTPUTFILE去发现问题和寻求解决问题的方法，然后反复修改模型，直至提交输出数字正确为止。常见的输出数字可以做如下处理。

1）输出13错误：如果模型中不存在网格重划分，代表几何模型有错误，这种情况应该检查建模过程中可能出现的失误，一般有可能是以下原因：

（1）存在畸形的单元，应该重新划分，尽量将单元形状划分规则；

（2）存在冗余节点或单元没有排列好，应该用sweep命令清除掉多余的节点；

（3）有可能是材料问题或接触刚体的问题；

（4）约束加得不合适；

（5）约束或接触体的定义名称给得不合适；

（6）刚体曲面存在破损或刚体曲面中某一曲面接触方向错误（最为常见）。

2）输出33错误：这个错误提示一般出现在网格重划分时，是由于网格重新细化以后，模型中的网格数目和节点数目急剧增大，Job中设置的网格重划参数小于实际中网格重划后生成的参数。改正的方法是将Job中设置的网格重划参数中相应的单元数和节点数增大，即只要将该选项中的3项（即max element；max node；max contact）数值加大，在设置这几个数值之前应该大概估计一下将会生成的单元数目和节点数目，有目的地去修改。

3）输出3009错误：提示代表计算结果不收敛，有可能是以下原因：

（1）收敛准则选得不合适或收敛容差给得不合适，对待不同的问题应该有不同的收敛准则，有些用位移收敛准则好，有些用力收敛准则好，有些用应变能收敛准则好。当然收敛的容差数值也应该给得合适；

（2）有可能是步长给得不合适，应该选用自适应载荷步，使用adaptive s teps aut o ste p并把parameters中的＃cut backs allow值设置大些；

（3）减少loadcases总时间；

（4）增大时间步长。

以上4种解决方案都不能解决，则应具体分析结果的动画，观察变形体是否在成型过程中偏离出刚体的边界，或者2个刚体面发生接触等。

4）输出5063错误：说明网格重划中没有设置单元边的平均长度值，这个长度值是网格重划分模型目标的平均长度，是网格能够得以重新划分成功必不可少的条件。

5）输出5059错误：网格重划分失败，有可能是网格重划分的准则或网格重划分参数设置得不好，应该去调节，主要包括网格重划分的单元长度和总单元、总节点数目。

在模型准确计算完成后，进入后处理模块，打开默认的后处理文件，可通过监控器观察整个冲压过程，可添加变形前板料图，对比分析板料的变形过程。MARC中显示结果可分为2种方式，即沿路径显示和随时间显示。沿路径显示时，选取多个节点，获取这些节点相应的载荷步，添加曲线时将横轴指定为弧长，纵坐标由用户指定要显示的变量；随时间显示，即以时间为横轴，整个曲线描述的是单个或多个节点的结果变量。MARC还可以动画输出。

MARC计算结果中的成型极限参数用于冲压件的成型性判定，对于厚壳单元还可利用单元厚度以及减薄率判定板料的成型性能。

3　结束语

MARC在强非线性分析领域表现出优良的性能，而冲压又是非线性分析的典型代表，因此，文中以冲压分析为例，规划MARC冲压方案，从工艺补充设计、模型导入、网格划分、接触对定义以及后处理等方面对冲压过程进行论述。对MARC冲压过程中出现的问题进行归纳，以工艺补充原则、CAE分析的基本流程为基础，提出工艺补充的设计原则、凸凹模运动参数设定方法以及计算结果退出号的解决方案。经多次验证，所提及的冲压过程控制方案能很好地避免MARC冲压过程中出现的问题，提升了计算结果的准确性，可为冲压仿真提供参考依据。

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收稿日期：2015− 10− 08

文章编号：1002-4581（2016）01-0014-04

基金项目：（61374196，51178053）；教育部长江学者和创新团队发展计划项目（IRT1286）。

中图分类号：U466：TP391.9

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.004