Abaqus/Standard与Abaqus/Explicit的材料成型仿真模拟比较

专业技术文章：基于ABAQUS软件的材料塑性成型过程仿真分析


引言

材料的塑性成型过程中，确定作用在冲头、毛坯和夹具上的力，以及材料的塑性应变是否超过失效应变，对确保产品质量和工艺效率至关重要。ABAQUS因其强大的非线性求解能力，广泛应用于此类模拟分析。本文将针对同一金属板材加工成凹槽的过程，使用ABAQUS中的标准隐式（implicit)和快速隐式（manager)求解方法进行对比分析。

模型建立与材料设定

塑性成型分析简化为二维物理模型，采用了对称原理。假设毛坯在冲头、夹具和冲模的作用下固定，冲头施加力，引起塑性变形，实现成形。为求解此过程中的作用力和应变分布，使用ABAQUS建立了二维平面应变模型作为基础框架。平面应变与平面应力模型的区别主要在于，平面应变模型默认Z向应变为0，适合柱体问题分析；而平面应力模型默认Z向应力为0，适合薄板问题。本文分析中，毛坯的长度方向相比高度方向长得多，故选择平面应变模型以简化计算。毛坯采用二维变体单元模拟，而冲头、夹具与冲模采用解析刚体模型，并根据其固有特性选择相应的网格划分。




网格划分与材料属性定义

毛坯由特定的高强钢材料构成，需定义其弹性模量与泊松比。在ABAQUS中，材料的应力应变曲线通过真实应力和应变输入，而非工程应力应变曲线。材料坐标系的选择依赖于毛坯的大变形需求，以确保分析结果易于解读。毛坯的网格在内部使用了增强沙漏的缩小积分平面应变单元（如CPE4R）进行细分，以精确捕捉变形过程。

接触定义与求解策略

本次分析模拟需定义关键接触面，包括冲头与毛坯、毛坯与夹具、毛坯与冲模之间的面面接触。接触过程中的法向作用力和切向摩擦都需特别定义，同时确定接触模式，如选用ABAQUS中基于公式摩擦描述，以及选择合适的滑动模式（如small sliding）。通过5个分析步骤的方法，逐步建立接触边界条件、解除约束，同时谨慎施加载荷，确保模型避免刚体运动，实现稳定求解。

约束条件与步骤分解

分析步骤涵盖了定位接触、解除边界条件、引入集中力与对称约束，以及最终的静压和载荷阶段，确保结构稳定性与解的收敛性。研究表明，合理地调整动刚体消除和步进加载策略，对于避免解的不稳定性至关重要。详细的边界条件和加载顺序如表所示，遵循ABAQUS的分析流程，逐步实现成形目标。

数值计算与结果分析

ABAQUS软件计算得到毛坯最终成型后最大塑性应变分布图与等效应力分布图，分析结果显示最大塑性应变为23.1%。这一结果在应力分布分析中尤为重要，有助于评估材料是否处于安全的变形区域。明确的关键接触面与约束点分布均匀，确保了局部应力变化的有效模拟。

显示方法（Explicit）求解

引入ABAQUS中的显示方法（Explicit）加速了分析过程，充分利用了ABAQUS强大的非线性接触求解能力与求解速度优势。通过先对模型进行振动频率计算，确定合适的加载速率，并采用线性振幅曲线进行加载，进一步提升了计算效率。采用Explicit方法求解获得的变形成果与标准隐式方法相当，显示出高度的计算一致性。

武汉格发信息技术有限公司，格发许可优化管理系统可以帮你评估贵公司软件许可的真实需求，再低成本合规性管理软件许可,帮助贵司提高软件投资回报率，为软件采购、使用提供科学决策依据。支持的软件有: CAD,CAE,PDM,PLM,Catia,Ugnx, AutoCAD, Pro/E, Solidworks ,Hyperworks, Protel,CAXA,OpenWorks LandMark,MATLAB,Enovia,Winchill,TeamCenter,MathCAD,Ansys, Abaqus,ls-dyna, Fluent, MSC,Bentley,License,UG,ug,catia,Dassault Systèmes,AutoDesk,Altair,autocad,PTC,SolidWorks,Ansys,Siemens PLM Software,Paradigm,Mathworks,Borland,AVEVA,ESRI,hP,Solibri,Progman,Leica,Cadence,IBM,SIMULIA,Citrix,Sybase,Schlumberger,MSC Products...