简介

硬币冲压是一种高精度的制造工艺，涉及用模具压制金属坯料以赋予复杂的设计。此过程需要精确的仿真来预测材料行为、优化参数并最大限度地减少缺陷。传统的有限元法 （FEM） 仿真通常难以应对硬币冲压特有的极端变形和复杂的接触相互作用。在 Ansys LS-DYNA 中实施的平滑粒子伽辽金 （SPG） 方法提供了一种克服这些挑战的先进方法。本博客探讨了 LS-DYNA 和 SPG 技术在硬币压铸仿真中的应用，重点介绍了其优势、设置过程和分析。

平滑粒子 Galerkin 方法

概述 SPG 方法是一种无网格计算技术，擅长处理大变形和复杂的材料行为。与依赖于预定义网格的 FEM 不同，SPG 使用一组粒子来表示材质域。这些粒子具有质量、速度、应力和应变等特性，通过平滑的内核函数相互作用。SPG 俱乐部的主要优势包括：
 

• 大变形处理：SPG 擅长对大变形进行建模，而不会出现 FEM 中固有的网格变形问题。
• 自然断裂建模：该方法可以自然地处理裂纹的萌生和扩展，这对于分析硬币冲压中的潜在缺陷至关重要。
• 稳健的接触交互：SPG 可有效管理金属坯料和模具之间复杂的接触交互。

在 Ansys LS-DYNA

中设置硬币冲压仿真 第 1 步：模型创建

1.几何定义：

• 毛坯和模具几何结构：使用 CAD 软件或 Ansys 前处理器工具创建硬币毛坯和冲压模具的 3D 几何结构。
• 材料属性：为毛坯（通常是铜或镍合金）和模具（通常是硬化钢）分配适当的材料属性。这包括定义应力-应变行为、屈服标准和任何与温度相关的属性。

2. 初始条件：

• 将坯料放置在模具之间并指定初始速度和边界条件，以准确模拟冲压过程。

第 2 步：SPG 颗粒生成

1.粒子分布：

• 在空白体积内生成粒子。粒子密度应足够高，以便在保持计算效率的同时捕获详细的变形。
• 确保适当的间距和分布以准确表示材质。

2. 内核功能选择：

• 选择适当的核函数（如高斯或三次样条）来定义粒子的交互方式。
• 定义内核的支撑半径，确定粒子之间的交互范围。

第 3 步：模拟参数

1.时间步长和持续时间：

• 设置一个足够小的时间步长来捕捉冲压过程的高速动态，并低于 CFL 条件。
• 根据冲压事件的预期持续时间定义总仿真时间。

2. 接触算法：

• 实施稳健的接触算法来处理坯料和裸片之间的交互。根据材料和工艺条件，可以使用基于罚或基于约束的接触方法。

第 4 步：运行模拟

1.求解器设置：

• 在 LS-DYNA 中选择合适的求解器设置来处理非线性材料行为和大变形。
• 启用 SPG 俱乐部特定选项以优化性能和准确性。

2. 监控和输出：

• 在仿真过程中监控力、位移和应力等关键参数。
• 设置输出请求以进行详细的后处理，包括应力分布、粒子位移和潜在的断裂点。

 

分析结果

仿真后分析对于了解硬币冲压过程和识别潜在问题至关重要。需要考虑的关键方面包括：

1. 变形模式：

• 检查毛坯的整体变形，以确保其符合设计规范。
• 检查是否有任何可能影响硬币质量的不必要的变形或缺陷。

2. 应力和应变分布：

• 分析整个坯料上的应力和应变分布，以识别可能导致材料失效的高应力区域。
• 使用等值线图和图形清楚地可视化这些分布。

3. 断裂和裂纹分析：
- 确定裂纹开始和扩展的区域，深入了解冲压过程中的潜在故障点。
- 使用 SPG 的自然断裂处理能力来预测和减少缺陷。



未来方向

在 Ansys LS-DYNA 中集成 SPG 等高级建模技术，为进一步增强硬币冲压流程的仿真开辟了新的可能性。未来的进步可能包括：

1. 多尺度建模：
将 SPG 与多尺度建模方法相结合，以捕获从宏观到微观的不同尺度的材料行为。

2. 机器学习集成：
利用机器学习算法来优化仿真参数、预测结果并识别冲压过程中的模式。

3. 实时模拟：
开发实时模拟功能，以便在实际冲压过程中进行即时调整和优化。

4. 增强的材料模型：
结合更复杂的材料模型来捕捉硬币制造中使用的先进合金和复合材料的细微行为。

结论

Ansys LS-DYNA 中的平滑粒子 Galerkin 方法为仿真复杂的硬币冲压过程提供了强大而准确的工具。通过利用 SPG 在处理大变形和复杂材料交互方面的优势，工程师可以获得有价值的见解，优化设计参数，并提高硬币生产的质量和效率。高级仿真技术的持续开发和集成将进一步增强我们对硬币冲压等高精度制造流程进行建模和优化的能力。