[发明专利]一种应用于压印成形仿真的基于改进的接触算法的物质点法

说明书

本发明提供了一种应用于压印成形仿真的基于改进的接触算法的物质点法，该方法包括以下步骤：对压印成形工艺过程建立数学物理模型；对模具进行有限元四边形壳单元离散；对工件进行六面体单元离散、建立坯饼的质点集并建立背景网格；计算背景网格节点载荷；通过背景网格形函数将质点携带的物理量映射到背景网格节点；求解动量方程并施加边界条件；更新质点的物理量；更新背景网格节点的物理量；更新模具位置；判断物质点的穿透状态并求解穿透距离及接触力；施加边界条件；计算质点的应变增量和旋率增量，根据本构模型求解质点的应力及弹塑性相关变量，更新质点的密度。本发明通过物质点法来解决压印成形有限元模拟中时间步长无限小的瓶颈问题。

技术领域

本发明涉及压印技术领域，具体涉及一种应用于压印仿真中的基于改进的接触算法的物质点法

背景技术

在纪念币或者硬币成形过程中，工艺人员往往通过经验和多次试模来消除光亮带和闪光线缺陷、确定压印力大小。随着坯饼材料的更换，积累的经验和多次试模的结果已经不能作为参考，工艺人员只得重复以上繁复的试模工作，造成纪念币或者硬币生产周期长、成本高。同时也阻碍了新产品的开发、新材料的应用。因此，采用压印成形模拟技术对压印成形过程进行虚拟试模，在提高产品质量，缩短产品设计周期和降低生产成本方面意义重大。由于压印成形过程中涉及材料非线性和接触非线性等问题，一般采用动力显式有限元中心差分法算法来避免隐式算法中的不收敛问题，在压印成形仿真过程中，较深刻纹和抷料边缘产生大变形而造成网格畸变，导致极小的时间步长，从而显著增加了计算时间，甚至导致无法计算。

鉴于物质点法在极端大变形问题仿真中的巨大优势，尤其是克服网格畸变问题具备天然优势，本研究发明拟采用物质点法进行压印成形仿真分析。然而在现有的物质点法中，大多数的点对点接触算法会造成虚接触，如图7所示。此外，模具表面大量的微小图案对接触算法法向量的计算提出了很高的要求。

因此，本发明提出了基于点对面的接触算法，该算法可获得真实的物理接触点判断和准确的法向量。并将其嵌入到物质点算法框架中，用于模拟压印过程。由于背景域只包含可变形的工件，并且需要一个速度场，减少了数据存储和计算量。将改进的物质点应用于压印中预测图案填充状态，并且通过实验验证了其性能。

发明内容

本发明的目的是针对物质点法中点对点接触会造成虚接触的问题，而提供了一种应用于压印成形仿真中的基于改进的接触算法的物质点法。本发明的目的是这样实现的：一种应用于压印成形仿真中的基于改进的接触算法的物质点法，包括如下步骤：

步骤1：对压印成形工艺过程建立数学物理模型；

步骤2：对模具进行四边形壳单元离散；

步骤3：对工件离散、建立其质点集并建立背景网格；

步骤4：计算背景网格节点载荷；

步骤5：通过背景网格形函数将质点携带的物理量映射到背景网格节点；

步骤6：求解动量方程并施加边界条件；

步骤7：更新质点的物理量；

步骤8：更新背景网格点的物理量；

步骤9：更新模具位置；

步骤10：判断物质点的穿透状态并求解穿透距离及接触力；

步骤11：施加边界条件；

步骤12：计算质点的应变增量和旋率增量，根据本构模型求解质点的应力及弹塑性相关变量，更新质点的密度。

进一步，步骤3具体为：

采用物质点法将材料域即初始硬币坯料模型离散为一组粒子，首先对硬币进行六面体离散，建立只包含硬币模型的背景网格；