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dynaform软件技术原理

时间:2018-02-13


?NUMISHEET标准考题的发展
? 为了促进板料冲压成形仿真的研究和应用,国

际上发起了定期召开的板料成形三维数值仿真
国际会议NUMISHEET(International Conference on
Numerical Simulation of 3-D Sheet Forming Process)分别

是: OSU标准考题(1988年)、VDI(德国汽车 学会)标准考题(1991年)、NUMISHEET’93、
NUMISHEET’96、NUMISHEET’99、 NUMISHEET’02、 NUMISHEET’05。
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?NUMISHEET标准考题的发展
? OSU标准考题(1988年)

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?NUMISHEET标准考题的发展
? NUMISHEET’93 (1993年)

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?NUMISHEET标准考题的发展
? NUMISHEET’96 (1996年)

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?NUMISHEET标准考题的发展
? NUMISHEET’2002 (2002年)

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?NUMISHEET标准考题的发展
? NUMISHEET’2002 (2002年)

Forming of Front Fender
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?NUMISHEET标准考题的发展
? NUMISHEET’2005 (2005年)
?BENCHMARK 1 :
Springback Prediction of Decklid Inner Panel

Forming of Front Fender
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?NUMISHEET标准考题的发展
? NUMISHEET’2005 (2005年)
?BENCHMARK 2 :
Springback Prediction of A Cross Member

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?NUMISHEET标准考题的发展
? NUMISHEET’2005 (2005年)
?BENCHMARK 3 :
Channel Draw/Cylindrical Cup Benchmark

View of Specimen A before binder closure in Stage 2 2018/2/13

View of Specimen B before binder closure in Stage 2 9

? 板料成形有限元仿真关键技术的发展 ? 求解算法
?动力显式算法(Dynamic explicit algorithm) ?静力隐式算法(Static implicit algorithm) ?一步逆成形算法(One-step Inverse algorithm)

? 单元技术 ?薄膜单元 ?块单元 ?壳单元 ? 本构关系 ?各向同性材料的屈服准则 ?各向异性材料的屈服准则
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? 求解算法 ? 冲压成形过程是一个大变形的非线性力学过程。
? 动力显式算法(Dynamic explicit algorithm)
? 如果考虑速度和加速度的影响,采用对角化的质

量矩阵和阻尼矩阵,考虑t时刻的运动方程,由 中心差分法可得到在 t ? ?t 时刻的节点位移为
u
t ? ?t

M C ?1 M C t ? ?t t t ? ?t ?( 2 ? ) [fe ? f i ? 2 (2u ? u ) ? u ] ?t 2?t ?t 2?t

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? 上式即为动力显式算法,每个自由度的位移可以

独立求出,但该算法是条件稳定的积分算法,为 保证计算的稳定性,时间步长应满足

?t ? ?tcr
? 动力显式增量法最初是为冲击、碰撞问题的仿真

而开发的,在有限元平衡方程中包含惯性力的成 分。它采用中心差分算法,不需要刚度矩阵的集 合,不存在收敛性问题,因此特别适合于计算大型 车身覆盖件的成形问题。
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? 它有其固有的缺陷,即为了得到显著的计算优势,

必须人为地放大真实的凸模速度,为了抵消由此 引起的惯性力,就需要用户在网格大小、质量矩 阵、阻尼矩阵等计算参数的选用上积累丰富的经 验。 ? 这类软件计算效率较高,但计算结果因人而异的 现象比较普遍。另外,它的回弹计算能力较差, 所需模拟时间比较长,一般适合在模具设计最后 阶段进行校核。
? 代表性商品化软件有:LS-DYNA,

PAM2G/AutoStamp
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? 静力隐式算法(static implicit algorithm)
? 从理论上讲,增量型静力隐式软件最适合车身覆

盖件冲压成形这个准静力问题,计算结果也是无 条件稳定的。
? 它存在致命的收敛性问题,由于接触状态的改变,

容易引起收敛速度变慢或发散,从而使计算难以 进行下去。另外,计算效率低也是它的一个不利 因素。 ? 尽管动力显式软件在当今的车身覆盖件冲压仿真 中占主流地位,但还是有许多学者在继续从事静 力隐式软件的开发、完善工作。
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? Ford公司的Tang改进了方程组的解法,从而使计

算效率得到较大的改善。
? 韩国的Yang采用分叉理论来计算起皱问题,从而

避免了静力隐式软件在压缩失稳时收敛性差的问 题。
? 为了解决静力隐式算法收敛难和计算效率低下的

问题,提出了大步长静力隐式算法,这类软件对 冲压过程的高度非线性问题进行了特殊的改进, 把弯曲效应和拉伸效应进行分离处理,从而可以 采用快速的迭代算法,并改善了收敛性。
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? 由于采用静力隐式算法,因此网格的自适应细化

等级没有限制,网格最小可以达到0.5mm,很大的 网格和很小的网格可以共存。 ? 但由于对非线性问题进行了近似处理,因此不能 准确地模拟节点接触和脱离工具的过程,对起皱 和屈曲的预测结果也往往较差。
? 由于上述的因素,使这类软件计算效率大为提

高 ,非常适合在模具设计初期及其优化设计中应 用。
? 代表性商品化软件有:AutoForm/Incremental,

Pam2G/QuickStamp
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? 一步逆成形算法(One-Step Inverse algorithm) ? 采用全量理论,整个成形过程是从最终的车身覆

盖件到初始板料(实际上是反向模拟),忽略接触 变形历史。
Z, W Y,V 最终构形C X, U W UV P
0

P

模具作用力

拉伸筋作用力

平坯料C0

一步逆成形有限元方法示意图
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? 这类软件的最大好处是计算效率很高, 但是由

于采用了过多的假设和简化,计算精度还有待 提高 。
? 适合于产品的设计阶段,可以给设计人员提供

一些定性的参考,传统的车身设计往往注重于它 的动力学性能、美观等方面的因素,对其冲压成 形性则很少考虑,借助这类软件可以较好地对车 身覆盖件的成形性进行预测 。
? 代表性商品化软件有:FastForm,

DynaForm/MStep, HyperForm, AutoForm/OneStep
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?有限元仿真软件的分类

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?有限元仿真软件的分类

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?有限元仿真软件的分类

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? 单元技术

? 薄膜单元(薄膜理论),C0型单元,构

造格式简单,但忽略了弯曲效应,考虑的 内力仅为沿薄壳厚度均匀分布的平行于中 面的应力,忽略弯矩、扭矩和横向剪切。
? 块单元(连续介质理论),C0型单元,

考虑弯曲效应和剪切效应,格式更简单, 但计算时间太长。
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? 壳单元(板壳理论),既能处理弯曲和

剪切效应,又不像实体单元那样需要很 长的计算时间,因此在车身覆盖件冲压 成形仿真分析中常被采用。壳单元大致 分为两类:一类是基于经典Kirchhoff板 壳理论的壳单元;另一类是基于Mindlin 理论的壳单元。BT壳单元就是 Belytschko等人基于Mindlin理论开发的 计算精度和效率都很高的一种壳单元。
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? 本构关系 ? 在板料冲压成形过程中,板料是唯一的塑性变形 体,它的应力和应变关系是影响仿真结果可靠性 的最重要因素之一。在什么样的复合应力状态下 材料开始屈服,这就需要建立屈服准则 ? 第一类:各向同性材料的屈服准则
? 屈雷斯卡(Tresca)于1864年提出屈服准则的概

念,他认为:当最大剪应力达到某一极限值时, 材料即进入塑性状态。屈雷斯卡条件的数学表达 式为
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? max ? ? y
? 由于屈雷斯卡屈服准则不光滑而产生了数学上的

困难,为了简化计算,1913年,Mises提出的屈服 准则数学表达式为

J ?k
* 2
* 2

2 2
2 xy 2 yz 2 zx

J ? ?( S x S y ? S y Sz ? Sz S x ) ? ( S ? S ? S )
? k2为一常数,可由实验确定。例如,用单拉

实验,可得
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1 k2 ? ?s 3
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第二类:各向异性材料的屈服准则 (1)Hill屈服准则 ?1948年,Hill提出了二次屈服准则,若把各 向异性主轴作为局部随体正交坐标轴x,y,z 的话, Hill 正交各向异性屈服函数可表示为
1 f ? {F (? yy ? ? zz ) 2 ? G (? zz ? ? xx ) 2 ? H (? xx ? ? yy ) 2 2( F ? G ? H ) 1 2 2 2 2 ? 2 L? yz ? 2M? zx ? 2 N? xy } ? ? 3

? 式中F、G、H、L、M、N是材料的各向异

性参数,由实验确定。
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? 该准则在描述r值较高的各向异性时比较

合适。其它非二次的屈服准则,如Hill
(1979、1990、1993) ,Gotoh(1977)、 Budianski(1984)等都可以更好的描述 铝合金的屈服行为。 (2)Barlat-Lian屈服准则 1989年,Barlat和Lian提出新的非二次屈 服准则,它可以考虑面内剪切应力,其表 达式为:
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f ? a K1 ? K 2 ? a K1 ? K 2 ? c 2K 2 ? 2?
2

M

M

M

M

? ? ? x ? h? y ? 1 2 2 ? ? K1 ? (? x ? h? y ) , K 2 ? ? ? p ? xy ? ? 2 2 ? ? ? ? ? h ? r0 (1 ? r90 ) ?(1 ? r0 )r90 ? ? ? a ? 2 ? c ? 2 ? r0 r90 [(1 ? r0 )(1 ? r90 )] ? 1 ?p ? ? M M p? ? ( ) 2 ( 2a ? 2 c ) ? ?b ? sl ?

?

?

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其中, ? ? p 是等双拉状态的Cauchy主应力; ? ? b 是单向拉伸状态的Cauchy主应力; ? ? sl 是纯剪切状态时的屈服剪应力; ? M是非二次屈服函数指数; ? r0和r90是板料轧制方向和面内垂直于轧 制方向的各向异性参数; ? p值可以通过单拉实验的 r0 , r45 , r90求出。
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? 该准则可以有效的模拟板料拉深成

形过程中突缘的塑性流动规律,可 以模拟突缘出现2、4、6个制耳的现 象,全面地反映了面内各向异性和 屈服函数指数m对板料成形过程中 的塑性流动规律及成形极限的影响。 只是该准则只能应用于平面应力状 态。
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1.2 板料冲压成形的物理现象 冲压过程

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冲压成形过程作为一个统一的力学过 程,在此基础上,可总结出四大重要物 理现象: ? 接触碰撞 接触碰撞现象是十分普遍的物理现象, 它是两个物体表面间产生的相互作用的 一个过程。接触碰撞过程的计算是最难 的工程计算问题之一,因为它涉及一个 求解具有未知边界条件的边值问题。
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? 摩擦磨损
? 摩擦是与接触不可分割的一个物理现象,

它表现为两接触表面相对运动的阻碍作 用。在板料冲压成形过程中,有时利用 摩擦,而有时要避免摩擦以达到控制材 料流动的目的。 ? 磨损是摩擦作用的一种反映,它是模具 失效的主要形式,磨损的快慢就决定了 模具的使用寿命。

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? 大位移、大转动 ? 大变形的出现使线性的应力和应变关系不

再有效,大位移和大转动的产生导致物体 的构形不断改变,从而需要考虑构形处于 变化中的物体的平衡方程。由大位移、大 转动引起的非线性问题统称为几何非线性 问题。 ? 弹塑性变形 ? 在冲压成形的加载过程中,工件同时发生 弹性和塑性变形,卸载后,大部分弹性变 形消失,塑性变形得以保留,何时开始产 生塑性变形涉及到材料的屈服准则。
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1. 3板料冲压成形的常见缺陷及产生原因
? 拉裂 拉裂是深冲工艺产生的常见缺陷,根据程 度不同可将拉裂分为微观拉裂和宏观拉裂两种情 况。 ? 消除拉裂方法 降低拉裂区的拉应变值,可采用 不同的途径,如调整压边力、改善润滑条件、增 加辅助工序等。 ? 成形极限图 成形极限图是用来描述材料在给定 状态下所能承受的最大应变的情况,如图2.1所 示,成形极限图中曲线以下的区域代表成形安全 区,曲线以上的区域代表拉裂区。
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?1

?2

成形极限图
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? 起皱 起皱是板料冲压成形中另一种常见缺

陷,它产生的原因正好与拉裂产生的原因
相反,是由于局部压应力过大引起失稳所

致。起皱不仅影响零件的精度和美观性,
还会影响下一到工序的正常进行。如果起 皱严重就可能导致坯料难以通过凸凹模间 隙而被拉断。
? 消除方法 增加起皱处的法向接触力。
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? 回弹补偿不当
? 由于冲压件弹性变形的存在,卸载后零件会

发生回弹。为了补偿回弹所引起的冲压件的 尺寸改变,可以采取调整模具形状和尺寸的 方法。 ? 做法如下:首先计算出冲压件的回弹量,然 后按照该回弹量反方向修正模具。即便如此, 仍然存在问题,一是回弹量难以精确计算, 另一个是即使回弹量能够精确计算,回弹也 很难一次补偿好,这往往是一个迭代过程。

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回弹补偿后的模具型面

原始的模具型面

回弹后的板料

图 2.2 回弹补偿
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起皱现象

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第三章 覆盖件成形模具设计
? 3.1概述
定义
汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机 和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。

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汽车车身的主要构成部件
? 1. 发动机盖
发动机盖(又称发动机罩)是最醒目的车身构件, 是买车者经常要察看的部件之一。对发动机盖的主 要要求是隔热隔音、自身质量轻、刚性强。发动机 盖的在结构上一般由外板和内板组成,中间夹以隔 热材料,内板起到增强刚性的作用,其几何形状由 厂家选取,基本上是骨架形式。

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发动机盖外板

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发动机盖外板

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发动机盖内板

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发动机盖内板

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汽车车身的主要构成部件
? 2.车顶盖
车顶盖是车厢顶部的盖板。对于轿车车身的总 体刚度而言,顶盖不是很重要的部件,这也是允许 在车顶盖上开设天窗的理由。从设计角度来讲,重 要的是它如何与前、后窗框及与支柱交界点平顺过 渡,以求得最好的视觉感和最小的空气阻力。当然, 为了安全车顶盖还应有一定的强度和刚度。

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车顶盖

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汽车车身的主要构成部件
? 3.行李箱盖
行李箱盖要求有良好的刚性,结构上基本与发 动机盖相同,也有外板和内板,内板有加强筋。一 些被称为“二厢半”的轿车,其行李箱向上延伸, 包括后档风玻璃在内,使开启面积增加,形成一个 门,因此又称为背门,这样既保持一种三厢车形状 又能够方便存放物品。

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行李箱盖外板

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行李箱盖内板

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汽车车身的主要构成部件
? 4.翼子板
翼子板是遮盖车轮的车身外板,因旧式车身 该部件形状及位置似鸟翼而得名。按照安装位置 又分为前翼子板和后翼子板,前翼子板安装在前 轮处,出于空气动力学的考虑,后翼子板略显拱 形弧线向外凸出。现在有些轿车翼子板已与车身 本体成为一个整体。

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翼子板

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汽车车身的主要构成部件
? 5.车门 ?

车门分为门外板和门内板,包边后即为门 总成,应具有一定的刚性。

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车门外板

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车门内板

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汽车车身的主要构成部件
? 5.前围板
前围板是指发动机舱与车厢之间的隔板,它和 地板、前立柱联接,安装在前围上盖板之下。前围 板上有许多孔口,作为操纵用的拉线、拉杆、管路 和电线束通过之用,还要配合踏板、方问机柱等机 件安装位置。 在发生意外事故时,它应具有足够的强度和刚 度。
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前围板

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汽车车身的主要构成部件
? 6.轿车身上的三大立柱
一般轿车车身有三个立柱,从前往后依次为 前柱(A柱)、中柱(B柱)、后柱(C柱)。对于轿车而 言,立柱除了支撑作用,也起到门框的作用。 ? 立柱的刚度很大程度上决定了车身的整体刚 度,因此在整个车身结构中,立柱是关键件,它 要有很高的刚度。
?
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60

汽车车身的主要构成部件
? 7.侧围

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侧围

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汽车覆盖件的特点
? 结构尺寸大

? 形状复杂
? 板料薄:一般由0.7mm至1.5mm的冷轧薄

钢板冲压而成

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覆盖件成形工艺的要求
1.零件上最大变形区材料的变形量不超过材料 的极限变形程度,避免材料被拉裂。 2.变形量小的区域材料不发生弹性畸变,成形 后零件有足够的刚度。 3.防止坯料成形过程中可能出现的回弹、起皱、 表面损伤等成形问题 。

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覆盖件的主要成形障碍及其防止措施
由于覆盖件形状复杂,多为非轴对称、非回转体的复杂 曲面形状零件,因而决定了拉深时的变形不均匀,所以拉 深时的起皱和开裂是主要成形障碍。 1.起皱及防皱措施 原因: 覆盖件的拉深过程中,当板料与凸模刚开始接触,板面 内就会产生压应力,随着拉深的进行,当压应力超过允许 值时,板料就会失稳起皱。 防皱措施: 解决的办法是增加工艺补充材料或设置拉深筋。

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覆盖件的主要成形障碍及其防止措施
2.开裂及防裂措施 原因: 是由于局部拉应力过大造成的,由于局部拉应力过大导 致局部大的胀形变形而开裂。 位置: 开裂主要发生在圆角部位,开裂部位的厚度变薄很大如 凸模与坯料的接触面积过小、拉深阻力过大等都有可能导致 材料局部胀形变形过大而开裂 。 防裂措施: 为了防止开裂,应从覆盖件的结构、成形工艺以及模具设 计多方面采取相应的措施。

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覆盖件的主要成形障碍及其防止措施
覆盖件的成形障碍的防止措施
(1) 覆盖件的结构上,可采取的措施有:

各圆角半径最好大一些、曲面形状在拉深方向的实际深度应浅一些、各 处深度均匀一些、形状尽量简单且变化尽量平缓一些等。 (2)拉深工艺方面,可采取的主要措施有: 拉深方向尽量使凸模与坯料的接触面积大、合理的压料面形状和压边力 使压料面各部位阻力均匀适度、降低拉延深度、开工艺孔和工艺切口等 。 (3)模具设计上 可采取设计合理的拉深筋、采用较大的模具圆角、使凸模与凹模间隙合 理等措施。

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汽车覆盖件传统生产流程
产品设计

根据已有的设计资料和设计者的经验,进行对比分析
模具报废 冲压工艺确定

不成功

成功 模具设计 模具制造 模具调试 产品冲压

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覆盖件冲压工艺研究的意义
? 决定了零件的最终质量以及能否成功生产 。 ? 决定了模具制造及调试的难易和周期。 ? 决定了零件的生产成本及模具制造成本。

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国外汽车界提出了3R战略
? 缩短产品的市场化周期 ? 降低产品开发费用

? 减轻汽车的质量

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传统的覆盖件冲压工艺分析和模具设计方 法的缺点
? 模具的开发周期长 ? 生产成本高

? 风险大

不能适应汽车业的激烈竞争
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车身覆盖件冲压仿真技术走向工业实用阶段
? 用于产品设计阶段以确保零件具有较好的冲

压成形工艺性 ? 用于后期的工艺分析及模具设计中 ? 指导模具调试

能大大降低成本,缩短生产周期、提高企 业的市场竞争力 。

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板料成形极限概念
? 板料在失稳之前可以达到的最大变形程度 ? 成形极限越高,则板料冲压成形性能越好

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影响冲压成形性能的材料性能指标(1)

? 屈服极限
?s

?s

屈服极限小,材料容易屈服,但在压缩类变形时, 因易于变形而易起皱 。

? 屈强比

?b

屈强比小说明允许的塑性变形区间大,易于产生塑 性变形而不易破裂。

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影响冲压成形性能的材料性能指标(2)

? 延伸率 ?
延伸率大,板料所允许的塑性变形程度也大,抗破 裂性能较好。

? 应变硬化指数

n

硬化指数大时,表示冷变形时硬化显著,对后续变 形工序不利, 但由于硬化引起的变形抗力的显著增 加,可以抵消毛坯变形处局部变薄而引起的承载能 力的减弱,提高变形的均匀性,使变形后的制件壁 厚均匀,刚性好、精度高。
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影响冲压成形性能的材料性能指标(3)

? 厚向异性指数 R
R值越大,板料抵抗变薄的能力越强,且对于拉— 压应变状态,R值越大,越易产生变形 。

? 凸耳参数

?R

板平面上出现各向异性,尤其在沿轧制45°方向与 轧制方向形成明显的差异,方向性愈明显,则凸耳 的高度愈大。

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影响冲压成形性能的材料性能指标(4)

? 表面粗糙度
? 1.粗糙度过大,则变形时的摩擦力较大,容易形成

应力集中,对成形性能不利。 ? 2.板料表面过于平滑则模具和板料之间的润滑剂很 容易被成形时的压力挤走 。

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确定最佳工艺方案流程
利用经验对冲压件的工艺性分析

提出各种可能的冲压工艺方案

对相关方案进行计算机仿真

确定出适合于本产品生产的最佳冲压工艺方案

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确定最佳工艺方案应考虑内容
? 确定冲压工序类型 ? 确定冲压次数 ? 确定冲压顺序 ? 确定工序的组合方式

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板料冲压成形仿真技术在工艺与模具 设计中所能解决的问题
? (1)起皱的预测与消除 ? (2)拉裂的预测与消除 ? (3)回弹的计算 ? (4)压边力的确定 ? (5)毛坯尺寸的计算 ? (6)润滑方案的优化 ? (7)预测和改善模具磨损
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? 在计算机中实现修模和试模有许多独特

优点,主要包括如下几个方面:
?节省时间; ?节省费用; ?提高模具使用寿命; ?提高工件品质;

?减少废品率;
?减少原材料浪费;

?支持新产品的并行工程。
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