(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111478612.8 (22)申请日 2021.12.0 6 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人 余振源　许江平　李阳　 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种应用 于双色币压印成形仿真中的基于 改进接触算法的物质点法 (57)摘要 本发明提供了一种应用于双色币压印成形 仿真中的基于改进接触算法的物质点法， 该方法 包括以下步骤： 对双色币压印成形工艺过程建立 动力学物理模 型； 对压印成形过程动力学模型进 行物质点积分； 对成形模具进行有限元三角形/ 四边形单元离散； 根据坯饼数据模 型建立背景网 格， 并对双色币坯饼进行四面体/六面体单元离 散、 建立铜、 铝材料区域的质点集； 经过计算质点 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， 更新所有质点的密 度。 本发明通过物质点法来避免双色币压印成形 有限元模拟中材 料自接触判断问题。 权利要求书5页 说明书14页 附图4页 CN 114357717 A 2022.04.15 CN 114357717 A 1.一种应用于双色币压印成形仿真的基于改进接触算法的物质点法， 其特征在于： 包 括如下步骤： 步骤1： 对双色币压印成形工艺过程建立动力学物理模型； 步骤2： 对压印成形 过程动力学模型进行物质点积分； 步骤3： 对成形模具进行有限元三角形/四边形 单元离散； 步骤4： 根据坯饼数据模型建立背景网格， 并对双色币坯饼进行四面体/六面体单元离 散、 建立铜、 铝材 料区域的质点 集； 步骤5： 计算背景网格节点载荷； 步骤6： 通过插值形函数将质点携带的物理量映射到背景网格节点； 步骤7： 根据双色币不同材 料特性求解系统自适应时间步长； 步骤8： 求 解动量方程并施加边界条件； 步骤9： 更新质点的物理量； 步骤10： 更新背景网格点的物理量； 步骤11： 更新模具空间位置； 步骤12： 判断物质点的穿透状态及求 解穿透距离； 步骤13： 求 解接触力； 步骤14： 再次更新质点的物理量； 步骤15： 施加边界条件； 步骤16： 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， 更新所有物质点的密度。 2.根据权利要求1所述的一种应用于双 色币压印成形模拟中的基于改进的接触算法的 物质点法， 其特征在于： 步骤1的主要内容为建立双色币压印成形工艺过程建立动力学物理 模型， 具体内容如下： 从力学角度出发， 压印成形过程是一个拟静态的低速运动过程， 采用动力显式算法来 描述及求 解压印成形 过程， 设坯饼为被 研究物体， 其发生塑性变形时应满足基本平衡方程： 其中， σij， j分别为柯西应力张量， bi为体积力， ρ 为材料密度， γ为阻尼系数， 和 分别 是物体内任一点的速度和加速度， i和j分别为坐标方向， 根据 虚位移原理、 相关应力边界条 件和高斯散度定理， 可推导系统的虚 功率方程 为： 式中， V为物体区域， 是虚速度， 是对应于柯西应力σij的虚应变速率。 其中Sp为已 知外力pi的表面； Sc为与另一物体接触的表面， 记接触表面力为qi； 惯性力和阻尼力功率项 反映了物体系统的惯性效应和物理阻尼效应。 3.根据权利要求1所述的一种应用于双 色币压印成形模拟中的基于改进的接触算法的 物质点法， 其特 征在于： 步骤2为压印成形 过程动力学 方程的物质点积分， 具体步骤如下： 物质点法中， 每一个质点占据一定的体积空间和携带一定质量以及其他相关物理量， 任意空间点x的材 料密度可以表示 为：权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114357717 A 2其中np为质点数， mp为质点质量， δ()为Dirac函数， xp为质点p的坐标， 背景网格中任意 质点p的位移uip可通过背景网格结点形函数插值获取： 其中， NIp为质点p相关的结点I的形函数， uiI为背景网格 结点I的第i方向的速度， 将上述 密度和位移公式带入步骤1中的系统虚功率方程， 同时考虑压印成形过程中无体积力bi和 外力pi， 可得： 其中， 为结点I质量， 和 分别为结点I第i个方向的速度和加 速度， 为结点I第i个方向的外力， 为结点I第i个方向的内力。 4.根据权利要求1所述的一种应用于双 色币压印成形模拟中的基于改进的接触算法的 物质点法， 其特征在于： 步骤4的主要内容为提取铜、 铝两种不同材料区域(铜为内芯， 铝为 外环)的物质点 集， 具体内容如下： 首先， 对坯饼所占区域划分规则六面体背景网格， 沿x， y， z方向的网格数分别为Gx， Gy， Gz， 并求出每个背景网格的积分点， 然后， 对铜、 铝两种不同材料区域分别进行四面体网格 划分， 每一个小矩形表示背景网格单元， 实心圆代表网格节点， 小实心三角形代表铜物质 点， 小实心 正方形代表铝物质点； 接着， 在铜材料区域找出每一个四面体单元的背 景网格单 元集合ICu， 求该集合的具体方法如下： 将背景网格单元沿x， y， z方向从1开始编号至G＝Gx* Gy*Gz， 根据四面体单元的四个节点坐标， 可以找出一个空间长方体来刚好包围该四面体， 假设背景网格最左前点坐标(xmin， ymin， zmin)和最右后点坐标(xmax， ymax， zmax)， 依据空间任 意 一点xp＝(x， y， z)的背景网格编号 找到该长方体所包含 的所有背景网格集合ICu， 将该集合中所有单元的高斯点组成的集合定义为点集IICu， 根据 铜材料的表面边界单元， 由网格剖分系统自动生成并编写程序读取该表面 单元， 将点集IICu 中铜材料外的高斯点剔除， 剩下的点形成的集合则为铜材料域的质点集合IIIcu， 同理， 对铝 材料区域进行类似的步骤， 获得铝材料的质点集合IIIAl， 最终， 将两集合IIICu和IIIAl合并 为坯饼的物质点集III， 并为每个物质点赋予相 对应的材料属性， 如密度， 体积， 泊松比， 屈 服应力、 硬化指数、 强化系数等参数， 为了准确描述硬币初始轮廓， 将坯饼表面各三角形单 元的高斯点集添加到坯饼质点集合中， 组成新的坯饼质点集， 将坯饼表面质点集分为三部 分： 上表面、 侧面和下表面质点集， 它们分别与上模， 中圈和下模构成接触对； 在仿真过程 中， 此三对接触对分别进行接触判断处 理。 5.根据权利要求1所述的一种应用于双 色币压印成形仿真中的基于改进的接触算法的 物质点法， 其特征在于： 步骤7为动力显式中心差分算法的时间积分步长确定， 具体包含以权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114357717 A 3