X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Развитие электронно-вычислительных машин (ЭВМ), а именно повышение интеграции логических элементов в центральных процессорах, повлекло за собой увеличение производительности выполняемых операций за единицу времени и возможность оперативной обработки сложных расчетов в короткие сроки. Одновременно разрабатывалось и отлаживалось специализированное программное обеспечение с поддержкой многопоточности вычислений, интерпретации полученных результатов в виде графиков, диаграмм, 3D-построений, а также создания видеоряда с возможностью отображения изменений как геометрических, так температурных, деформационных, кинематических параметров течения металла и др.

Наряду с достоинствами компьютерному моделированию процессов обработки металлов давлением присущи недостатки:

- достоверность полученных результатов, обусловленная, в первую очередь, недостаточностью опытно-экспериментальных данных об особенностях пластического течения металла, особенно в условиях неравномерного распределения его свойств в объеме деформируемой заготовки, температурного градиента и пр.;

- потребность в квалифицированных специалистах высокого профессионального уровня как в области компьютерного программирования, так и моделирования исследуемого (проектируемого, конструируемого) технологического процесса обработки металлов давлением (ОМД);

- относительно высокая стоимость специализированного программного обеспечения, непосредственно связанная с необходимостью привлечения к его разработке квалифицированных специалистов высокого профессионального уровня.

Научная постановка и практическое совершенствования технологических процессов позволяют разрабатывать эффективные, быстроокупающиеся технологические мероприятия, которые можно проводить без длительных остановов металлургических агрегатов. Современная методология конструирования и совершенствования технологических процессов ОМД в удовлетворение постоянно возрастающих потребностей машиностроения по гарантированному обеспечению высокого качества деформируемого металла базируется в конечном итоге на математических моделях, позволяющих быстро и безошибочно решать задачи с определением напряжённо-деформированного состояния заготовки, определять характер и картину течения материала в каждой её точке, определить требуемые усилия инструмента для получения детали с заданными допусками и припусками и др.

Комплекс средств компьютерного моделирования процессов ОМД, таких как QForm 2D/3D, ANSYS, DEFORM-3D, базируется на использовании метода конечных элементов [1-3].

Для моделирования процесса горячей штамповки была выбран программный комплекс Deform 3D V10.2, который позволяет строить 3D модель процесса штамповки, задавать значения материалов заготовки и рабочего инструмента, а так же временные параметры процесса формирования детали.

Рисунок 1 – Внешний вид препроцессора Deform 3D.

Моделирование в Deform 3D подразделяется на 3 основные этапа:

Создание 3D модели;

Расчет 3D модели;

Анализ результатов расчета.

Для первого этапа можно использовать среду моделирования интегрированную в Deform 3D, но как основной недостаток этой среды можно выделить не дружелюбность пользовательского интерфейса и ограниченность операторов и функций для создания геометрии заготовки и рабочего инструмента, но также есть возможность загрузки уже созданной геометрии в форматах представленных на рисунке 2, созданных в другой среде моделирования. В связи с этим было принято решение геометрию заготовки и инструмента создать в система автоматизированного проектирования AUTO CAD.

Рисунок 2 – Список форматов для импорта геометрии.

После создания 3D моде необходимо импортировать её в среду Deform 3D, и задать основные параметры такие, как материал из которого сделана заготовка или рабочий инструмент, её температуру, трение, а так же связать объекты, а именно назначить главный и подчинённый объекты. Весь этот процесс происходит в препроцессоре среды моделирования. Процесс задания силы нажатия рабочего инструмента или других действий происходит поэтапно вручную для каждого шага. Саму заготовку необходимо разбить на сегменты, которые в совокупности образуют сетку, причем, чем больше сегментов, тем точнее в результате получатся вычисления, но с другой стороны увеличивать сегментацию до бесконечности не предоставляется возможным в связи с увеличением времени для просчетов взаимодействия сегментов между собой, а так же заготовки с рабочим инструментом, по этому необходимо принимать оптимальное количество сегментов на которые разбивается заготовка в зависимости от её геометрической сложности, размеров и методов обработки. Разбиение заготовки на сегменты происходит с помощью встроенного в среду моделирования алгоритма, в котором основным параметром является количество сегментов. Действия рабочего инструмента сохраняются в базу данных и интерпретируются в числовом и графическом виде. Еще одной особенностью задания передвижения заготовки в процессе обработки является то, что для координации пространственного положения пластичного объекта (обрабатываемой заготовки) необходимо регулировать с помощью вспомогательных объектов, таких как рычагов, зажимов и направляющих. Последним действием на первом этапе является создание базы данных. База данных создается благодаря генератору базы данных, в который встроен Debugger, который проверяет целостность и полноту внесенных данных, чтобы в процессе расчетов не возникало исключительных ситуаций связанных с недостатком переменных или свойств объектов.

За второй этап моделирования отвечает сам процессор Deform 3D, который по значениям, хранящимся в созданной базе данных, производит вычисления согласно встроенным алгоритмом. За процесс вычислений отвечает центральный процессор используемой ЭВМ, хотя так же на время затраченное для просчетов может повлиять скорость оперативной памяти, центральной шины и производительность жесткого диска. В процессе расчетов среда моделирования предоставляет пользователю в текстовом варианте текущий шаг расчетов. По окончании расчетов можно перейти к анализу полученных результатов.

Третий этап выполняется в пост процессоре среды моделирования, который позволяет строить графики, тепловые карты, карты нагрузки, деформации, текучести материала заготовки и рабочего инструмента. Пользователь может назначить контрольные точки на заготовке и отследить передвижение или смещение этих точек в процессе обработке, а так же их температуру.

Так как среда моделирования Deform 3D идеализирует условия операции, а так же материалы из которых сделана заготовка и рабочий инструмент, в связи с этим необходимо вносить дополнительные изменения в проектируемый эксперимент.

Неравномерность заготовки в процессе отливки, особенно это касается заготовок свыше 1,5 тонн, могут существенно повлиять как на процесс обработки, так и на эксплуатационные характеристики. В последнее время эти проблемы решаются с помощью геометрической формы заготовки, а так же химических и механических методов в процессе отливки. В реальных условиях, обрабатываемая заготовка имеет ряд неравномерностей по химическому составу, этот факт нужно учитывать и при компьютерном моделировании. В связи с этим было принято решение геометрически внести изменение в заготовку в виде цилиндрических вырезов, что в реальных условиях соответствует порам в заготовке, а так же организовать слоистую структуру заготовки, каждый слой которой обладает определенными химическими свойствами. Дальнейшее моделирование ничем не отличается от ранее описанного.

Рисунок 3 – Пример создания неравномерности материала.

Innovative software technology in computer simulations of metal forming processes

The article deals with the application of innovative software technologies in computer simulations of metal forming processes on the example of the expansion of existing computer simulation methods in CAM systems.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

http://www.deform.com

http://www.cae-expert.ru

http://www.qform3d.ru

Код для цитирования: Скопировать