Библиографическое описание:

Шемякин Ю. В. Подход к численному моделированию процесса прессования цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава в программном комплексе Ansys/ls-dyna // Молодой ученый. — 2013. — №10. — С. 228-232.

Разработан подход к математическому моделированию процесса прессования предварительно нагретых алюминиевых цилиндрических заготовок. Рассмотрены основные этапы создания модели: построение геометрии, генерация сетки, задание электромагнитных, теплофизических свойств материалов. Представлены результаты моделирования процесса прямого прессования цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов.

Ключевые слова: численное моделирование, прессование алюминиевых заготовок, ANSYS/LS-DYNA, системный подход, обработка металлов давлением.

Введение. Прессование является одним из наиболее распространенных методов обработки металлов давлением и часто единственным возможным способом получения продукции требуемой геометрической формы. Системный подход к оптимизации взаимосвязанных технологических операций, основанный на современной теории оптимального управления системами с распределенными параметрами, позволяет формулировать и решать задачи достижения предельных качественных показателей функционирования, как отдельных технологических стадий, так и производственного комплекса в целом. В данной статье рассматривается проблема создания математической модели процесса прессования цилиндрических заготовок из алюминиевых сплавов, ориентированной на дальнейшее использование в оптимизационных процедурах. Процесс прессования рассматривается как объект с распределенными параметрами, состояние которого характеризуется пространственно-временным распределением температурных и деформационных полей [1]. Предлагается новый подход к численному моделированию в наукоёмком пакете Ansys с использованием многоцелевой программы конечноэлементного анализа Ls-Dyna, предназначенной для моделирования процессов различной физической природы, связанных с механикой деформируемого твердого тела, теплопереносом, гидрогазодинамикой и др., позволяющей рассматривать их как отдельные, так и как взаимосвязанные явления [2].

Основные этапы численного моделирования стадии прессования технологического комплекса «ИНУ — Пресс».

Реализация численной модели процесса прессования на базе программного пакета Ansys/Ls-dyna может быть разделена на следующие основные этапы: задание исходных данных в предпроцессор, численное решение в процессоре LS-Dyna, обработка результатов в постпроцессоре (постпроцессор ANSYS или постпроцессор LS-PrePost). В ANSYS устанавливаются, граничные, начальные условия и другие необходимые параметры расчета. Для завершения моделирования этого недостаточно, поэтому окончательная настройка происходит в предпроцессоре LS-Dyna — Ls-PrePost. Важной корректировкой в среде предроцессора LSPrePost является изменение типа расчета: Stress (механическая) на «CoupledStress-THERMAL» — Совместное решение механической и тепловой задачи). Также на данном этапе указываются, температурно-зависимые физические свойства материала, шаг теплового расчета, настраивается адаптивная сетка и генерируется доработанный «k»-файл, который запускается на расчет в Ls-Dyna. Преимуществом данного подхода (Рис. 1) является возможность использования решений задачи нагрева в качестве начальных условий для задачи прессования.

Рис. 1. Основные этапы моделирования процесса прессования предварительно нагретых алюминиевых заготовок в среде ANSYS/ LS-Dyna

Реализация численной модели процесса прессования на базе программного пакета Ansys/Ls-dyna может быть разделена на следующие основные этапы: задание исходных данных в предпроцессор (предпроцессор ANSYS и/или предпроцессор LS-PrePost), численное решение в процессоре LS-Dyna, обработка результатов в постпроцессоре (постпроцессор ANSYS или постпроцессор LS-PrePost). На первом этапе в предпроцессоре задаются основные настройки, такие как: геометрия и сетка, физические свойства материалов, после чего узлы сетки конечных элементов объединяются в наборы, из которых генерируются специальные идентификаторы «PARTs (ЧАСТИ)». В ANSYS устанавливаются, граничные, начальные условия и другие необходимые параметры расчета. Для завершения моделирования этого недостаточно, поэтому окончательная настройка происходит в мануальном режиме или в предпроцессоре LS-Dyna — Ls-PrePost. Промежуточный выходной файл ANSYS для LS-Dyna генерируется командой «Writejobname.k. Важной корректировкой в среде предроцессора LSPrePost является изменение типа расчета: Stress (механическая) на «CoupledStress-THERMAL» — Совместное решение механической и тепловой задачи). Также на данном этапе указываются, температурно-зависимые физические свойства материала, шаг теплового расчета, настраивается адаптивная сетка и генерируется доработанный «k»-файл, который запускается на расчет в Ls-Dyna.

Работа в предпроцессоре программного пакета LS-Dyna.

Рассмотрим задачу моделирования процесса прямого прессования предварительно нагретых заготовок из алюминиевого сплава Д16 (АА2024) в двумерной осесимметричной постановке (Таблица 1).

Таблица 1

Основные параметры системы

Теплофизические параметры заготовки,

алюминиевый сплав Д16 (АА2024)

D, диаметр заготовки, мм

150

Y, длина заготовки, мм

130

VП, скорость прессования, мм/сек

8

Коэффициент вытяжки μ

11

λ, теплопроводность, Вт/м·0С

130

ρ, плотность, кг/м3

2800

с, теплоемкость, Дж/кг·0С

922

Теплофизические параметры инструмента,

стальной сплав H11

λ, теплопроводность, Вт/м·0С

15

ρ, плотность, кг/м3

7880

с, теплоемкость, Дж/кг·0С

460

а, температуропроводность, м2

49x10 –6

Зависимость сопротивления деформации в фильере матрицы прессования от температуры заготовки

Температура, °C

300

350

400

450

500

Сопротивление деформации, МПа.

70

50

40

35

28

             

Рис. 2 – Геометрия и сетка системы: а – геометрия заготовки; б – адаптивная сетка КЭ

Поскольку система симметрична относительно вертикальной оси в двухмерной постановке целесообразно построить ½ часть от всей модели. Геометрия и сетка системы представлены на рисунке 2. В случае прессования (рассматривается сжатие материала, без обратного растяжения) в качестве типа упрочнения для нелинейной модели материала можно использовать как кинематическое, так и изотропное описание.

Выбранная модель материала в области пластических деформаций описывается следующим образом:

(1)

где эквивалентное напряжение, предел текучести,  — модуль Юнга, – тангенциальный модуль, – эквивалентная пластическая деформация.

В рассматриваемой модели пластической деформации используется тип материала «004_MAT_PLASTIC_ELASTIC_THERMAL», позволяющий задавать температурно-зависимые механические свойства материалов таблично или функцией.

Численное решение поставленной задачи в процессоре LS-Dyna и обработка результатов в постпроцессоре. Ключевым фактором, влияющим на сходимость задачи и качество моделирования, является выбор настроек шага расчета (TimeStep) и адаптивной сетки. В модели применена адаптивная сетка конечных элементов (CONTROL_ADAPTIVE), которая перестраивается в процессе расчета. Модель позволяет регистрировать температурные поля по профилю заготовки в любой момент времени. Анализ показывает, что данный подход к моделированию показывает точность 5–12 % при сравнении поведения характера температурного поля в заготовке в процессе прессования с экспериментальными данными. На рисунке 3 показан характер температурного распределения в фильере матрицы во время прессования цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава Д16.

Рис. 3 (слева) Изотермы температурного поля при прессовании прутка из сплава Д16 на квазианалаговом электроинтеграторе [3]: I — заготовка; II — контейнер; III — пресс-изделие, (cправа) модель в LS-Dyna: распределение температуры при прессовании в заготовке из сплава Д16.

Выводы. На основе анализа современных методов и средств математического моделирования разработан подход к моделированию и произведен выбор среды моделирования процесса прессования. В среде наукоемкого программного комплекса Ansys/Ls-Dyna была разработана численная двумерная модель технологической стадии прямого прессования предварительно нагретых цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава. Разработанная двумерная модель позволяет выявлять основные физические закономерности поведения температурных полей и анализировать распределение температуры в фильере матрицы. Данная модель может быть использована в оптимизационных процедурах и для оптимального проектирования.

Литература:

1.      Ю. Плешивцева, А. Афиногентов, Ю. Шемякин, Б. Наке, А. Никаноров. Применение методов оптимального управления для оптимизации производственных комплексов пластической деформации металлов // Информационный научно-технический журнал «Индукционный нагрев», 2010, № 3 (13), с. 43–48

2.      Y. Shemyakin. Mathematical simulation for optimization of pressing stage in the “heating — hot forming” manufacturing line // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XII международной конференции (21–23 июня 2010 г., Самара, Россия). — Самара: Самарский НЦ РАН, 2010. — С. 99–99.

3.      Беляев С. В., Довженко И.Н, Соколов Р. Е. Конспект лекций «Технология прессования», Красноярск: ИПК СФУ, 2007. — 310 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle