CC BY
0
Научный руководитель: Платонов Валерий Иванович, канд. техн. наун., доцент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF TEMPERATURES DURING PLASTIC CHANGE OF SHEET METAL
G.A. Voblikov
This article is devoted to computer modeling of sheet stamping and the effect of plastic forming processes on temperature. It discusses the process of creating virtual models of sheet metal parts for the purpose of subsequent production of stamped products. Particular attention is paid to the capabilities of this method in design, analysis of the shape and size of parts, optimization of the stamping process and improvement of the quality of finished products. One of the advantages of computer modeling is the rapid ability to create and adjust technology for manufacturing parts, which significantly reduces the time and resources spent on design. The article analyzes the temperature distribution under various molding conditions using computer simulation in a program such as QForm. The study shows that temperature changes in the tool can significantly affect the mechanical characteristics of the semi-finished material and the durability of the tool. The article presents important research results in the field of temperature control during molding, which is an important factor for ensuring high-quality production ofproducts using plastic forming methods.
Key words: sheet stamping, computer modeling, technological strength, temperature distribution, flanging with thinning, stamping equipment.
Voblikov Grigorii Alekseevich, student, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
Scientific advisor: Platonov Valery Ivanovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 621.73.01
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-314-315
АНАЛИЗ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
С.С. Яковлев, Ю.С. Галкин, Я.В. Грибачев
Статья рассматривает метод конечных элементов как способ решения проблем и задач пластического формоизменения металлических заготовок. Этот метод позволяет моделировать и анализировать поведение сложных систем в различных областях науки и техники. Описываются основные преимущества и недостатки данного метода, а также программные продукты, базирующиеся на данном способе для компьютерного моделирования процессов формоизменения металла. Программы, такие как Ansys, QFORM, БеЕогт, ABAQUS, и другие, обсуждаются с точки зрения их функциональности и области применения. Проанализированы различные программные продукты для компьютерного моделирования обработки металлов давлением, приводятся их преимущества и недостатки, подчеркивая области применения и функциональные возможности.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, метод конечных элементов, обработка металлов давлением, программное обеспечение.
В настоящее время проблемы и задачи пластического формоизменения металлических заготовок часто решают с помощью метода конечных элементов (МКЭ) [1]. Этот метод позволяет моделировать и анализировать поведение сложных систем и объектов в разных областях науки и техники, включая механику конструкций, аэрокосмическую отрасль, автомобилестроение, гидродинамику, биомедицинскую инженерию, механику деформирования твердого тела и многие другие. Так МКЭ представляет собой численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики [2]. Метод основан на разбиении объекта исследования на более мелкие, конечные элементы, в результате чего сложная задача упрощается до системы, которую можно эффективно разрешить с помощью стандартных вычислительных алгоритмов [3].
Метод конечных элементов был разработан в 1930-40-х годах в рамках исследований по теории упругости и строительной механики, одними из создателей данного метода являются Александр Павлович Хренников, Рихард Курант, Иоаннис Аргирис, Фен Кан. Развитие вычислительной техники и дальнейшее совершенствование МКЭ способствовало более широкому распространению и применению метода в различных областях.
Данный метод стал популярным в современной науке благодаря ряду преимуществ [5]:
- высокая гибкость и способности адаптироваться к задачам любой сложности и геометрии;
- возможность решения задач, которые невозможно или трудно решить другими численными методами;
- возможность компьютеризации и автоматизации расчетов,
Технологии и машины обработки давлением
- возможность настройки точности расчета за счет уменьшения или увеличения количества элементов (укрупнения или уменьшения их размеров);
- возможность применения метода для решения мультифизических задач [6].
Однако, у метода есть и недостатки. В частности, требуется значительный объем вычислительных ресурсов, особенно для больших и сложных задач. Сложность настройки модели и интерпретации результатов, требует высокая квалификация и глубокие знания как в области предметной дисциплины, так и в численных методах. Также необходимы дорогостоящие программные продукты.
Наибольшее распространение МКЭ получил благодаря возможности его реализации в компьютерном программном обеспечении, что значительно облегчает процесс расчета и анализа полученных данных.
Существует множество программных продуктов, основанных на МКЭ, которые применяются при исследовании процессов пластического формоизменения и моделирования операций. Достоинством применения программ является быстрота компьютерных моделирований, возможность предварительного анализа технологических процессов до их реализации, экономия временных и материальных ресурсов, возможность оптимизации процессов формоизменения.
Наиболее распространенными программными обеспечениями для компьютерного моделирования обработки металлов давлением являются: Ansys, QFORM, Comsol, DeForm, LS-DYNA, ABAQUS, PAM-STAMP, AutoForm. Далее проводится анализ перечисленных программных продуктов.
AutoForm - программа для проведения расчетов листовой штамповки родом из Швейцарии и выпускаемая компанией «AutoForm Engineering GmbH» [7]. Из минусов программы можно назвать относительно невысокие возможности, так как позволяет провести анализ только процессов листовой штамповки.
PAM-STAMP - французская программа, разработанная компанией ESI-Group [8]. Программа позволяет провести анализ процессов листовой штамповки, гидроформовки, штамповки эластичной средой и пр. Главным недостатком является отсутствие возможности моделировать ковку, объемную штамповку и многие другие процессы.
ABAQUS - многофункциональная программа, используемая для численного моделирования большого числа задач из области машиностроения, авиа- и автомобилестроения, энергетики [9]. Тем не менее, основываясь на данных, полученных по результатам литературного обзора, можно отметить, что непосредственно для моделирования процессов пластического формоизменения в России данную программу не так часто используют. Так как ABAQUS имеет не самый простой интерфейс и является ресурсоемким, что влечет дополнительные трудности, при этом программа ориентирована преимущественно на рынки других стран, нежели РФ, так как отсутствует русскоязычная поддержка, и почти не имеются справочники и руководства.
Ansys - одна из самых известных программ, основанных на методе конечных элементов и позволяет рассчитать рекордное количество различных процессов и физик [10]. Возможен расчет аэродинамики, акустики, механики деформирования твердого тела, гидравлики, трехмерной печати, механики конструкции, теплопередачи и теплообмена и пр. Представляет собой сложноструктурированный программный продукт, имеющий большое количество модулей. Однако высокая сложность организации моделирования, отсутствие русификации, трудный для восприятия и анализа данных интерфейс, высокая стоимость и необходимость в покупке большого числа модулей, по мнению авторов, делает данный программный продукт менее популярным для анализа процессов обработки металлов давлением нежели программы DeForm и QForm.
В России в настоящее время для решения задач пластического изменения формы наиболее распространенными программами конечно-элементного моделирования являются QForm и DeForm, также они ориентированы преимущественно на обработку металлов давлением. Поэтому далее будет проведено более детальное их сравнение.
QForm - российский программный продукт, разработанный компанией «Кванторформ», и имеет большое количество преимуществ [11]:
- возможность моделирования большого разнообразия процессов (прокатка, раскатка, листовая и объемная штамповка, ковка, прессование, электровысадка и пр.);
- встроенные обширные библиотеки материалов с механическими характеристиками, смазок, оборудования;
- возможность оценки влияния температуры на процессы формоизменения при подогреве заготовки и инструмента, внешнем нагреве/охлаждении, деформационном нагреве и пр.;
- возможность глубокой настройки сетки конечных элементов, их размеров и распределения, при этом не только заготовки, но и инструмента;
- простой и понятный интерфейс;
- возможность учета как пластических, так и упругих деформаций;
- тонкая настройка условий формоизменения (скорости движения инструментов, критериев остановки расчета и пр.);
- возможность анализа размера зерен материала и фазовых превращений;
- возможность расчета износа и напряженно-деформированного состояния инструмента;
- наличие встроенные подпрограмм и пользовательских подпрограмм, которые позволяют провести дополнительные расчеты и анализ по желанию оператора;
- большое количество встроенных методов оценки повреждаемости, вероятности образования дефектов и
пр.;
- возможность пакетного запуска расчетов, что значительно сокращает время моделирования;
- возможность точного анализа характеристик в точке с помощью ее трассировки;
- большие возможности для построения графиков, диаграмм распределения, анализа статистики и составления отчетов;
- большое количество руководств и справочников на русском языке и русскоговорящая круглосуточная поддержка.
DEFORM - программный комплекс для анализа процессов обработки металлов, разработанный в США компанией "SFTC". Имеет большие возможности для анализа широкого набора процессов, однако, по мнению автора, имеет ряд недостатков: отсутствие русификации и русскоязычной поддержки; сложный интерфейс и методика построения компьютерное модели, так как используется система pre- и post- процессоров; относительно небольшая база данных материалов и смазок.
Рассматривая более подробно эти комплексы можно сделать вывод о том, что они оба являются достойными для решения задач в обработки металла давлением. Однако у QForm имеется рад преимуществ перед DEFORM.
Работа выполнена в рамках гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники
№ ДС/132.
Список литературы
1. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении / Тихонов А.Н. и др. М.: Машиностроение, 1990. 264 с.
2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. М.: Машиностроение, 1975. 658 c.
3. Даутов Р.З., Карчевский М.М. Введение в теорию метода конечных элементов. Учебное пособие. Казань: Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2004. 239 с.
4. Каменев С. В. Основы метода конечных элементов в инженерных приложениях: учебное пособие / С. В. Каменев; Оренбургский гос. ун-т. Оренбург: ОГУ, 2019. 110 с.
5. Будилов И. Н. Решение мультифизических задач на основе цифровых прототипов / И. Н. Будилов, В. С. Жернаков // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2020. Т. 24, № 3(89). С. 10-19.
6. AutoForm // AutoForm Engineering GmbH URL: https://www.autoform.com/en/ (дата обращения: 15.08.2023).
7. ESI Group // PAM-STAMP Stamping Simulation Software URL: https://www.esi-group.com/products/pam-stamp (дата обращения: 15.08.2023).
8. ABAQUS Применение комплекса в инженерных задачах // Инжиниринговая компания ТЕСИС URL: https://tesis.com.ru/infocenter/downloads/abaqus/abaqus_metodic_2010.pdf (дата обращения: 15.08.2023).
9. Морозов Е. М. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения / Е.М. Морозов, А.Ю. Муйземнек, А.С. Шадский. М.: Ленанд, 2010. 456 с.
10. QForm 2D/3D Программа для моделирования процессов обработки металлов давлением Версия VX. Часть 2. Руководство пользователя. «КванторФорм», 2018. 431 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, ассистент, yakovlev-ss-science@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Галкин Юрий Сергеевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Грибачев Ярослав Васильевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет.
ANALYSIS OF SOFTWARE FOR COMPUTER SIMULATION OF PRESSURE TREATMENT PROCESSES OF METALS
S.S. Yakovlev, Y.S. Galkin, Y.V. Gribachev
The article discusses the completion method as a way to solve the problems and problems of plastic elements and the shaping of metal blanks. This method allows you to simulate and analyze the behavior of complex systems in various fields of science and technology. The main advantages and disadvantages of this method, as well as software products, are the consequences for this method of computer modeling of metal forming processes. Programs such as Ansys, QFORM, DeForm, ABAQUS and others are discussed in terms of their functionality and scope. Various software products for computer modeling of metal forming are analyzed, taking into account their advantages and disadvantages, taking into account the areas of application and capabilities of working bodies.
Key words: computer modeling, finite element method, metal forming, software.
Yakovlev Sergey Sergeevich, assistant, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Galkin Yuri Sergeevich, graduate student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Gribachev Yaroslav Vasilevich, graduate student, yarosl71@bk. ru, Russia, Tula, Tula State University.
