CC BY
75
№ 1 (37) 2012
В. М. Клевлеев, докт. техн. наук, профессор Московского государственного университета инженерной экологии
И. А. Кузнецова, канд. техн. наук, доцент Московского государственного университета инженерной экологии
Моделирование процесса уплотнения материала в канале фильеры с помощью системы Ansys
Исключительно быстрое развитие компьютерной техники и распространение информационно-вычислительных технологий привело к широкому использованию прикладных программ в области фундаментальных научных исследований, научно-технических разработок и в многочисленных прикладных проектах.
Введение
Изучение поведения наноразмерных материалов под действием прилагаемых нагрузок является одним из актуальных направлений последних лет. В связи с возникающими трудностями в проведении ряда экспериментальных исследований моделирование процессов с помощью компьютерных программ помогает оценить и предсказать поведение новых и еще недостаточно изученных наноразмерных веществ и составов на их основе.
Наноразмерные (высокодисперсные)порошки являются одной из распространенных форм применения веществ в химико-технологических процессах переработки и получения различных материалов. Малый размер порошков способствует интенсификации процессов получения и переработки при одновременном улучшении качества продуктов. Криохимическая нанотехноло-гия позволяет получать высокодисперсные порошки с новыми улучшенными свойствами при строгом сохранении их химической природы, без вредного воздействия на окружающую среду.
Важной характеристикой наноструктур-ных материалов является отличие их механических свойств от свойств макропорош-
ков. Так, для наноразмерных порошков металлов характерны более высокие (в несколько раз) по сравнению с обычными материалами значения предела текучести, заметно менее выраженное деформационное упрочнение на стадии пластической деформации, меньший прирост предела прочности и т. д. Наноразмерные материалы, обладая комплексом новых свойств, имеют хорошие перспективы применения, при этом особый интерес представляет изучение их поведения в различных технологических процессах.
Обзор прикладных программ, используемых для моделирования
Высокая востребованность «готового» компьютерного инструментария вызвала быструю разработку и появление на рынке пакетов и комплексов прикладных компьютерных программ для решения задач в широком спектре научных знаний с предоставлением пользователю весьма значительных возможностей. В состав развитых систем автоматизированного проектирования машиностроительных изделий и конструкций входят в качестве подсистем СAD/CАM/САЕ-системы.
-N ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
№ 1 (37) 2012 ' -
Обзор интернет-ресурсов и многочисленных научных источников показал, что CAD-системы подразделяют, в основном, на системы нижнего, среднего и верхнего уровней. Первые из них (называемые «легкими» системами) ориентированы на 2D-графику, дешевы, основной аппаратной платформой для их использования являются персональные ЭВМ [1]. Системы верхнего уровня («тяжелые»), дороги, более универсальны, ориентированы на геометрическое твердотельное и поверхностное 3D-моделирование. Чертежная документация в них осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей. Системы среднего уровня по своим возможностям занимают промежуточное положение между «легкими» и «тяжелыми» системами.
Важными характеристиками CAD-систем ¡о являются параметризация (т. е. использова-<= ние геометрических моделей в параметриче-з ской форме) и ассоциативность. Они играют Й важную роль при проектировании конструк-§ ций узлов и блоков, состоящих из большого § числа деталей. Благодаря параметризации о и ассоциативности изменения, сделанные § конструктором в одной части сборки, авто-2 матически переносятся в другие части, вы-& зывая изменения соответствующих геомет-§ рических параметров в этих частях.
К основным функциям САМ-систем от-| носится разработка технологических про-8 цессов, синтез управляющих программ для <з технологического оборудования с числовым || программным управлением (ЧПУ), модели-Й рование процессов обработки, генерация ® постпроцессоров для конкретных типов обо-| рудования с ЧПУ, расчет норм времени об-| работки и т. д. [1].
Ц Функции САЕ-систем связаны с проект-13 ными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В со-^ став машиностроительных САЕ-систем, как | правило, включают программы для выполне-§ ния моделирования полей физических вели-^ чин, анализа прочности (чаще всего выполняемого с помощью метода конечных эле?! ментов) и т. д.
Аналитические методы оценки отклика конструкций на внешние воздействия различной физической природы без натурного моделирования возникли довольно давно. Появление и развитие вычислительной техники дало новый толчок совершенствованию численных методов анализа, которые являются сегодня основным инструментом проектировщика. Средства автоматизации инженерного анализа, основанные на численных методах, стали неотъемлемой частью процесса проектирования изделия. Среди прикладных компьютерных программ, поддерживающих различные численные методы, можно назвать Ansys, Comsol Multiphysics, Deform, QForm и некоторые другие [2, 3].
Ansys — лидирующий конечно-элементный расчетный комплекс на основании таких отличительных особенностей, как полный охват явлений различной физической природы (прочность, теплофизика, гидрогазодинамика и электромагнетизм с возможностью решения связанных задач, объединяющих все перечисленные виды). Среди множества конечно-элементных программных комплексов Ansys — первый и единственный разработанный и сертифицированный согласно международным стандартам ISO 9000 и ISO 9001. Пользователь программы может удалять несущественные мелкие подробности, достраивать определенные детали, проводить сгущение или разрежение сетки и другие важнейшие операции, без которых дальнейшее решение может быть совершенно некорректно или вообще окажется недостижимым [4, 5].
Для моделирования и расчетов задач, основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных применяют Comsol Multiphysics [6]. Взаимодействие с программой возможно через графический интерфейс пользователя, либо программированием с помощью скриптов на языке Comsol Script или языке Matlab. Для решения уравнений Comsol Multiphysics использует метод конечных элементов (FEM) с возможностью конечноэлементного ана-
86 у
№ 1 (37) 2012
лиза вместе с сеткой, которая учитывает геометрию тел, и контролем ошибок с использованием разнообразных численных решателей. Программа позволяет моделировать широкий спектр научных и инженерных явлений из многих областей физики, таких как акустика, химические реакции, диффузия, электромагнетизм, гидродинамика, фильтрование, тепломассоперенос, оптика, квантовая механика, полупроводниковые устройства, сопромат и многие другие [6].
Анализировать обработку металлов давлением, термическую и механическую обработку материалов, оптимизировать процессы с помощью компьютерных технологий позволяет программа Deform [7]. Программный комплекс позволяет смоделировать ковку, штамповку, прокатку, прессование, закалку, старение, отпуск, фрезерование, сверление и др. Он имеет гибкую модульную структуру, позволяющую пользователю выбрать оптимальный набор модулей под номенклатуру решаемых задач. Поставляемые дополнительные модули Deform позволяют смоделировать следующее:
— процессы раскатки колец (предоставляется полная информация о течении процесса раскатки с возможностью ее визуализации);
— процессы протяжки на молоте (модуль включает набор стандартных геометрий заготовок и манипулятор для протяжки);
— процессы прокатки для предотвращения образования складок в материале, растяжек изгибов и т. д. (простой, пошаговый интерфейс модуля, библиотека стандартных заготовок и валков позволяют легко вводить исходные данные для моделирования),
— определение коэффициента теплопередачи на границе заготовки;
— трехмерные процессы термической обработки (позволяют моделировать микроструктурные превращения в заготовке при ее деформировании) [7].
Процессы объемной штамповки моделируются с помощью программы Qform, которая предназначена в основном для техноло-
5
гов и конструкторов штампов, интегрируется § с любыми CAD-системами, имеет пользова- -ё тельский интерфейс и позволяет моделировать самые сложные процессы трехмерной ^ деформации металлов [8]. ^
Qform, также как и представленные ра- | нее программы, основана на применении | конечно-элементной сетки и перестраива- ^ ет ее в процессе решения по мере необхо- ^ димости, это позволяет применять наиболее сложные и эффективные полностью автоматические адаптивные алгоритмы построения сеток. Сетка сгущается в местах наибольшей кривизны поверхности и высоких градиентов решения и максимально разрежена в местах, где течение металла не интенсивно для экономии вычислительных ресурсов. В конечном итоге автоматически построенная сетка гарантирует высокое качество решения и его независимость от квалификации пользователя.
Структура программы позволяет создать для пользователя наиболее удобную рабочую среду с удобным отображением данных модели и сопровождается графическим выводом результатов. Таким образом, программа является эффективным инструментом для компьютерной оценки технологии, которая значительно дешевле и быстрее, чем доводка технологии методом «проб и ошибок».
Программа Qform позволяет моделировать уплотнение порошкообразных материалов (в состоянии свободной засыпки, в процессе штамповки, спеченных заготовок) [8]. Широкие возможности существуют для расчета предварительного уплотнения насыпного порошка в контейнерах, деформации предварительно уплотненных пористых заготовок в закрытых штампах сложной конфигурации. Программа позволяет анализировать распределение остаточной пористости в изделии, полей напряжений, деформации и температуры, а также оптимизировать технологические параметры.
Как показал обзор программного обеспечения систем автоматизированного проектирования, за последние годы активное развитие информационных технологий сде-
№ 1 (37) 2012
лало большой скачок в возможности применения математического моделирования при определении напряженно-деформированного состояния и механических свойств различных изделий и материалов, а также при оптимизации конструкции инструмента [9, 10, 11]. Применение современных пакетов программ для проектирования технологий различных видов производств в основном ориентировано на уменьшение сроков подготовки производства, безопасной отладки технологии и минимизацию финансовых затрат. Проектирование технологических процессов в современных СAD/CАM/САЕ-систе-мах позволяет сократить затраты, которые могут возникнуть в процессе производства, так как сейчас возможно более точно прогнозировать дефекты различного рода, связанные с недоработкой технологии, а также so моделировать процессы с новыми мало изу-<= ченными материалами. з Анализируя периодическую литературу, Й можно с уверенностью сказать, что возрос § интерес к CAE-системам в области обра-§ ботки материалов как надежному средству, о с помощью которого можно проектировать g технологические процессы любой сложно-
Ï сти. g
Одним из приоритетных направлений § компьютерного моделирования является моделирование поведения наноразмерных | составов под действием прилагаемых нагру-8 зок. Решение таких задач связано со зна-«s чительными трудностями, особенно в про-I! ведении экспериментальных исследований Й на натурном оборудовании, поскольку су® ществующая техника не всегда дает воз-| можность получить результаты, трактуемые | адекватно исследованиям. Определенную Ц сложность составляет математическое мо-2 делирование поведения этих составов с помощью компьютерных технологий, так как ^ существующие библиотеки данных не все! гда отвечают требованиям новых веществ. 2 Так, для моделирования процесса волоче-^ ния с точки зрения построения геометрии í| хорошо подходят CAD-системы, такие как Ü Autocad, Inventor, SolidWorks и др.
Моделирование в системе Ansys
Для оценки процесса волочения сыпучих составов через канал определенной формы (фильеры) с учетом динамки процесса и изменения коэффициента бокового давления наилучшим образом показала себя конечно-элементная расчетная система Ansys (версия 13.0), обеспечивающая решение широкого круга инженерных задач машиностроения.
Метод конечных элементов (МКЭ) — основной метод современной вычислительной механики, лежащий в основе подавляющего большинства современных программных комплексов, предназначенных для выполнения расчетов инженерных конструкций на ЭВМ. Метод конечных элементов позволяет практически полностью автоматизировать расчет механических систем, хотя, как правило, требует выполнения значительно большего числа вычислительных операций по сравнению с классическими методами механики деформируемого твердого тела.
Основные этапы решения задачи с применением метода конечных элементов представлены в виде схемы (рис. 1).
Первая стадия — геометрическое моделирование, проводилось в интегрирован-
Рис. 1. Основные этапы решения задачи с применением МКЭ
88 у
№ 1 (37) 2012
ном программном пакете SolidWorks 2007 и включало создание геометрии модели, пригодной для МКЭ, с учетом всех параметров, которые могут оказать существенное влияние на результаты расчетов. Далее сгенерированная модель импортировалась в Ansys 13.0. На этой стадии также задавались физические свойства материалов, участвующих в моделировании (насыпная плотность порошкообразного материала, коэффициент бокового давления, коэффициент внешнего трения скольжения, коэффициент аутогезии, коэффициент внутреннего трения). Проведенные ранее экспериментальные исследования уплотнения порошков различных неорганических соединений [12] позволяют достоверно использовать в качестве уравнения компактирования зависимость р = р0 + а -оьс, где р0 — насыпная плотность материала, стс — среднее нормальное напряжение, а, С — некоторые константы, определяемые из кривой прессования.
Уплотнение происходит за счет как перемещения частиц, так и их деформации, поэтому плотность при конкретной величине давления определяется сопротивляемостью вещества деформированию, пластичностью, трением между частицами. Результатами опытов [12] подтверждено также, что для описания поведения наноразмерных порошков может быть использована зависи-
s
мость lgk = lgk0 -ap, где k0 — коэффици- § ент предельного прессования; a — коэффи- -ё циент потери сжимаемости, характеризующий изменение коэффициента прессования ^ при изменении давления на единицу.
На этапе создания сетки конечных эле- |
ментов выполнялись работы по созданию |
максимально возможного количества облас- S
§
тей с регулярной сеткой конечных элемен- ^ тов. Для моделирования материала использовали 8-узловой квадратичный элемент PLANE183, для нитяной оболочки и фильеры — линейный 4-узловой PLANE182.
На стадии моделирования граничных условий принималось во внимание действие как активных сил (приложение нагрузки), так и наложенных на систему связей (граничные условия). Приложение силовых факторов учитывало особенности реальной работы конструкции при рассматриваемых режимах эксплуатации. Задача решалась в осесимметричной постановке; деформации и напряжения, возникающие за счет нагрева материала при волочении, не учитывались.
Расчетная модель (Extended Druker-Prag-er — EDP), учитывающая поведение сыпучих материалов, грунтов и др. под действием приложенных нагрузок) выполнена с учетом анализа на сходимость при изменении количества элементов (рис. 2). Чис-
« 7 s
X
(U к * 6
к
Q.
i 5 X
SI 4
X
V
гс 3
X
со
2 1 0
гч
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
Длина фильеры, мм
® 2,5 5
2
X
Щ
g 1.5
Q. С
£ 1
-0,5 -1
г' 1
/ S
г f S
/ Длин а фил ьеры,
1012 14 13 13 20 22 24 35 3
а) б)
Рис. 2. Графики распределения: а — средних нормальных напряжений и б — касательных
напряжений по длине фильеры
89
№ 1 (37) 2012
ленное решение системы уравнений выполнялось автоматически с использованием ЭВМ.
На последнем этапе проводился анализ полученных результатов путем получения полей распределения напряжений и деформаций, а также построения необходимых графических зависимостей и табличных форм результатов. В результате решения задачи в пакете Ansys 13.0 определены нормальные и касательные напряжения в материале, возникающие в процессе его волочения через сложный канал фильеры с учетом динамического фактора и изменения коэффициента бокового давления материала.
Заключение
Большой объем данных, получаемых при ¡о компьютерном моделировании даже на од-<= нопроцессорных ЭВМ, приводит к затруд-з нениям при анализе результатов. В связи Й с этим применение графических систем, § обеспечивающих визуализацию полученной § цифровой информации, упрощает анализ о получаемых результатов и позволяет более § наглядно представить исследуемые слож-2 ные технологические процессы. На основа-& нии такого анализа можно принять решение § о завершении или продолжении исследуемого этапа работы. | С помощью программного комплекса An-8 sys 13.0 на основе математической моде-<з ли было проведено исследование процессе са уплотнения материала в канале фильеры Й и получены численные значения нормаль® ных и касательных напряжений в зависимо-| сти от физических параметров, геометри-| ческих размеров фильеры и скорости дви-Ц жения оболочки. Полученные результаты 13 позволяют наглядно продемонстрировать процесс уплотнения наноразмерных мате-^ риалов при уплотнении, а также оценить | параметры процесса и проконтролировать £3 безопасность проведения работ.
О
^ Таким образом, современные программные комплексы, используемые в различных ?! видах проектирования, значительно помо-
гают при анализе новых видов материалов, а также при разработке, усовершенствовании многих технологических процессов, ускоряют работу инженера в плане получения и представления результатов. Применение современных компьютерных технологий дает исследователю шанс проанализировать любой процесс без дорогостоящих натурных исследований и технологического оборудования.
Список литературы
1. URL: http://mehatron.ru.
2. Грахов Ю. В. Практика использования пакета ANSYS CFX для численных исследований на кластерных системах аэрогазодинамических характеристик многокомпонентных ракет // Параллельные вычислительные технологии. В кн.: Труды международной конференции ПАВТ-2007. ЮУрГУ, 2007.
3. Волков К. Н. Разработка и реализация алгоритмов численного решения задач механики жидкости и газа // Вычислительные методы и программирование. 2007. № 1.
4. URL: http://refstore.ru.
5. URL: http://www.erudition.ru.
6. Егоров В. И. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности: учеб. пособие. СПб.: ИТМО, 2006.
7. URL: http://www.tesis.com.ru.
8. URL: http://cae.ustu.ru.
9. Гунн Г. Я., Биба Н. В., Садыхов О. Б., Стебу-нов С. А., Лишний А. И. Автоматизированная система ФОРМ-2Д для расчета формоизменения в процессе штамповки на основе метода конечных элементов // Кузнечно-штамповочное производство. 1992. № 9 - 10.
10. Benchmarks. In Metal Forming Process Simulation in Industry. International Conference and Workshop. Baden-Baden, Germany. Vol. 1 - 2. 1994.
11. Басов К. А. ANSYS в примерах и задачах / под общ. ред. Д. Г. Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002.
12. Клевлеев В. М, Кузнецова И. А, Колтунов В. В., Трутнев Н. С. Исследование структурно-механических свойств нанопорошков после интенсивных нагрузок // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. № 8.
