Разработка численной модели процесса прессования цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава с целью использовании в оптимизационных процедурах Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Шемякин Ю.В. ©

Аспирант, Самарский государственный технический университет

Научный руководитель: д.т.н., доцент Ю.Э. Плешивцева

РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА С ЦЕЛЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ПРОЦЕДУРАХ

Аннотация

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, обработка металлов давлением.

Keywords: numerical simulation, pressing of aluminum billets, Ansys/Ls-Dyna, forming.

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

© Шемякин Ю.В., 2013 г.

на данном этапе указываются, температурно-зависимые физические свойства материала, шаг теплового расчета, настраивается адаптивная сетка и генерируется доработанный «к»-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 «к»-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 л 11

X, теплопроводность, Вт/м0С 130

р, плотность, кг/м3 2800

с, теплоемкость, Дж/кг0С 922

Теплофизические параметры инструмента, стальной сплав Н11

X, теплопроводность, Вт/м0С 15

р, плотность, кг/м3 7880

с, теплоемкость, Дж/кг 0С 460

а, температуропроводность, м2/с 49x10 -6

Зависимость сопротивления деформации в фильере матрицы прессования от температуры заготовки

Температура, °С 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0

Сопротивление деформации, МПа. 70 50 40 35 28

Поскольку система симметрична относительно вертикальной оси в двухмерной постановке целесообразно построить У 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.

0.075

■а&^Н

0,140

0 024

рок

0.025

Рис. 2. Геометрия и сетка системы

а - геометрия заготовки; б - адаптивная сетка КЭ.

Выбранная модель материала в области пластических деформаций описывается следующим образом:

s y + E eE

где

эквивалентное напряжение,

предел текучести,

E -

(1)

модуль Юнга, et -тангенциальный модуль, e л— 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. * ___% _

Temperature Fringe Levels

454°С (72? К)

471^С (744 К)

1L

Т.111е+02 fiiWnntd? 6.78S«>02 6И1е*0? 6J57e*0Z

бэтзс*пг

<>"' II'

-и.'

5яю>»вг

1

]

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

h

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.