октябрь 2011 г.

На 9-й международной конференции пользователей ANSYS представлен доклад "Моделирование в программе Ansys/LS-Dyna процессов обработки давлением и формообразования металлических профилей различного поперечного сечения"

 

Моделирование в программе ANSYS процессов формообразования металлических профилей различного поперечного сечения

При разработке технологии изготовления металлических профилей часто возникают вопросы по внедрению оптимальных или рациональных технологических схем, позволяющих улучшить качество профилей, сократить число используемых переходов и, таким образом, снизить экономические затраты на их производство.

Добиться такого результата позволяет моделирование процессов формообразования в программе ANSYS. Поскольку данный процесс можно отнести к процессам динамики, то для выполнения данных исследований мы использовали программу ANSYS/LS-Dyna.

В работе рассматривались несколько типов профилей: корыто, швеллер, уголок с перфорацией, труба и несимметричный профиль, каждый их которых имеет свои особенности при формообразовании.

Процесс моделирования наиболее адекватно отображает реальный процесс только при правильно введенных параметрах материала. Для этого материал испытывали на растяжение с целью получения диаграммы истинных напряжений. Данные параметры использовали для ввода значений в программу. В качестве модели материала заготовки приняли модель Powerlaw Plasticity.

Среди остальных параметров вводимых в программу ANSYS/LS-Dyna можно отметить следующие: тип анализа – Лагранжевый, типы элемента для заготовки это shell с формулировкой Belytschko-Tsay или solid с одноточечной редуцированной схемой интегрирования по объему с контролем Hourglass 4. Тип контакта – Forming surface-to-surface.

При анализе профиля швеллерного типа исследовались две технологические схемы с различными углами подгибки с целью определения схемы, обеспечивающей минимальные продольные деформации по краям полок профиля и равномерные усилия подгибки. Как показали исследования, продольные деформации по схеме №2 не превышают значения (0,4-0,5)% по сравнению с первой схемой, где эта величина составляет (0,8-1)%. Поэтому вероятность появления кромковой волнистости, которая проявляется при величинах деформации более (0,2-0,6)%, при схеме №2 сведена к минимуму. Поэтому для изготовления данного профиля применялась именно эта технологическая схема.

Цель следующего моделирования был поиск оптимального зазора между роликами при изготовлении профиля уголкового типа с перфорацией. Сложность данного процесса заключалась в наличие отверстий на заготовке и влияние их на процесс деформирования. Процесс исследовался при различных величинах зазора и поиском такой величины, при которой искажение отверстия не будет выходить за допустимые параметры, а величины деформаций будет находиться в допустимых пределах. По результатам моделирования установлено, что для практического изготовления такого изделия рекомендуется применять процесс формообразования при зазоре H не менее 5 мм.

При моделировании процесса изготовления профиля корытного типа рассматривались две технологические схемы, как с различными углами подгибки, так и с различными радиусами формовки зон профиля. В данном случае целью моделирования был поиск схемы обеспечивающей минимальное утонение по зонам сгиба и минимальные контактные давления при этом. Как показали исследования, величина утонения по схеме №2 меньше на (20-25)%, чем по первой схеме, а величина контактных давлений меньше в 2 раза. К практическому применению была рекомендована схема №2. Моделирование также позволяло исследовать распределение зон контакта между инструментом и заготовкой. Ни теоретическими, ни опытными исследованиями выявить эти зоны практически не возможно. Контуры давления позволяли показать также величины контактных давлений, что особенно актуально при производстве профилей с покрытием.

Исследовались процессы формообразования профилей из круглой трубной заготовки. Особенность процесса в наличие наружного покрытия на исходной заготовке. Для повышения точности моделирования в области малых толщин использовалась двумерная модель формовки. В качестве покрытия использовалась модель алюминиевого материала, задаваемая материалом Bilinear Kinematic; лакокрасочные покрытие, задаваемое материалом Blatz-Ko Rubber и полимерное покрытие, задаваемое материалом Mooney-Rivlin Rubber. Интересными являлись результаты по моделированию мягкого полимерного покрытия (модель Mooney-Rivlin Rubber), где в процессе формообразования можно было наблюдать деформирование покрытия на анализе ячеек сетки. В процессе деформирования происходило смещение внутренних ячеек сетки перпендикулярно направлению движения инструмента. Наибольшие искажения отмечались на границах раздела: инструмент – покрытие и покрытие – подложка. Отсюда можно предположить, что основной причиной отслаивания покрытия от подложки является воздействие касательных напряжений.

Еще одним исследованием было моделирование процесса изготовления профиля несимметричного типа. Особенность профиля в его явной несимметрии и возможностью возникновения дефекта кромковой волнистости при интенсивных режимах формообразования. Как показало моделирование, дефект кромковой волнистости возникал на 6 и 7 технологических переходах, где проявлялись значительные продольные деформации вследствие больших углов подгибки, значения деформации составляло до (1,5-2)%, что превышало предел перехода в пластическое состояние (0,2-0,6)%, который вызывал остаточную деформацию по одному из краев профиля и дефект кромковой волнистости. Одной из рекомендаций было снижение углов подгибки между переходами.

Все исследования, приведенные выше имели практическое значение. Была изготовлена роликовая оснастка и проведены практические испытания предложенных технологических схем. Практические испытания осуществлялись на гибочно-прокатных станках ГПС в ОАО “Ульяновский НИАТ”.

Результаты моделирования сравнивались с практическими испытаниями. Все приведенные моделирования сходятся с результатами полученными на практике:

- профили с перфорацией показали аналогичную форму искажения отверстий;

- измерение величины утонения на практике для профилей корытного типа аналогичны результатам моделирования (разница не более 5%);

- форма, амплитуда, период и расположение гофры, полученные на практике для профиля несимметричного типа соответствуют результатам моделирования;

- форма сечения профиля “труба” полученные на практике аналогичные результатам моделирования.

Проведенное моделирование позволяет говорить о возможности применения программы ANSYS/LS-Dyna для исследования процессов изготовления гнутых профилей. Практическая проверка показала адекватность моделирования и практики по различным параметрам. Моделирование в программе ANSYS/LS-Dyna позволяет исследовать самые различные виды изделий на силовые, деформационные и другие параметры.

Презентация - Моделирование в программе Ansys/LS-Dyna процессов обработки давлением и формообразования металлических профилей различного поперечного сечения