Komputerowe wspomaganie procesów obróbki plastycznej

Ćwiczenie audytoryjne
pt.: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW
OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Autor: dr inż. Radosław Łyszkowski
Warszawa, 2013r.
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Metoda elementów skończonych MES
FEM - Finite Element Method
 przybliżona metoda numeryczna,
 stosowana do obliczeń inżynierskich,
 polega na zastąpieniu układu ciągłego układem dyskretnym.
MES - pewien sposób postępowania mający na celu
rozwiązywanie jakiegoś fizycznego zadania. Jest to określony ciąg
operacji wykonywanych przez inżyniera projektanta i komputer, w
trakcie poszukiwania rozwiązania, począwszy od sformułowania
zadania, a skończywszy na graficznej interpretacji wyników
obliczeń.
Lata (XX. w.)
40 Początki prac związanych z MES.
50 Zastosowanie metod macierzowych do analizy konstrukcji.
Zastosowanie metody przemieszczeń i metody sił do
analizy złożonych konstrukcji lotniczych i kosmicznych.
Pierwsze komputery.
60 Powstanie nazwy „Element Skończony”.
Modele jednowymiarowe o stałych własnościach.
70 Zastosowanie MES głównie w przemyśle kosmicznym i
motoryzacyjnym.
Modele 2D o własnościach nieliniowych.
80 Wprowadzenie efektywnej grafiki komputerowej.
Modele 3D o bardzo skomplikowanych własnościach.
90 MES staje się standardowym narzędziem w analizie
konstrukcji.
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
-1 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
MES - model matematyczny





Podział obszaru na elementy skończone (Mesh);
Przyjęcie punktów węzłowych (naroża);
Określenie dla każdego elementu (całego układu) macierzy lub
funkcji opisującej jego własności;
Określenie warunków brzegowych i obciążeń;
Rozwiązanie podstawowego układu równań i funkcji
pochodnych.
Detal
Podział na elementy
Siatka MES
Węzeł
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
Element skończony
dr inż. R. Łyszkowski
-2 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
MES - uwarunkowania
Materiału: izotropowy, liniowo - sprężysty
E = 2.1x1011Pa - moduł Young’a
 = 0.3 - współczynnik Poisson’a
Stopnie swobody to niezależne możliwości ruchu punktu,
3 translacyjne i 3 rotacyjne  3 składowe siły i 3 s. momentu.
p
q
F
Więzy to warunki ograniczające ruch układu. Więzy opisują
sposób połączenia modelu z otoczeniem i powodują odebranie
odpowiednich stopni swobody: translacyjnych lub rotacyjnych.
Przemieszczenia
Siły
Odkształcenia
Naprężenia
Geometria
Analiza
modelu
Rozwiązanie
Element
y
Obciążenia
Analiza
wyników
Więzy
Materiały
Właściwości
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
Plany warstwicowe
Wykresy X - Y
Wdruki obliczeń
dr inż. R. Łyszkowski
-3 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
MES - przykłady
Modele numeryczne 3D, rozkłady naprężeń zredukowanych
(wg hipotezy Hubera-Misesa) oraz przemieszczeń
wypadkowych
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
-4 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
FormFEM
Programy FormFEM służy do komputerowego
modelowania 2 lub 2.5D procesów objętościowej
obróbki plastycznej materiałów metalicznych, takich
jak stal, aluminium i jego stopy. Umożliwia on zbadanie zjawisk
zachodzących podczas wybranych procesów kształtowania, a
zwłaszcza:
 symulację odkształcenia plastycznego w osiowej symetrii lub
dla płaskiego stanu odkształcenia;
 obliczenie temperatur w materiale i w narzędziu;
 obliczenie deformacji, odkształceń i naprężeń;
 uwzględnienie rozszerzalności cieplnej wsadu i narzędzi,
przepływu ciepła;
 do symulacji procesów obróbki na gorąco lub na zimno.
Program umożliwia symulację procesu:
 tłoczenia,
 kucia swobodnego i matrycowego,
 ciągnienia i wyciskania,
 zaginania i rozciągania
 walcowania.
Programy FormFEM oparty jest na zastosowaniu metody
elementów skończonych do obliczeń procesu odkształcenia
plastycznego. Część obliczeniowa programu składają się z trzech
zasadniczych elementów:
1. preprocesora - tworzenie zadania do rozwiązania,
2. procesora - zasadnicza część obliczeniowa,
3. postprocesora - graficzna prezentacja uzyskanych wyników.
Program zakłada sztywno plastyczny model ciała, przez co
niemożliwe jest symulowanie procesów obróbki elementów typu
blacha.
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
-5 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
FormFEM – organizacja
Projekt A
Operacja 1
Projekt B
Projekt C
Operacja 2
Operacja 3
Obiekt
Wsad
Obiekt
Narzędzie 1
Operacja 4
Obiekt
Narzędzie 10
Zestaw1
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
-6 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
FormFEM - preprocesor
Analiza obliczeniowa:
 tylko mechaniczna (bez zmiany temperatury),
 mechaniczna cieplnie powiązana (warunki rzeczywiste),
 tylko cieplna (obciążenia termiczne),
 początkowa rozszerzalność.
Model obliczeniowy zestawu
Model oblicz. obiektu
(wsad) W
Model geometrii
siatki MES
Model oblicz. obiektu
(narzędzie) N
Model właściwości
początkowych
Model warunków
brzegowych
Materiał
Model zdarzeń
Temperatura
początkowa
Rodzaj obciążenia
Odkształcenia
początkowe
osiowo symetryczny
płaski
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
-7 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
FormFEM - procedura 1
Nowy projekt  Operacja 1  Nowy wsad (narzędzie)
Listwa ikon Geometria i Siatka Obiektu
Aktywować okno Explorera
aktywuje główne okno Explorera zawierające podstawowe funkcje
Właściwości Obiektu
aktywuje okno zawierające podstawowe funkcje dla wytwarzania i
dołączania Właściwości jednakowego Obiektu.
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
-8 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Listwa ikon Geometria
Punkt
Punkt w miejscu przecięcia bez rozdzielenia elementów
Punkt w miejscu przecięcia z rozdzieleniem jednego elem
Punkt w miejscu przecięcia z rozdzieleniem obu elem.
Złączanie punktów
Odcinki
Odcinek dwoma punktami
Odcinek długością i kierunkiem
Linia łamana
Styczna
Łuki
Łuk dwoma punktami
Łuk trzema punktami
Łuk środkiem, promieniem i kątem
Okręgi
Okrąg środkiem i punktem
Okrąg dwoma punktami
Okrąg trzema punktami
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
-9 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Wielokąty
Prostokąt wierzchołkami
Wielokąt wpisany w okrąg
Wielokąt opisany na okręgu
Zaokrąglenie
Zaokrąglenie promieniem
Zaokrąglenie dla trzech odcinków
Skos
Rozdzielanie
Rozdzielenie ilością odcinków
Rozdzielenie parametryczne
Rozdzielenie punktem
Obcinanie
Obcinanie z wyborem co zostawić
Obcinanie z wyborem co usunąć
Róg
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 10 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Listwa ikon Siatka i Raster
zawiera funkcje dla wytworzenia siatki
MES. Do jej wytworzenia na obiekcie
konieczne jest wytworzenie jego
makroopisu, to znaczy wytworzenie systemu makroelementów,
które go pokrywają. Makroelement to zamknięty ciąg
makrokrawędzi (odcinków i łuków) na którym można utworzyć
siatkę MES.
Makroopis
Makroelement automatycznie (ogólny wielokąt),
m.el. 4-kąt logiczny, 3-kąt, połączenie makrokrawędzi ...
Rozdzielanie makrokrawędzi
Rozdzielenie według ilości
Rozdzielenie według długości
Ilość odcinków krawędzi m.el.
Siatka MES
Siatka dla rozdzielonych makrokrawędzi
Siatka z rozdzieleniem makrokrawędzi
Wielkość siatki
Obcięcie siatki usunie wybraną część siatki MES Obiektu
leżącą na wybranej stronie cięcia
Raster wprowadza początkowy raster dla Obiektu Wsad
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 11 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Listwa ikon Funkcje pomocnicze
Mierzenie
Mierzenie odległości
Mierzenie długości
Mierzenie kątów
Układ współrzędnych
Nowy układ współrzędnych
Początkowy układ współrzędnych
Transformacje
Przesunięcie
Obrócenie
Zmiana wielkości
Odbicie lustrzane
Funkcje pomocnicze - menu główne
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 12 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
FormFEM - procedura 2
Właściwości obiektu
Obiekt
Materiał
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 13 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Geometria i Siatka Obiektu
Zmiana zestawu
Właściwości
Dołączyć temperaturę
Dołączyć materiał
Dołączyć odkształcenie
Baza Danych Materiałów
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 14 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
FormFEM - Model właściwości materiału
Właściwości elastyczne
Właściwości plastyczne na gorąco
Model krzywych płynięcia na gorąco - równanie Spittel’a
Właściwości plastyczne na zimno
 Równanie Spittel’a
 Wielomian
 Model potęgowy
 Tablica
Właściwości termomechaniczne
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 15 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
FormFEM - procedura 3
Polecenie Zestaw
Zestaw
 2D – model realizuje tylko przemieszczenia w osi X i Y
 2.5D – model dopuszcza płyniecie materiału w kierunku osi Z
Warunki i Zdarzenia
 Ruch – kinematyczny lub technologiczny opis ruchu narzędzia,
 Kontakt – opis tarcia i przepływu ciepła na powierzchni styku
narzędzia i wsadu,
 Wymiana ciepła – opis przepływu ciepła na pow. swobodnej,
 Naprężenie powierzchniowe – naprężenie normalne i ścinające;
 Pozycyjne,
 Czasowe.
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 16 -
KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ
Właściwości Obiektu
Wykreślić wyniki
Włożyć Obiekt
Usunąć Obiekt
Automatyczny kontakt narzędzia z wsadem
Dołączyć podpory
Dołączyć ruch
Dołączyć wymianę ciepła
Dołączyć kontakt
Dołączyć naprężenie powierzchniowe
Baza danych warunków
Zdarzenie wyznaczone odległością narzędzi
Punkty obserwacyjne
Określenie tolerancji dla obliczeń
Wojskowa Akademia Techniczna
WTC dla WME
Katedra Zaawansowanych Materiałów i Technologii
dr inż. R. Łyszkowski
- 17 -