3. Постановка задачи и анализ результатов моделирования процесса обработки металлов давлением в программе deform-3d

В настоящее время для всестороннего изучения необходимо на ряду с аналитическими методами исследования применять численные методы моделирования, например – метод конечных элементов (МКЭ).

Аналитические методы моделирования используются для получения математических зависимостей путем решения математических систем уравнений, а численные методы – применимы в широко используемых компьютерных программах, основанных на МКЭ.

Технологии обработки металлов давлением (ОМД) основаны на их способности, при определенных условиях, пластически деформироваться в результате воздействия на заготовку внешних сил. При упругих деформациях деформированное тело полностью восстанавливает свои форму и размеры после снятия нагрузки, при пластических деформациях – изменение формы и размеров тела сохраняется.

Величина пластической деформации небезгранична, при определенных её значениях может начаться разрушение металла. На величину пластической деформации, которую можно достичь без разрушения, оказывает влияние: температура, скорость и съема напряженно-деформированного состояния.

В настоящее время развитие информационных технологий, математическое моделирование процессов ОМД проводится с помощью компьютерного моделирования.

Программный комплекс DEFORM, основанный на МКЭ, позволяет моделировать практически все процессы ОМД, моделировать структуру металла, моделировать процессы механической обработки.

Программный комплекс DEFORM-3D, основанный на МКЭ, позволяет исследовать и оптимизировать технологические процессы, позволяя вносить необходимые изменения в схему технологического процесса, геометрию инструмента, технологические режимы, минимизировать расход металла. Математическое моделирование тепловых процессов и режимов деформирования позволяет провести анализ температурных и деформационных полей установки, функций, времени процессов [1].

3.1 Этапы моделирования теплового процесса в программе deform-3d

Моделирование теплового процесса при движении сляба от нагревательной печи до клети стана горячей прокатки:

Задаем путь сохранения: С:\DEFORM-3D\PROBLEM\Sirotkin.

Модуль Pre Processor:

1. Задание единиц измерений:

1. Simulation controls – Units – переключаем с English на Si.

2. Тип решателя:

1. Метод Лагранжа (Lagrangian Incrementue), он используется для решения тепловых процессоров;

2. ALE Rolling – прокатка;

3. И, наконец, сам режим: т.к. у нас тепловой процесс, то используем только Heat Transfer (Теплопередача).

2. Задание свойств заготовки сляба:

1. Общие свойства (General):

4. Имя не меняем;

5. Object Type (Тип объекта): Plastic (Пластичность);

6. Assign temperature: 1250⁰C;

7. Материал: Load material from Library;

8. Apllication: оставляем Heat Treatment и Hot Forming.

9. Марка стали: AISI – 1015 и нажимаем кнопку Load (Далее).

2. Геометрия объекта (Geometry) - задаем параметры сляба: ширина (Width) 660 мм (при моделировании будет использована плоскость симметрии, соответствующая ½ сляба в продольном направлении); высота (Height) 125 мм; длина (Length) 300 мм. Использование симметрии и уменьшение длины сляба экономит время расчета и увеличивает точность решения.

3. Создаем сеточную модель сляба, используя кнопку Mesh (Сетка):

В DEFORM существует два способа определения сетки:

– относительная сетка (Relativemesh) – пользователь определяет количество создаваемых твердотельных элементов. Независимо от того, какие изменения происходят с заготовкой, число элементов останется постоянным;

– абсолютная сетка (Absolutemesh) – пользователь определяет минимальный размер элемента сетки, а система определяет требуемое количество элементов. В процессе моделирования с изменением формы заготовки увеличивается количество элементов для лучшего описания ее поверхности. С одной стороны, этот способ позволяет получить более точный результат моделирования, так как заданное разрешение сетки постоянно в ходе расчета. С другой стороны, он требует больших затрат машинного времени при моделировании.

Выберем тип сетки – Relativemesh и задайте число элементов 90000.

В итоге у нас получилось: Количество узлов – 19676; Поверхности многоугольников – 17848; Минимальный размер элемента – 5,38636 мм; Максимальный размер элемента – 10,7727 мм.

4. Определение граничных условий теплопередачи. Нажмите кнопку Bndry. Cnd. (Граничные условия), выберите условие Heat Exchangewith Environment (Теплообмен со средой) и укажите грани сляба, находящиеся в контакте с окружающей средой. Заготовка моделируется 1/2 частью, и одна плоскость – плоскость симметрии не находится в контакте с окружающей средой. Кнопка Environment используется для задания температуры окружающей среды и коэффициента теплоотдачи.

- Convection Coefficient (0,02Н/сек./мм/⁰С);

- Envioment temperature (20⁰C);

5. Весь процесс моделирования разбивается на шаги. Рассчитываем количество шагов для нашей печи №3, т.е. сляб движется от 3-ей печи:

36м+36м+29,3м/1,8м/с = 56,27с.

Сляб движется благодаря вертикальной калиноломателем и горизонтальной клетью:

18,2м/1,25м/с = 14,56с

Общее время процесса: 56,27с + 14,56с = 70,83с ≈ 71с;

Тогда количество шагов будет: 71с/0,5с = 142 шага.

Simulation Controls – Step – Number of Simulation Steps – 142;

Simulation Controls – Step – Step Increment to Save – 2;

Simulation Controls – Step – With Time Increment – Constant – 0,5.

6. Сохранение задачи. Выберете File (Файл) - Save (Сохранить). Данные задачи будут сохранены в файле с расширением .KEY. Далее нажимаем кнопку Database Generation (Генерация базы данных). В открывшемся одноименном окне запустите кнопку Check (Проверить) для того, чтобы убедиться в правильности ввода данных в задачу. Затем нажмем кнопку Generate для создания базы данных задачи. Закрываем препроцессор.

7. Запуск решателя: Запускаем расчет, нажав Run (Старт) в списке Simulator (Решатель) главного окна DEFORM-3D. Наблюдаем за ходом решения, например, просматривая решение по шагам в 3D, используя пункт Simulation Graphics в списке Simulator (Решатель).