5.2. Программное обеспечение систем твердотельного моделирования

5.2.1. Программный модуль AutoForm-Sigma компании AutoForm Engineering

Современные автомобилестроительные корпорации и их поставщики испытывают жесткий прессинг взаимоисключающих на первый взгляд требований. Это прежде всего сокращение сроков на разработку автомобиля и запуск его в производство, уменьшение затрат, снижение веса автомобиля и повышение его безопасности. Для удовлетворения этих требований проводится ряд технических и организационных инновационных мероприятий. Для листоштамповочного производства важнейшей технической инновацией начала нового тысячелетия явилось повсеместное внедрение новых высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов и компьютерного сопровождения всего цикла разработки техпроцесса и детали. К организационным мерам можно отнести всевозрастающее комбинированное применение методов бережливого производства, разработанных компанией Toyota, и американского подхода «шесть сигм», применяющего статистические методы для управления качеством продукции.

Две эти тенденции — техническое и организационное обновление — на листоштамповочном производстве до недавнего времени развивались как бы порознь, что приводило к снижению их эффективности. Компания AutoForm Engineering сделала первый шаг в направлении слияния подхода «шесть сигм» с компьютерным моделированием техпроцессов, выпустив в начале 2005 года программный модуль AutoForm-Sigma, предназначенный для ранней оценки конечного качества технологического процесса и его устойчивости к изменению, различных факторов, влияющих на качество, например характеристик материала.

В начале 90-х годов процесс моделирования операции вытяжки требовал десятки дней на один расчет, в то время как современные средства моделирования позволяют проводить полный обсчет всего технологического процесса, включая анализ пружинения, в течение одного рабочего дня для наиболее сложных деталей, таких как боковина, тоннель пола и т.п. Возможно, что спустя еще несколько лет для подобных расчетов нам понадобятся уже не часы, а всего несколько минут.

Однако с повышением точности и скорости расчета неизбежно встает вопрос: а что, собственно, моделируют инженеры технологических подразделений и почему не всегда результат расчета совпадает с реальностью? Простого ответа здесь не существует, так как реальность всегда гораздо сложнее описывающей ее модели и при этом весьма и весьма переменчива. Деталь, отштампованная на том же прессе и из того же материала в начале рабочей недели, обязательно будет отличаться от детали, отштампованной в конце недели. Причины кроются в непостоянстве условий, в которых штампуется деталь: свойства материала заготовки варьируются от поставщика к поставщику, от рулона к рулону, и даже в пределах одного рулона свойства материала различаются в начале, середине и конце рулона. Штамп в процессе работы нагревается, изнашивается, меняются условия трения, зазоры, характеристики торможения перетяжных ребер, распределение давления прижима и т.д. В результате, например, для деталей из современных высокопрочных и сверхвысокопрочных сталей, имеющих открытые профили, перемещения пружинения могут значительно различаться в пределах одной серии. Не существует какого-либо одного постоянного значения пружинения для данной геометрии детали и для данной марки материала — в реальности это всегда разброс цифр.

В традиционном же компьютерном моделировании мы задаем всего лишь один набор характеристик некоего идеального материала, некие идеальные условия техпроцесса, идеальную геометрию инструмента и в результате расчета получаем некий единичный идеальный результат. Насколько близок он к реальности в случае, если наша математическая модель адекватна? Как отреагирует техпроцесс на изменение идеальных условий? Насколько сильно они могут меняться при сохранении требуемого качества детали? Как подобрать параметры для обеспечения наивысшего качества? Будет ли в этом случае процесс устойчивым? На эти и многие другие вопросы позволяет ответить новый подход, реализованный компанией AutoForm Engineering в продукте AutoForm-Sigma.

Основной принцип работы AutoForm-Sigma заключается в том, что формируется не один набор исходных данных, а целая их серия, в которой варьируются те или иные параметры. После этого в решателе AutoForm-Incremental или AutoForm-OneStep автоматически производится серия расчетов (симуляций), а затем пользователь интерактивно обрабатывает результаты с помощью методов непараметрического статистического анализа.

Процесс моделирования в AutoForm-Sigma можно разделить на три этапа: начальное проектирование техпроцесса и инструмента (робастный инжиниринг), поиск наилучших параметров для обеспечения наивысшего качества (робастное проектирование) и анализ устойчивости техпроцесса к неизбежной изменчивости условий серийного производства (робастное производство).

На первом этапе анализируется чувствительность к различным параметрам, которыми пользователь может управлять в процессе проектирования. Такими параметрами могут быть, например, вытяжной радиус матрицы, коэффициенты торможения ребер, коэффициент трения, размеры и положение заготовки, усилие прижима и многие другие.

Для каждого параметра задается возможный разброс его значений. Процесс реагирует на изменение входных параметров, и с помощью статистических методов анализируется его отклик. В качестве отклика может быть выбран тот или иной критерий качества, например утонение детали или же перемещение пружинения. Статистический анализ результатов многих симуляций позволяет определить, к каким параметрам процесс чувствителен более всего, а какие имеют лишь второстепенное значение. Кроме того, появляется возможность определения так называемого рабочего окна процесса, то есть диапазона изменения конструкторских параметров, при котором изделие удовлетворяет критериям качества. Анализ чувствительности процесса трудно переоценить. Появляется возможность глубже заглянуть в физику процесса, понять взаимосвязь между различными параметрами и поведением заготовки в процессе формоизменения.

На этапе робастного проектирования проводится оптимизация выбранных на первом этапе важнейших конструкторских параметров. Задаются диапазон их изменения (рабочее окно процесса, полученное на первом этапе) и целевая функция, основанная на диаграмме штампуемости, то есть гот критерий качества, к которому должен стремиться разработчик робастного процесса.

зоны с наибольшей изменчивостью утонений и утолщений, то есть те области, в которых даже при относительно низких средних значениях деформаций из-за их высокой чувствительности к изменению давления прижима и трения возможны сильные колебания утонений, выходящие за пределы допустимых значений. В принципе, зоны с максимальным утонением и максимальной вариабельностью совпали с опасными зонами по результатам единичного расчета. При этом используется эволюционный многокритериальный алгоритм оптимизации.

На этапе робастного производства AutoForm-Sigma оценивает, насколько устойчив найденный оптимальный процесс к влиянию изменчивости параметров техпроцесса и характеристик материала. Как правило, напрямую управлять этими параметрами мы не можем, так как разброс характеристик материала или износ штампа неизбежен; мы можем лишь контролировать эти параметры, стараясь удерживать их в рамках, определенных с помощью AutoForm-Sigma. Задачей инженера-технолога становится разработка такого техпроцесса, чувствительность которого к разбросу входных параметров была бы минимальной. В результате применения средств анализа пригодности процесса в рамках современной системы управления производством и контроля качества «шесть сигма» AutoForm-Sigma дает оценку процента бракованной продукции для исследуемого техпроцесса.

На этапе робастного инжиниринга оценивается влияние различных конструкторских параметров на результаты расчета. Для каждого параметра задаются минимальное и максимальное значения. AutoForm выстраивает для каждого параметра ряд случайных значений в этом диапазоне, распределенный более-менее равномерно (используется метод латинского гиперкуба). Затем для каждой комбинации параметров автоматически проводится расчет в AutoForm-Incremental. Полученные результаты статистически обрабатываются в AutoForm-Sigma.

Следующим шагом является подбор оптимального сочетания исследуемых параметров. При расчете используется метод эволюционной оптимизации.

AutoForm-Sigma впервые позволил использовать статистические методы контроля качества в моделировании технологических процессов листовой штамповки.

Новый модуль программного комплекса AutoForm-Sigma позволяет значительно автоматизировать процесс принятия важных для обеспечения качества изделия и устойчивости техпроцесса решений, дает глубокое понимание физики процесса, что в конечном счете приводит к обоснованному выбору наиболее экономичных вариантов на каждом этапе процесса проектирования и производства.