Формовка листового металла была предметом исследований для промышленности и науки с конца 19-го века. Примерно через 100 лет численные методы были успешно использованы в этой области впервые. Конечно-элементные решения, которые были разработаны и коммерциализированы с тех пор, в основном можно разделить на явные и неявные процедуры.
Явные процессы предпочтительны при формовании листового металла. Хотя код в основном используется для моделирования в краткосрочной динамике (сбой), квазистатическое приложение, которое подходит для более длительных периодов времени, возможно путем искусственного увеличения плотности материала рассматриваемой системы на несколько порядков (масштабирование массы). Это приводит к вычислительно эффективному процессу со стабильным поведением контакта, особенно с большими площадями контакта, которые являются общими при формовании металла и приводят к плохой сходимости в неявных методах.
Картинная галерея
Однако, как только многоступенчатый процесс становится доступным, явные методы могут стать менее надежными. Многоступенчатое моделирование требует анализа упругого возврата после каждого отдельного процесса формования, который может выполняться только неявными методами. Эти трудности можно преодолеть с помощью так называемого анализа импорта. Управление скоростью инструмента является серьезной проблемой, чтобы минимизировать эффекты инерции, связанные с множественной инициализацией контактов на процесс.
Стальной тормозной поршень глубокой вытяжки является одним из компонентов, производство которого не ограничивается чисто глубокой вытяжкой. Круглая пластина с постоянной толщиной листа становится цилиндрическим компонентом, в котором отношение основания к толщине стенки может достигать почти в 2 раза.
В качестве примера рассмотрим поршень, который изготавливается в десять этапов. Неявные вычисления выполнялись с помощью двух программ для различных целевых групп: Simufact. Forming с адаптированным Marc-Solver в качестве эксклюзивного приложения для формирования симуляций и Abaqus / Standard как универсально применимая программа FEM. Abaqus / Explicit был использован для явного моделирования. Чтобы обеспечить прямое сравнение между программами и методами, граничные условия практически идентичны.
Неявные анализы почти идентичны
Только минимальные различия были найдены между неявным анализом с Simufact и Abaqus / Standard. Распределение пластического сравнительного удлинения (также известного как степень деформации в металлургической промышленности) незначительно отличается в соответствующих точках. Видимое различие на переднем крае связано с новыми сетевыми алгоритмами, которые по-разному функционируют в обеих программах. Поскольку кромка впоследствии подвергается механической обработке, это отклонение не имеет большого значения для дальнейшего рассмотрения.
При явном моделировании только первые два этапа рисования могут быть успешно выполнены. До этого результаты были практически идентичны результатам Abaqus / Standard. На третьем этапе - огорчение - на пути инструмента есть несколько ударов, которые несут нереально высокую кинетическую энергию в систему при каждой инициализации контакта, которую вряд ли удастся удалить позже. Чтобы минимизировать этот эффект, скорость инструмента должна быть уменьшена до нуля перед каждым ударом. Хотя для этого есть технические возможности, усилия, связанные с традиционными для отрасли методами, относительно велики, поскольку необходимо использовать пользовательские подпрограммы.
Полный контакт не нужен
Результаты вышеупомянутого 3 этапа показали интересное явление для производителей инструментов. Первоначально был найден полный контакт между штамповочной головкой и заготовкой. Виртуальный анализ показал, что даже при усилии пресса 8000 кН полный контакт еще не доступен. Усилие прессования удваивается с 4000 до 8000 кН в пределах 0,2 мм пути инструмента. Можно было бы фактически определить, что перемещение инструментов вместе до полного контакта приведет к утолщению материала в середине купола примерно до 6,1 мм, что будет ненужным для компонента в этой точке. Серийный инструмент перемещается до толщины материала около 5,5 мм, и его можно определить макроскопически,какая часть заготовки не имела контакта с штамповочной головкой в конце процесса.
На пятом этапе - калибровка - сферический пол разделен на две области: плоский пол и цилиндрическая стенка. Моделирование показало, что дно имеет слегка вогнутую форму - центр внешней поверхности дна находится примерно на 0,2 мм выше его внешнего контура. Это указывает на проблему вмятин в нижней части компонента. В действительности, вогнутость приблизительно 0,3 мм была измерена в том же месте.
После десяти этапов размеры геометрии, созданной в симуляции, сравнивались с реальной деталью. Наибольшие отклонения составляли около 2,4% даже в тех местах, где не было прямого контакта с инструментом.
Анализ виртуального формования позволил лучше понять процесс изготовления тормозных поршней и рассмотреть области, которые недоступны человеческому глазу на реальном оборудовании (например, распределение материала при закрытом инструменте). Анализ «что-если» также был возможен, что было бы невозможно, например, из-за ограниченной силы пресса машины. Имитационная модель, сгенерированная как часть анализа, была затем использована для дальнейших испытаний, в которых, среди прочего, были проверены другие материалы. (Уд)
* Камиль Завалич, инженер-разработчик моделирования, Erdrich Umformtechnik GmbH, проф., Д-р инж. Habil. Лутц Насдала, Кафедра технической механики и математики Оффенбургского университета, д-р инж. Матиас Мюллер, руководитель подразделения тормозных поршней, Erdrich Umformtechnik GmbH