Full Text

Механическая обработка остается основным видом формообразования деталей. Высокие требования к точности, шероховатости и качеству поверхности приводят к необходимости совершенствования технологии обработки и подготовки производства, особенно при обработке деталей из труднообрабатываемых слоистых или новых композиционных материалов. При проектировании новых технологических процессов оптимизация параметров обработки производится чаще всего эмпирическим путем. Это приводит к увеличению времени и затрат на проектирование технологических процессов. При механической обработке композиционных материалов задача дополнительно усложняется - свойства таких материалов зависят от геометрии конструкции деталей и параметры режимов обработки различаются в зависимости от структуры композиционного материала [1, 2]. Эффективность проектирования технологического процесса производства можно повысить, используя CAE-системы. Большое количество CAE-систем являются универсальными и не имеют специальных шаблонов для моделирования механообработки [3, 4]. Создание моделей резания в CAE-системах очень трудоемко, но позволяет получать информацию о напряжениях, температуре, распределении сил в зоне обработки и деформациях. В основу инженерного анализа технологических процессов может быть положен метод конечных элементов (МКЭ), разработанный на основе матричных методов расчета механических конструкций, рассматривается сегодня как способ решения задач, описываемых уравнениями математической физики в частных производных [4-9]. Метод включается в системы автоматизированного проектирования (САПР) и служит для моделирования механических, тепловых и других задач. Широкое применение композитных материалов еще больше увеличило фокус производственных исследований обрабатываемости этих гетерогенных материалов. Сверление является неизбежной, наиболее часто используемой операцией обработки в ходе производственных процессов во многих отраслях промышленности. Процесс сверления композитных материалов во многом определяет качество их отверстий. Недавний прогресс в области технологии производства композитов обусловил необходимость применения метода конечных элементов (FEA) [10, 11]. FEA хорошо используется в различных областях машиностроения для анализа свойств при сверлении материалов, как правило, в условиях возникновения напряжений, сил, тепла и вибрации [12, 13]. Использование анализа методом конечных элементов сделало возможным проектировать технологии, основанные на учете влияния структуры слоистых и композиционных материалов на выходные характеристики процесса обработки, в том числе на такой важный показатель, как качество обработки [14, 15]. Таким образом, применение FEA для сверления композитов из натуральных волокон, армированных волокном (FRP), очень актуально, особенно в механообрабатывающей промышленности [16]. В статье рассматривается создание и исследование имитационных моделей сверления полимерного композитного материала методом конечных элементов. Модель FEA была реализована для отражения физики процесса сверления, включая образование геометрии стружки. Фаза предварительной обработки включала рассмотрение различных параметров, включая выбор элементов, свойств материала и граничных условий, а затем выбор подходящего решателя LS-DYNA и инструмента препроцессора Pre-Post. Pre-post был использован для визуализации и отображения окончательных результатов моделирования [17]. Моделирование осуществляется в интерфейсе LS-PrePost для препостпроцессинга задач ANSYS LS-DYNA. LS-DYNA - инженерный пакет разработан корпорацией LSTC (Livermore Software Technology Corporation, США) [18, 19]. LS-DYNA позволяет создавать и импортировать геометрию, строить сетки, определять свойства материалов и взаимодействия, параметры объектов. Главная возможность постпроцессора LS-PrePost - генерация и воспроизведение анимации, создание скриншотов, выгрузка данных и построение эпюр и графиков физических процессов. В данной работе разработан принцип и последовательность моделирования процесса сверления в слоистом материале. Данная последовательность моделирования позволит проводить исследования механической обработки и технологической оптимизации параметров резания. Для проведения исследования в системе LS-DYNA по геометрическим данным была построена твердотельная модель режущего инструмента - стандартного сверла диаметром 5 мм по ГОСТ 10902-77 «Сверла спиральные с цилиндрическим хвостовиком. Средняя серия» (в целях упрощения моделирования не строили специальные сверла для слоистых материалов). Учитывались следующие параметры: диаметр и длина сверла, угол при вершине, уклон винтовой канавки и толщина поперечной кромки. Далее 3D-модель инструмента импортировали в пакет [20]. Затем создали его конечно-элементную модель (рис. 1) [21, 22]. Размер элементарной ячейки 0,27 мм, геометрия произвольная, получилось 35 048 элементов у сверла. Рис. 1. Конечно-элементная модель сверла 5 мм После импортирования модели инструмента необходимо создать модель материала, используя стандартные модули программного комплекса LS-Prepost [17]. Используя геометрию в виде цилиндров диаметром 10 мм, строим слоистую заготовку, состоящую из 23 слоев толщиной 0,16 и 0,05 мм, чередующихся между собой, с соответствующими геометрическими параметрами. Каждый слой материала имеет сетку элементов (рис. 2) [23]. На каждом слое получилось 3276 элементов. Рис. 2. Модель слоистого материала После завершения построения основных объектов, необходимых для дальнейшей работы, происходит позиционирование объектов относительно друг друга так, чтобы центр заготовки совпадал с центром сверла (рис. 3). Рис. 3. Позиционирование материала и инструмента После проведенных действий необходимо задать моделям ограничения, параметры движения, механические и физические свойства материалов инструмента и заготовки [24]. В меню Keyword Manager добавляется BOUNDARY-карта, которая определяет метод нагружения, описание граничных состояний. Создаем схему нагрузки (карту нагрузки) в свойстве BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID, где PID - ID инструмента, DOF - направление движения, VAD - установка скорости/перемещения, LCID - номер кривой нагрузки (табл. 1). Задали скорость подачи 1 мм/об. Таблица 1 Параметры BOUNDARY соответственно для двух идентификаторов кривой (LCID) PID DOF VAD LCID SF VID DEATH BIRTH 1000000 1 0 1000 0.4 0 1.000e+28 0.0 PID DOF VAD LCID SF VID DEATH BIRTH 1000000 5 0 2000 -3.0 0 1.000e+28 0.0 В табл. 1 LCID - график движения, или идентификатор кривой нагрузки, описывающей значение движения в зависимости от времени. Кривая задается в свойстве DEFINE_CURVE. DOF определяет степень свободы движения, по которой определяется движение. SF - коэффициент масштабирования. DEFINE_CURVE определяет график изменения нагрузки во времени, где A1 - данные по оси X (время), O1 - данные по оси Y (значение параметра). Создано три варианта зависимостей в зависимости от времени обработки: описывающая подачу, описывающая поступательное перемещение сверла относительно оси X, вращательное движение сверла относительно оси X (табл. 2-4). Таблица 2 LCID = 1 № п/п A1 O1 1 0.0 0.0 2 0.02 0.72 3 50.0 0.72 Таблица 3 LCID = 1000 № п/п A1 O1 1 0.0 0.0 2 0.02 0.72 3 50.0 0.72 Таблица 4 LCID = 2000 № п/п A1 O1 1 0.0 0.0 2 0.02 0.72 3 50.0 0.72 Во вкладке BOUNDARY также добавляется свойство движущейся системы координат SPC, которое позволяет задавать одноточечные ограничения для узловых точек. Ограничения накладываются в параметре DOF, где 1 - ограничение есть, 0 - ограничений нет (табл. 5). Таблица 5 Параметры модуля движущейся системы координат SPC DOFX DOFY DOFZ DOFRX DOFRY DOFRZ 1 1 1 1 1 1 Свойства контактного взаимодействия CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE и CONTACT ERODING_NODES_TO_SURFACE применяются при контакте с разрушением элементов (например, как в процессах при обработке металлов давлением [25]) и имеют дополнительные три опции ISYM, EROSOP, IADJ, настраивающие данный контакт [24, 26]. Основные параметры для карты контакта: SSID, MSID - номера подчиненной и главной частей/набора; SSTYP, MSTYP - тип контактной области (часть, набор части/узлов и др.); FS - статический коэффициент трения; FD - динамический коэффициент трения; VC - коэффициент вязкого трения, является необходимым для ограничения максимума силы трения; VDC - коэффициент демпфирования контакта. Все данные этого свойства представлены в табл. 6. SSID и MSID - соответствующие порядковые номера взаимодействующих тел, т.е. заготовки из слоев и сверла. Например, слой с порядковым номером (ID) 1000001 был первым слоем, он взаимодействовал со связанным физически телом - сверлом с номером 1000000. Шаг интегрирования рассчитывается автоматически. Для изменения временного шага используется карта CONTROL_ TIMESTEP и параметр DT2MS (со значением «минус»). Для многих задач можно увеличивать величину временного шага в 5-10 раз. Разница при использовании масштабирования временного шага заключается в появлении осциллирующих воздействий и возможной потере контакта [19, 26]. Таблица 6 Параметры модуля контактного взаимодействия CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE SSID MSID SSTYP MSTYP 1000001 1000000 3 3 1000001 1000000 3 3 1000005 1000000 3 3 1000007 1000000 3 3 1000009 1000000 3 3 1000011 1000000 3 3 1000013 1000000 3 3 1000015 1000000 3 3 1000017 1000000 3 3 1000019 1000000 3 3 1000021 1000000 3 3 1000023 1000000 3 3 1000001 1000003 3 3 1000005 1000003 3 3 1000005 1000007 3 3 1000009 1000007 3 3 1000009 1000011 3 3 1000013 1000011 3 3 1000013 1000015 3 3 1000017 1000015 3 3 1000017 1000019 3 3 1000021 1000019 3 3 1000021 1000023 3 3 CONTROL определяется свойствами ACCURACY, BULK_VISCOSITY, ENERGY, CONTACT, HOURGLASS, TERMINATION, TIMESTEP. В TIMESTEP определяются следующие параметры: TSSFAC - коэффициент пересчета для исходного шага по времени; DT2MS - величина временного шага (табл. 7). TERMINATION предназначена для установки времени завершения расчета (табл. 8). Карта ENERGY предназначена для обеспечения управляющих параметров для учета энергии (табл. 9). HGEN - опция сохранения энергии искажений элементов по типу песочных часов, RWEN - опция сохранения диссипации энергии, SLNTEN - опция сохранения энергии по границе скольжения контактов, RYLEN - опция сохранения рассеяния энергии с учетом затухания. ENDTIM - время завершения расчета. Свойство контакта CONTACT - в табл. 10. Таблица 7 Параметры модуля TIMESTEP DTINIT TSSFAC ISDO TSLIMT DT2MS LCTM ERODE MS1ST 0.0 0.9 0.0 0.0 -2.770E-05 0.0 0.0 0.0 DT2MSF DT2MSLC IMSCL UNUSED RMSCL 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Таблица 8 Параметры модуля TERMINATION ENDTIM ENDCYC DTMIN ENDENG ENDMAS NOSOL 7.0 0.0 0.0 0.0 1.000e+08 0.0 Таблица 9 Параметры модуля ENERGY HGEN RWEN SLNTEN RYLEN 2 2 2 2 Таблица 10 Параметры модуля контакта CONTACT SLSFAC RWPNAL ISLCHK SHLTHK PENOPT THKCHG ORIEN ENMASS 0.5 0.0 1 0 0 0 1 0 USRSTR USRFRC NSBCS INTERM XPENE SSTHK ECDT TIEDPRJ 0 0 0 0 4.0 0 0 0 SFRIC DFRIC EDC VFC TH TH SF PEN SF 0 0 0 0 0 0 0 IGNORE FRCENG SKIPRWG OUTSEG SPOTSTP SPOYDEL SPOTHIN 0 1 0 0 0 0 0 ISYM NSEROD RWGAPS RWGDTH RWKSF ICOV SWRADF ITHOFF 0 0 2 0 1.0 0 0 0 Свойство HOURGLASS приведено в табл. 11. Таблица 11 Параметры модуля HOURGLASS IHQ QH 5.0 0.05 Свойство точности (ACCURACY) - табл. 12. Таблица 12 Параметры модуля HOURGLASS OSU INN PIDOSU IACC 1 4 0 0 Одним из методов управления HOURGLASS деформациями является регулирование вязкости материала модели (model's bulk viscosity) с использованием вкладки CONTROL_BULK_VISCOSITY. Свойство BULK_VISCOSITY - табл. 13. Таблица 13 Параметры модуля BULK_VISCOSITY Q1 Q2 TYPE BTYPE 1.5 0.06 1 0 База данных DATABASE_ASCII_OPTION - в табл. 14. Опции этой команды включают следующие файлы в формате ASCII: GLSTAT - глобальные данные, энергия всей модели; MATSUM - энергия частей модели; RCFORC - данные об усилиях на поверхности раздела; SECFORC - усилия в поперечном сечении; SLEOUT - энергия на поверхности скольжения двух материалов; SPCFORC - усилия реакции для одноточечного ограничения (SPC). Таблица 14 Параметры модуля DATABASE_OPTION DT BINARY LCUR IOOPT GLSTAT 0.003 0 0 1 MATSUM 0.003 0 0 1 RCFORCE 0.003 0 0 1 Свойство BINARY_D3DUMP - в табл. 15. Таблица 15 Параметры модуля BINARY_D3DUMP CYCL LCDT BEAM NPLTC PSETID 3.000e+04 0 0 0 0 Свойство BINARY_D3PLOT - в табл. 16. Таблица 16 Параметры модуля BINARY_ D3PLOT DT LCDT BEAM NPLTC PSETID IOOPT 0 0 0 100 0 0 Свойство EXTENT_BINARY - в табл. 17. Таблица 17 Параметры модуля EXTENT_BINARY NEIPH NEIPS MAXINT STRFLG SIGFLG EPSFLG RLTFLG ENGFLG 0 0 3 1 1 1 1 1 CMPFLG IEVERP BEAMIP DCOMP SHGE STSSZ N3THDT IALEMAT 0 0 0 1 1 1 2 1 NINTSLD PKPSEN SCLP HYDRO MSSCL THERM INTOUT NODOUT 0 0 1 0 0 0 stress stress DTDT RESPLT NEIPB QUADR CUBIC 0 0 0 0 0 Свойство HOURGLASS - в табл. 18. Таблица 18 Параметры модуля HOURGLASS HGID IHQ QM IBQ Q1 Q2 QB/VDC QW 1 4 0.05 0 1.5 0.06 0.1 0.1 Примечание: IHQ - тип контроля искажения; QM - параметр контроля искажения. В карте RIGID определяются следующие параметры: RO - массовая плотность; E - модуль Юнга; PR - коэффициент Пуассона; CMO - опция ограничения на центр масс; CON1 - ограничения на перемещение; CON2 - ограничения на вращение (табл. 19). Таблица 19 Параметры модуля RIGID MID RO E PR N COUPLE 1000001 7.850e-06 200.0 0.3 0.0 0 M CMO CON1 CON2 0.0 1.0 5 5 Когезивные свойства слоистых материалов задавали через свойство MAT_COHESIVE_ MIXED_MODE (табл. 20). Таблица 20 Параметры модуля MAT_COHESIVE_MIXED_MODE MID RO ROFLG INTFAIL EN ET GIC 138 1.000E-07 1.0 1.0 40.0 40.0 4.300E-04 GIIC XMU T S UND UTD GAMMA 4.300E-04 1 0.02 0.02 0.0 0.0 1.0 Свойство разрушения слоистых материалов описывается через ортотропное описание разрушения, т.е. с учетом двунаправленных основных свойств, через функцию MAT_ ORTHOTROPIC_ SIMPLIFIED_DAMAGE (рис. 4). Карты KEYWORD, PART, SECTION, SET, TITLE создаются автоматически. В итоге была создана симуляция сверления слоистого материала на основе принятых параметров (рис. 5). Элементы интерфейса режима симуляции - на рис. 6. Постпроцессорная обработка, которая идет за стадиями препроцессорной проработки и получения решения, дает возможность обратиться к результатам решения и интерпретировать их определенным образом, используя набор команд и возможности интерфейса. Как видно из рис. 7, при сверлении отверстия образуется стружка, кинематику которой программа производит в процессе воспроизведения симуляции. Результаты решения задач механики в LS-DYNA включают выходные значения информационных характеристик процессов перемещений, напряжений, деформаций, энергии и др. Например, вывели графики максимального напряжения в заготовке в области резания в зависимости от времени (рис. 8), а также растровую диаграмму зависимости деформации от времени (рис. 9). Результатом работы программы может быть как графическое, так и табличное представление результатов расчета. Программа LS-DYNA позволяет создать анимацию процесса, что позволяет более подробно изучить процесс. Во время выполнения решения результаты сохраняются в базе данных. Кроме того, средства графического отображения информации включают векторное представление, эпюры по выбранному сечению и др. Рис. 4. Математическое описание разрушения (MAT_ ORTHOTROPIC_SIMPLIFIED_DAMAGE) Рис. 5. Результат моделирования процесса сверления слоистого материала Рис. 6. Режим симуляции процесса сверления Рис. 7. Образование стружки при сверлении слоистого материала Рис. 8. Графики зависимости максимального напряжения (MПa) от времени (c) Рис. 9. Диаграммы деформации по различным осям Необходимо отметить, что на ЭВМ с характеристиками: процессор Intel Core i5 4´2,5 ГГц, Ram 8096 Мб расчет занимал 1,7 сут, поэтому симуляцию необходимо выполнять в специализированном вычислительном центре с более быстродействующими ЭВМ, при этом расчет одного режима займет менее 1 сут. Таким образом, решена и методически описана сложная связанная задача моделирования динамического процесса сверления слоистых материалов.

About the authors

A. S Dudarev

Perm National Research Polytechnic University

M. V Ilyushkin

PC “Ulyanovsk NIAT”

I. F Nikolaev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 266

PDF (Russian) - 89

Refbacks

• There are currently no refbacks.