Mô phỏng số quá trình tạo hình chi tiết ống dạng chữ thập trong công nghệ dập áp lực cao bên trong bằng phần mềm ANSYS

Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học Mô số trình Tạo hình chi tiết ống dạng chữ thập công nghệ dập áp lực cao bên phần mềm ansys Nguyễn Xuân Tr-ờng Hà Nội 2005 Bộ giáo dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học Mô số trình Tạo hình chi tiết ống dạng chữ thập công nghệ dập áp lực cao bên phần mềm ansys Ngành: Công Nghệ Cơ khí Mà số: 04.01 Học viên cao học: Nguyễn Xuân Tr-ờng H-ớng dẫn khoa học: TS Đào Minh Ngừng Hà Nội 11/2005 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tôi, kết nghiên cứu luận án hoàn toàn trung thực ch-a đ-ợc công bố công trình khoa học Tác giả Nguyễn Xuân Tr-ờng Lời cảm ơn Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ giáo dục Đào tạo, Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Đào tạo Bồi d-ỡng Sau đại học, Khoa khoa học công nghệ vật liệu, Khoa khí đà tạo điều kiện thuận lợi, động viên, khích lệ tác giả trình học tập nh- thực công trình nghiên cứu Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn TS Đào Minh Ngừng đà tận tình h-ớng dẫn PGS TS Nguyễn Trọng Giảng, TS Nguyễn Đắc Trung đà cho ý kiến quý giá giúp hoàn thành luận văn này! Tôi xin bầy tỏ cảm ơn tới thầy giáo Hội đồng bảo vệ Luận văn cao học đà giành thời gian đọc kỹ luận văn cho ý kiến đóng góp bổ ích Nhân xin chân thành cảm ơn gia đình, tr-ờng Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội, bạn đồng nghiệp đà giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu tr-ờng Đại học Bách khoa Hµ Néi Mơc lơc néi dung Tr Lêi nãi đầu Bảng số ký hiệu quy -ớc viết tắt Ch-ơng I Tổng quan công nghệ dập áp lực cao bên mô số trình tạo hình 1.1 Giới thiệu công nghệ THF 1.2 Mô số trình biến dạng 1.2.1 Giới thiệu chung mô số trình biến dạng 1.2.2 Ph-ơng pháp luận phần tử hữu hạn (Finite Element Method -FEM) 12 1.2.3 Điều kiện ban đầu phần tử mô FE 16 1.3 Các dạng phế phẩm công nghệ THF 19 1.3.1 Hiện t-ợng cong ống 19 1.3.2 Nhăn ống 20 1.3.3 Vì èng 21 1.3.4 BiÕn máng qu¸ møc 21 1.4 Điều khiển áp lực hành trình mô 22 1.5 Kết nhận đ-ợc mô 23 1.6 Một số ph-ơng pháp áp dụng kỹ thuật mô 24 1.6.1 Ph-ơng pháp thích nghi 24 1.6.2 Ph-ơng pháp tối -u toán học 26 Ch-ơng II Nghiên cứu thông số trình THF 30 2.1 Các ph-ơng trình trình THF giới hạn chóng 30 2.1.1TÝnh to¸n ¸p lùc 30 2.1.2 Lực đóng khuôn 36 2.1.3 Lực dọc trục 38 2.1.4 Tính toán lực đối áp 39 2.2 Nghiên cứu trình biến mỏng 39 2.3 Các sản phẩm khí đ-ợc chế tạo công nghệ THF 42 2.4 Kết luận 42 Ch-ơng III Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS mô số 43 trình biến d¹ng lín 3.1 Giíi thiƯu chung vỊ ANSYS 43 3.2 KÕt cÊu phÇn mỊm ANSYS 45 3.2.1 TiỊn xư lý (Preprocessing) 45 3.2.2 Mô đun giải (solution) 67 3.2.3 Mô đun hậu xử lý (Post processing) 69 3.3 Khả ứng dụng ANSYS mô số trình biến 70 dạng lớn 3.4 Kết luận 71 Ch-ơng IV Kết mô công nghệ THF phần mềm ANSYS chi tiết ống chữ thập 4.1 Bài toán 72 4.1.1 Các thông số kích th-ớc hình học 72 4.1.2 Các thông số vật liệu 72 4.2 Xây dựng mô hình 73 4.2.1 Xác định kiểu phần tử thuộc tính vật liệu 73 4.2.2 Chia l-ới phần tử hữu hạn 78 4.2.3 Xác định cặp tiếp xúc phần tử tiếp xúc 79 4.3 Đặt tải giải toán 82 4.4 Các kết 83 4.5 Kết luận 95 Kết luận kiến nghị 97 Phụ lục Một số hình ảnh sản phẩm, máy móc, thiết bị, công nghệ 98 tạo hình THF Tài liệu tham khảo 102 Lời nói đầu Sự phát triển ngành công nghiệp ô tô, xe máy hàng không giới nh- n-ớc đòi hỏi cần áp dụng công nghệ tiên tiến để tăng sức cạnh tranh thị tr-ờng Tạo hình áp lực cao bên (THF) ph-ơng pháp công nghệ đ-ợc nghiên cứu ứng dụng phát triển mạnh n-ớc công nghiệp phát triển giới THF có -u điểm trội so với ph-ơng pháp chế tạo khác nh-: 1) nhiều chi tiết sau gia công hàn lại với đ-ợc thay chi tiết vững chắc; 2) giảm mạnh khối l-ợng chi tiết; 3)đảm bảo độ bền độ cứng chi tiết; 4) giảm giá thành dụng cụ; 5) loại bỏ đ-ợc số nguyên công hàn tạo lỗ sản phẩm Vì việc nghiên cứu tối -u thông số công nghệ trình THF phục vụ áp dụng vào thực tiễn sản xuất n-ớc quan trọng Khi điều kiện kỹ thuật trang thiết bị công nghệ ch-a phát triển việc tối -u hoá công nghệ thực theo đ-ờng đơn giản, thử huỷ, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm nhằm rút ngắn quy trình công nghệ, tiết kiệm nhân lực, vật t- để tạo đ-ợc sản phẩm chất l-ợng cao, giá thành hạ Cách làm đà đáp ứng đ-ợc phần công việc, nh-ng lạc hậu, ch-a đáp ứng đ-ợc yêu cầu sản xuất đại Trong điều kiện phát triển mạnh mẽ có tính chất liên nghành khoa học kỹ thuật, đặc biệt công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, công nghệ tự động hoá với đời ph-ơng pháp tính hiệu nh- phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, ngày nhà công nghệ đà giải toán tối -u qúa trình công nghệ cách thuận lợi, nhanh chóng, xác ph-ơng pháp mô số máy tính (Công nghệ ảo) Ph-ơng pháp mô số THF bắt đầu xuất từ năm 80 kỷ tr-ớc, giai đoạn đầu ph-ơng pháp náy ch-a đ-ợc áp dụng rộng rÃi hạn chế lực tính toán thiết bị nh- ph-ơng pháp tính toán Mặc dù giúp cho nhà công nghệ có nhìn tổng quan, đ-a phán đoán công nghệ có tính chất định nhằm tối -u hoá trình công nghệ Nhờ có -u điểm bật mà ngày ph-ơng pháp mô số đ-ợc ứng dụng rộng rÃi ngành công nghiệp n-ớc, đặc bịêt n-ớc có công nghiệp phát triển nhĐức, Mỹ, Nhật, Anh, Pháp Mô số đời nói b-ớc đột phá tối -u hoá công nghệ đ-ợc -u tiên nghiên cứu phát triển theo h-ớng phát triển công nghệ cao, công nghệ t-ơng lai nhằm thay dần ph-ơng pháp công nghệ cổ điển truyền thống, trở thành công cụ thiếu thiết kế tối -u công nghệ phục vụ sản xuất nh- công tác nghiên cứu Hiện Việt Nam việc nghiên cứu tối -u công nghệ, thiết bị áp dụng ph-ơng pháp mô số vào trình tạo hình áp lực cao bên ứng dụng cho ngành công nghiệp ô tô ,xe máy, hàng không b-ớc cần thiết để phát triển sản xuất, tăng tính cạnh tranh, thu hẹp khoảng cách phát triển với nước khu vực Chính đề tài Mô số trình tạo hình chi tiết ống dạng chữ thập từ phôi ống công nghệ dập áp lực cao bên THF phần mềm ANSYS có tính thời cao tính khả thi lớn góp phần vào việc tối -u hoá công nghệ Luận án trình bày số kết nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS mô số để tối -u hoá công nghệ tạo hình vật liệu nói chung công nghệ THF nói riêng Kết nghiên cứu đ-ợc áp dụng mô trình chế chi tiết ống chữ thập, với mục đích tối -u hoá trình tạo hình đ-a biểu đồ thông số phục vụ trình điều khiển s¶n xt Ký hiƯu quy -íc STT Ký hiÖu Pi 10 11 12 13 Fc Fa Ft L to t Rtr Rng r1 r2 K áp lực cao bên Lực đóng khuôn Lực dọc trục Lực đối áp Chiều dài ống Chiều dày ban đầu ống Chiều dày sản phẩm Bán kính ống Bán kính ống Bán kính cong ống mặt kinh tuyến Bán kính cong ống mặt vuông góc với trục Ma trËn ®é cøng  øng st h-íng kÝnh 14  øng st h-íng tang (øng st gi·n ph×nh) 15 z 16 ứng suất h-ớng trục (kéo dài) Giới hạn chảy vật liệu 17 Biến dạng h-ớng kính 18 Biến dạng h-ớng tang (Biến dạng giÃn phình) 19 z u M F P n f(p) THF IHPF 20 21 22 23 24 25 26 27 Tªn gäi Biến dạng h-ớng trục (kéo dài) Véc tơ chuyển dịch nút Ma trận khối Véc tơ nội lực nút Véc tơ ngoại lực nút Chỉ số biến cứng Hàm mơc tiªu Tube Hydro Forming Internal High Presure Forming 88 Hình 44: Biến dạng phôi ống ứng cho lần đặt tải thứ Hình 44 chiều cao nhánh phụ ch-a đạt yêu cầu ban đầu toán Do ta cần phải tiếp tục tăng áp lực thêm 4.4.6 Lần đặt tải thứ - áp lực đặt vào lòng ống: Pi = 3e8 N/m2 - ¸p lùc däc trơc: Pa= 2,5e8 N/m2 - Hệ số ma sát: 0.001 - Thời gian tải: t = 8s - Sè b-íc t¶i:150 - Sè b-íc tải tối đa: 240 - Số b-ớc tải tối thiểu: 50 Sau thời gian tính toán 25h cho kết nh- sau: 89 Hình 45: Chuyển vị tổng phôi ống cho lần đặt tải thứ (Chiều cao nhánh phụ 5,661mm) Kết mô hình 45 độ cao nhánh phụ ch-a đạt yêu cầu.Ta tiếp tục tăng áp lực Pi áp lực dọc trục Pa 4.4.7 Lần đặt tải thứ - áp lực đặt vào lòng ống: Pi = 5e8 N/m2 - ¸p lùc däc trơc: Pa= 4.5e8 N/m2 - Hệ số ma sát: 0.001 - Thời gian tải: t = 8s - Sè b-íc t¶i:150 - Sè b-íc tải tối đa: 240 - Số b-ớc tải tối thiểu: 50 Sau thời gian tính toán 33h cho kết nh- sau: 90 Hình 46: Chuyển vị tổng phôi ống ứng với lần đặt tải thứ (Chiều cao nhánh phụ: 9,187mm) Nhận xét: Phôi ống ch-a biến dạng đạt yêu cầu, mặt khác tác giả đặt chuyển vị đáy khuôn cố định phần khác khuôn biến dạng đàn hồi nên trình tính toán Ansys phải tính biến dạng khuôn kéo dài thời gian chạy tải (Mặc dù kết phản ánh thực tế hơn) Do để biến dạng phôi ống đạt yêu cầu, đồng thời rút ngắn thời gian tính, tác giả tiếp tục tăng áp lực Pi lực dọc trục Pa, đặt chuyển vị lòng khuôn cố định (all DOF = 0) 4.4.8 Lần đặt tải thứ - áp lực đặt vào lòng ống: Pi = 1e9 N/m2 - ¸p lùc däc trơc: Pa= 9e8 N/m2 - Hệ số ma sát: 0.001 - Thời gian tải: t = 8s - Sè b-íc t¶i:150, Sè b-íc t¶i tối đa: 240, Số b-ớc tải tối thiểu: 50 91 Sau 34h tính toán cho toán đ-ợc kết nh- sau: Hình 47: Chuyển vị l-ới phôi ống ứng với lần đặt tải thứ Hình 48: Chuyển vị tổng phôi ống ứng với lần đặt tải thứ (Chiều cao nhánh phụ 17,21mm) 92 Nhận xét: Ta thấy lần đặt tải thứ l-ợng biến dạng tổng 0,01721m (1,721cm) ch-a đạt yêu cầu đặt toán 0,02m (2cm) Do ta cần phải đặt thêm tải cho toán 4.4.9 Lần đặt tải thứ - áp lực đặt vào lòng ống: Pi = 1,2e9 N/m2 - áp lực däc trơc: Pa= 1e8 N/m2 - HƯ sè ma s¸t: 0.001 - Thêi gian t¶i: t = 8s - Sè b-ớc tải:150 - Số b-ớc tải tối đa: 240 - Số b-ớc tải tối thiểu: 50 Sau 35h tính toán cho toán đ-ợc kết nh- sau: Hình 49: Chuyển vị l-ới 93 Hình 50: ứng suất t-ơng đ-ơng Von - Mises Hình 51: Tr-ờng véc tơ chuyển vị 94 Hình 52: Chuyển vị tổng phôi ống ứng với lần đặt tải thứ (Chiều cao nhánh phụ 21,3mm) 95 Hình 53: Chuyển vị dọc trục phôi ống ứng với lần đặt tải thứ (Hình trình pít tông dọc trục) 4.5 Kết luận Từ hình 50 ta có ứng suất t-ơng đ-ơng Von Mises lín nhÊt lµ: VMmax = 0,412e9 Pa (412 N/m2) øng suất tập trung chỗ có bán kính l-ợn R10 hợp lý, bời chỗ diện tích tiếp xúc nhỏ nên gây t-ợng tập trung ứng suất Vùng có ứng suất lớn đầu nhánh phụ, vùng có tốc độ biến dạng lớn (VM 300 N/m2) Từ hình 54 ta thấy chuyển vị tổng hay chiều cao ống phụ 0,0213m (2,13cm) đà đạt yêu cầu đặt toán 0,02m (2cm) Hình 53 cho thấy chuyển vị dọc trục UZ 0,0066m (6,6 mm), hành trình cần thiết xy lanh dọc trục áp dụng sản xuất thật Hơn ta thấy mô hình sản phẩm ống chữ thập 96 t-ợng nhăn ống hay rách ống, toán mô tạo hình ống chữ thập công nghệ THF đến đà hoàn thành Kết hợp kết khoảng 10 lần tăng áp lực Pi áp lực dọc trục Pa ta có đồ thị biểu diễn môi quan hệ chuyển vị vào áp lực Pi nh- h×nh 54 25 Biến dạng tổng (mm) 20 15 10 06 +07 +07 +07 +07 +08 +08 +08 +08 +09 +09 + E E E E E E E E E E E 00 50 00 00 00 40 00 00 00 00 20 3 1 Áp lực Pi (N/m2) H×nh 54: Mèi quan hệ chuyển vị vào áp lực Pi Nh- để tạo hình thành công chi tiết dạng ống chữ thập theo yêu cầu toán đặt ta cần tăng áp lực Pi tới giá trị Pimax = 1,2.109 N/m2, đồng thời phải tăng áp l-c lực dọc trục Pa tới giá trị Pamax = 1.109N/m2 Ngoài ra, trình biến dạng tạo hình hành trình pít tông dọc trục tuân theo kết hình 53 97 Kết luận kiến nghị Luận án đà trình bày tóm tắt nội dung sau: 1> Luận văn đà nghiên cứu tổng quan công nghệ dập áp lực cao bên mô số trình tạo hình nh-: quy trình công nghệ THF, kỹ thuật mô phỏng, -u điểm mô số việc giảm thiểu chi phí sản xuất, thời gian 2> Kết nghiên cứu sở lý thuyết công nghệ, ảnh h-ởng thông số công nghệ đến trình tạo hình công nghệ THF nh- áp lực cao bên trong, lực đóng khuôn, lực dọc trục, lực đối áp, loại sản phẩm chế tạo công nghệ dập áp lực cao bên THF 3> Kết nghiên cứu phần mềm ANSYS bao gồm giới thiệu chung phần mềm ANSYS, mô đun phần mỊm nh- tiỊn xư lý (Preprocessing), xư lý (solution) vµ hậu xử lý (Postprocessing), quy trình làm toán mô phần mềm ANSYS 4> Luận văn đà trình bày kết mô toán tạo hình ống nối chữ thập công nghệ THF dựa phần mền ANSYS Kết mô đà cung cấp cho thông số cần thiết để áp dụng vào thực tế sản xuất nh- áp lực Pi, lực dọc trục Pa, hệ số ma sát, hành trình pít tông dọc trục, l-ợng biến dạng (chuyển vị tổng), nêu lên vấn đề cần quan tâm tiến hành mô số trình biến dạng lớn phần mềm ANSYS Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu ứng dụng phần mềm giải số vấn đề công nghệ cụ thể, tác giả đà gặp số khó khăn việc mở rộng phạm vi ứng dụng ANSYS toán biến dạng lớn, toán nhiệt đặc biệt toán t-ờng minh áp dụng cho mô hình vật liệu dị h-ớng, mô hình toán động Do điều kiện sở vật chất, thời gian có hạn nên tác giả ch-a thể giải đ-ợc cách triệt để khó khăn đà nêu Tác giả mong nhận đ-ợc ý kiến đóng góp thầy giáo, bạn đọc giả để mở rộng phạm vi nghiên cứu sau 98 Phụ lục MộT Số hình ảnh sản phẩm, máy móc, thiết bị công nghệ tạo hình THF Các chi tiết khung xe chế tạo băng công nghệ thf Hình 55: Các chi tiết khung xe ô tô Hình 56: Trục truyền động động ô tô (trục khuỷu, trục cam) 99 Hình 57: Các chi tiết ống xả khí ống nối khí ô tô Hình 58: Các chi tiết khớp nối khác 100 Hình 59: Các chi tiết khớp nối khác 101 Hình 60: Một số sản phẩm đề tài KC 05.19 102 Tài liệu tham khảo [1] Đào Minh Ngừng Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài Nghiên cứu công nghệ tạo hình áp lực cao bên để chế tạo chi tiết phức tạp khí ô tô, xe máy xe đạp Hà Nội 2005 [2] Nguyễn Trọng Giảng Thuộc tính học vật rắn Đại học Bách Khoa Hµ Néi, 1998 [3] Ngun TÊt TiÕn Lý thut biÕn dạng dẻo Hà Nội 2004 [4] Phạm Văn nghệ Công nghệ tạo hình áp lực cao bên Hà Nội 2003 [5] Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Trọng Giảng ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà nội, 2003 [6] Nguyễn Văn Phái, Tr-ơng Tích Thiện, Nguyễn T-ờng Long, Nguyễn Định Giang Giải toán kỹ thuật ch-ơng trình ANSYS, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2003 [7] Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung, Nguyễn Tuấn Minh Mô số trình ép chảy ng-ợc chế tạo bình chứa khí công nghiệp Hội nghị toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ bảy, 2004 [8] Phạm Văn Nghệ, Nguyễn Đắc Trung, Trần Việt Thắng, Nguyễn Anh Tuấn Mô số trình dập thủy chi tiết đối xứng trục Hội nghị toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ bảy, 2004 Các trang web đà tham khảo [9] Website: http://www.matweb.com [10] Website: http://www.thf.net [11] Website: http://www.worldspec.com ... tài Mô số trình tạo hình chi tiết ống dạng chữ thập từ phôi ống công nghệ dập áp lực cao bên THF phần mềm ANSYS có tính thời cao tính khả thi lớn góp phần vào việc tối -u hoá công nghệ Luận án trình. .. dục đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hµ néi - luận văn thạc sĩ khoa học Mô số trình Tạo hình chi tiết ống dạng chữ thập công nghệ dập áp lực cao bên phần mềm ansys Ngành: Công Nghệ. .. mô số qúa trình tạo hình công nghệ dập áp lực cao bên trongTHF (xem bảng 1) Ansys phần mềm mô phổ biến Việt Nam Ansys hoàn toàn có khả ? ?áp ứng yêu cầu nhà công nghệ việc tối -u hoá thông số công