Thiết kế Bolster (Đệm khuụn)

57

Là một bộ phận bằng thộp hợp kim hỡnh đĩa được gia cụng cứng, cú đường kớnh bằng đường kớnh ỏo khuụn. Đệm khuụn hỗ trợ khuụn và khuụn phụ và nhằm giảm thiểu độ vờnh lệch. Đệm phụ (Sub-boster) tương tự như đệm khuụn.

58

Chương 4. Mễ PHỎNG QUÁ TRèNH TẠO SẢN PHẨM 4.1.Khỏi quỏt chung về mụ phỏng số

Trong nền cụng nghiệp sản xuất truyền thống, quỏ trỡnh đưa từ bản vẽ thiết kế cụng nghệ vào sản xuất tạo ra sản phẩm thường gặp rất nhiều khú khăn. Trờn thực tế để chế tạo được một sản phẩm thỡ sau khi thiết kế phải tiến hành sản xuất thử nghiệm. Việc sản xuất thử chiếm rất nhiều thời gian và chi phớ lớn vỡ cỏc ý tưởng thiết kế trờn bản vẽ khụng thể đỳng ngay ở lần đầu tiờn. Khi tiến hành sản xuất thử mới phỏt hiện ra những sai sút, những điều khụng hợp lý trong khõu thiết kế và tiến hành khắc phục. Việc chế tạo thử trờn mẫu thật sẽ rất tốn kộm, chớnh vỡ vậy người ta nghĩ ra cỏch để giảm chi phớ trong việc chế tạo thử và cỏc phương phỏp mụ phỏng ra đời nhằm phục vụ cho mục đớch trờn.

Trước đõy, phương phỏp mụ phỏng được ỏp dụng chủ yếu là phương phỏp mụ phỏng vật lý. Phương phỏp này được tiến hành dựa trờn những mẫu cú tỉ lệ tương tự như những mẫu thật nhưng cú kớch thước nhỏ hơn. Vật liệu được dựng trong phương phỏp này chủ yến là sỏp hoặc plastic. Khuụn mụ phỏng vật lý cú thể làm bằng nhụm, thậm chớ bằng gỗ. Để phương phỏp mụ phỏng được chớnh xỏc thỡ mụ hỡnh vật liệu thử nghiệm phải chọn sao cho chỳng cú thuộc tớnh chảy tương tự như vật liệu thử nghiệm phải chọn sao cho chỳng cú thuộc tớnh chảy tương tự như vật liệu thực trong một khoảng thời gian rộng và cú cỏc thụng số cơ bản điều chỉnh được. Phương phỏp này cú ưu điểm là cú thể mụ phỏng gần giống với quỏ trỡnh xảy ra trờn phụi thuwcjc, Tuy nhiờn, nhược điểm của phương phỏp này là chỉ giỳp chỳng ta cú được những đỏnh giỏ định hướng về phõn bố dũng chảy của kim loại trong quỏ trỡnh gia cụng mà khụng cho phộp tớnh toỏn chớnh xỏc trạng thỏi ứng suất và biến dạng trong quỏ trỡnh.

Ngày nay, cựng với sự phỏt triển của khoa học, đặc biệt là sự phỏt triển của ngành cụng nghệ thụng tin, nhiều cụng nghệ mới được ra đời giỳp ta cú thể chớnh xỏc hơn trạng thỏi ứng suất và biến dạng trong cỏc quỏ trỡnh cụng nghệ trong cỏc ngành cơ khớ. Khỏc với mụ phỏng vật lý, mụ phỏng số được thực hiện bằng nhiều phương phỏp tớnh toỏn khỏc nhau như: phương phỏp phần tử hữu hạn, sai phõn hữu

59

hạn, biến phõn… Mỗi phương phỏp tớnh toỏn đều cú những mặt mạnh riờng nhưng ỏp dụng phổ biến nhất để khảo sỏt cỏc bài toỏn cơ học núi chung và cỏc bài toỏn biến dạng núi riờng là phương phỏp phần tử hữu hạn.

Khi thực hiện mụ phỏng số, cỏc giai đoạn thiết kế, hiệu chỉnh thiết kế được thực hiện trờn mỏy tớnh. Xuất phỏt từ ý tưởng sản phẩm mẫu, mụ hỡnh của sản phẩm được dựng trờn mỏy tớnh, sau đú việc hiệu chỉnh cụng nghệ được thực hiện trực tiếp thụng qua giao diện người và mỏy nhằm tối ưu húa cụng nghệ nờn đó giảm đỏng kể thời gian và chi phớ cho việc chế thử và hiệu chỉnh. Ngoài ra mụ phỏng số cũn gúp phần nõng cao chất lượng sản phẩm và cho phộp ứng dụng với cỏc vật liệu mới.

Hiện nay cú nhiều phần mềm chuyờn dụng mụ phỏng số nhằm tối ưu húa cụng nghệ tạo hỡnh như PAM STAMP, AUTOFORM, ANSYS, LS DYNA… Khả năng ứng dụng của cỏc phần mềm này hết sức đa dạng và được ứng dụng nhằm phõn tớch cỏc bài toỏn đàn hồi hay cỏc bài toỏn biến dạng dẻo. Một trong số những phần mềm được ứng dụng rộng rói trong việc tớnh toỏn trạng thỏi ứng suất và biến dạng trong quỏ trỡnh gia cụng cơ là phần mềm ANSYS.

4.2.Nghiờn cứu ứng dụng phần mềm ANSYS vào mụ phỏng số

ANSYS là một phần mềm cụng nghiệp, sử dụng phương phỏp phần tử hữu hạn (FEM) để phõn tớch cỏc bài toỏn Vật lý – cơ học, chuyển cỏc phương trỡnh vi phõn, phương trỡnh đạo hàm riờng từ dạng giải tớch về dạng số, sử dụng phương phỏp rời rạc húa và gần đỳng để giải cỏc bài toỏn trờn. Nhờ sử dụng phương phỏp phần tử hữu hạn, cỏc bài toỏn kỹ thuật được mụ hỡnh húa và mụ phỏng toỏn học, cho phộp lý giải trạng thỏi bờn trong của vật thể như thật, khi chịu một tỏc động bờn ngoài. Phần mềm này cú thể giải cỏc bài toỏn đàn hồi, đàn dẻo cho cỏc kết cấu, biến dạng dẻo nhớt, bài toỏn tiếp xỳc, bài toỏn nhiệt, bài toỏn dũng chảy chất lỏng nộn được và chất lỏng khụng nộn được. Ngoài ra, chương trỡnh cú thể tớnh cho cỏc vật liệu từ…

ANSYS là một chương trỡnh mạnh, dung để tớnh cho cỏc phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải cỏc bài toỏn đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn hồi dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt. Mỗi loại vật liệu được đưa thành một mụ hỡnh vật liệu ứng với một thuật toỏn. Để giải một bài toỏn cụ thể, cần đưa cỏc điều kiện biờn cho mụ hỡnh

60

hỡnh học. Cỏc tỏc động được đưa vào là lực, chuyển vị, nhiệt độ… Chương trỡnh cho kết quả dưới dạng đồ họa, trường ứng suất và biến dạng được đưa ra dưới dạng ảnh đồ phõn bố trường, cho phộp quan sỏt và nhận biết được trường phõn bố của cỏc giỏ trị vật lý nghiờn cứu. Chương trỡnh cú cỏc tiện ớch, giỳp người tớnh toỏn thiết kế nhanh chúng thực hiện cỏc nội dung nghiờn cứu. Đồng thời, cho phộp lien kết với một số chương trỡnh phần mềm khỏc. Đối với chương trỡnh ANSYS, khi giải một bài toỏn ta cú thể thực hiện trực tiếp trờn màn hỡnh đồ họa ANSYS hoặc bằng lệnh của ANSYS. Ngoài ra khi xõy dựng mụ hỡnh hỡnh học ta cú thể thực hiện nhập mụ hỡnh từ một chương trỡnh khỏc.

Phần mềm ANSYS cú cỏc mụ đun sản phẩm riờng biệt sau: ANSYS/Multiphysics, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Professional, ANSYS/Structural, ANSYS/LS-DYNA, ANSYS/LinearPlus, ANSYS/Thermal, ANSYS/Emag, ANSYS/FLOTRAN, ANSYS/PrepPost. ANSYS CFX, ANSYS PTD, ANSYS TASPCB, ANSYS ICEM CFD,

4.3.Cỏc bước tiến hành mụ phỏng số trong Ansys

Cấu trỳc của phần mềm ANSYS gồm 3 mụ đun lớn:

- Tiền xử lý (preprocessing): mụ đun này cho phộp tiến hành cỏc bước như xõy dựng mụ hỡnh cho phụi, chày cối, chọn kiểu phần tử, chọn mụ hỡnh, vật liệu, chia lưới và điều khiển lưới, xỏc định kiểu tiếp xỳc, cặp tiếp xỳc.

61

- Giải bài toỏn/ xử lý (solution/ Analysis): Trong mụ đun này, ta tiến hành đặt điều kiện biờn và giải.

- Hậu xử lý (Postprocessing): Lấy và phõn tớch kết quả ở dạng tổng quỏt, phõn bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị..

 Mụ đun tiền xử lý:

Tiền xử lý là mụ đun đầu vào bao gồm: - Xõy dựng mụ hỡnh hỡnh học

- Định kiểu phần tử

- Lựa chọn mụ hỡnh vật liệu - Chia lưới phần tử hữu hạn -Xõy dựng bài toỏn tiếp xỳc  Mụ đun giải:

Mụ đun này cho phộp xỏc định cỏc loại tải trọng cũng như cỏc điều kiện biờn cú thể ỏp đặt vào mụ hỡnh. Cỏc điều kiện biờn này được suy ra từ điều kiện chịu tải của vật thể trong thực tế.

- Đối với bài toỏn phõn tớch cấu trỳc, tải cú thể là: chuyển vị theo cỏc phương, lực tỏc dụng theo cỏc phương (bao gồm lực khối, lực mặt), ỏp suất, nhiệt độ (cho trường hợp biến dạng nhiệt) và gia tốc trọng trường.

- Đối với bài toỏn nhiệt, tải cú thể là: nhiệt độ, tốc độ truyền nhiệt, nhiệt đối lưu…

- Đối với bài toỏn từ, tải được hiểu là: dũng từ, thế từ…

- Đối với bài toỏn điện, tải được hiểu là: Hiệu điện thế, cường độ dũng điện.. - Đối với bài toỏn dũng chảy, tải cú thể là: vận tốc dũng chảy, ỏp suất dũng.

Tải trọng ỏp đặt vào mụ hỡnh trong ANSYS được chia thành một số dạng cơ bản: ràng buộc cỏc bậc tự do (DOF constrains), lực (được coi là lực tập trung), lực bề mặt, lực khối, lực quỏn tớnh, và tải trọng dạng hỗn hợp couple-field.

Trong bài toỏn kết cấu, điều kiện ràng buộc cỏc bậc tự do cú thể là sự hạn chế những chuyển vị xỏc định hoặc điều kiện biờn đối xứng, đú là ràng buộc về

62

nhiệt độ trong bài toỏn nhiệt, đú là điều kiện về dũng chảy trong bài toỏn phõn tớch dũng chảy.

Giỏ trị lực được coi là lực tập trung đặt vào cỏc nỳt trờn mụ hỡnh. Đú là lực hoặc mụ men trong bài toỏn phõn tớch cấu trỳc, tốc độ dũng nhiệt trong bài toỏn nhiệt. Lực quỏn tớnh cú thể là gia tốc trọng trường, vận tốc gúc, gia tốc gúc. Tải trọng dạng coupled- field là trường hợp đặc biệt của cỏc dạng tải trọng nờu trờn, trong đú kết quả của dạng phõn tớch này cú thể sử dụng làm tải trọng cho dạng phõn tớch khỏc. Vớ dụ cú thể sử dụng kết quả tớnh toỏn lực từ thúa trong bài toỏn từ như là lực bề mặt trong phõn tớch cấu trỳc.

Tải trọng và điều kiện biờn trong ANSYS cú thể đặt trờn mụ hỡnh khối solid (trờn cỏc keypoint, đường, mặt) hoặc cú thể đặt trờn mụ hỡnh phần tử hữu hạn (trờn nỳt hoặc trờn phần tử).

Đặt tải trờn mụ hỡnh khối cú những thuận lợi sau đõy: - Cú thể thay đổi lưới phần tử mà khụng cần phải đặt lại tải

- Thuận lợi hơn vỡ mụ hỡnh khối bao gồm ớt thực tế hơn mụ hỡnh phần tử hữu hạn, do vậy việc lựa chọn cỏc thực thể và đặt lực dễ dàng hơn, đặc biệt là khi dựng giao diện đồ họa.

Tuy nhiờn cũng cú một số điểm khụng thuận lợi sau:

- Hệ tọa độ và hướng tỏc dụng lực giữa mụ hỡnh khối và mụ hỡnh phần tử hữu hạn khụng giống nhau.

- Khụng thuận tiện trong thao tỏc chuyển đổi dữ liệu phõn tớch. - Đặt ràng buộc trờn keypoint rất khú khăn, yờu cầu sự khộo lộo.  Mụ dun hậu xử lý:

Hậu xử lý là khõu rất quan trọng trong bước phõn tớch bài toỏn, bởi vỡ sau khi tớnh toỏn mụ phỏng cần phải biết cỏc kết quả tớnh toỏn cú phự hợp với thực tế hay khụng. Trường phõn bố ứng suất biến dạng trong vật thể phõn bố ra sao? Mụ hỡnh lưới phần tử hữu hạn đó tối ưu hay chưa?

63 Xây dựng mô hình hình học cho dụng cụ và phôi Chia l-ới phần tử cho dụng cụ và phôi

Xây dựng mô hình vật liệu, mô hình tiếp xúc và các điều kiện

biên

Mô phỏng quá trình tạo hình nhờ tính toán PTHH Kết thúc quá trình Đánh giá kết quả mô phỏng Cập nhập mô hình hình học Chia l-ới phần tử

Thay đổi các điều kiện biên

Hỡnh 4.1. Cỏc bước giải bài toỏn bằng phần mềm ANSYS Bước 1: Xõy dựng mụ hỡnh, cỏc lệnh trong tiền xử lý Preprocessor.

Bước này sẽ tạo ra mụ hỡnh phần tử hữu hạn bằng cỏch xõy dựng mụ hỡnh thực rồi rời rạc húa mụ hỡnh đú để tạo được mụ hỡnh phần tử hữu hạn. Cụ thể bao gồm một số bước sau: chọn kiểu bài toỏn, định nghĩa kiểu phần tử, định nghĩa cỏc thụng số hỡnh học của mỗi phần tử, gỏn thuộc tớnh vật liệu, xõy dựng mụ hỡnh hỡnh học, chia lưới theo yờu cầu, tạo cặp và đặt điều kiện tiếp xỳc…

64

- Xõy dựng mụ hỡnh hỡnh học:

Dựng mụ hỡnh hỡnh học trong Ansys cú thể theo hai khả năng: xõy dựng trực tiếp, xõy dựng giỏn tiếp.

Phương phỏp thứ nhất là cú thể dựng trực tiếp mụ hỡnh hỡnh học trờn giao diện đồ họa của phần mềm mụ phỏng thụng qua cỏc lệnh dựng mụ hỡnh.

Phương phỏp thứ hai là xõy dựng mụ hỡnh từ những phần mềm thiết kế mạnh như Pro-engineer, Catia, Solidwork rồi liờn kết với Ansys để đưa mụ hỡnh hỡnh học vào.

- Phần tử:

Ansys cung cấp cho người dung thư viện phần tử với nhiều loại phần tử khỏc nhau. Cỏc loại phần tử dung trong bài toỏn kết cấu như phần tử thanh: LINK1, LINK8, LINK180…, phần tử dầm: beam3, beam 54, beam23…, phần tử phẳng 2D, Plane42, plane82…, phần tử khối 3D: Solid95, solid 185…, phần tử toỏn kộp: plane13, solid98, fliud29…; phần tử dung cho bài toỏn tường minh động: plane162, shell 163…

Một cỏch tổng quỏt sự phõn chia hỡnh dạng phần tử cú 4 loại cơ bản là điểm, đường, miền, khối. Phần tử dạng điểm được xỏc định bởi một nỳt, vớ dụ như phần tử khối lượng, phần tử dạng đường được xỏc định bằng một đường thẳng hoặc một cung nối giữa hai nỳt, phần tử dạng miền cú hai dạng là miền tứ giỏc và miền tam giỏc, cũng cú thể là dạng khối 2D hoặc dạng tấm, phần tử dạng khối cú thể là khối tứ diện hoặc khối hộp dung để tớnh toỏn đối với cỏc mụ hỡnh khối 3D. Ngoài ra ANSYS cũn cú khả năng cho phộp người dung định nghĩa phần tử riờng tựy trường hợp cụ thể.

- Mụ hỡnh vật liệu:

ANSYS cung cấp cho người dựng thư viện vật liệu với rất nhiều mụ hỡnh vật liệu khỏc nhau dung ứng dụng trong cỏc bài toỏn khỏc nhau.

Bài toỏn cấu trỳc biến dạng lớn là bài toỏn phi tuyến. Phõn tớch cấu trỳc với mụ hỡnh vật liệu phi tuyến bao gồm cỏc mụ hỡnh vật liệu chảy dẻo, dóo, đàn hồi phi tuyến, siờu đàn hồi, đàn nhớt.

65

Mụ hỡnh vật liệu mà quan hệ ứng suất biến dạng trong ứng xử của vật liệu là phi tuyến, cú nghĩa ứng suất là hàm phi tuyến của biến dạng được gọi là vật liệu phi tuyến. Mụ hỡnh vật liệu phi tuyến trong ANSYS bao gồm cỏc loại sau:

 Dẻo khụng phụ thuộc vào tốc độ biến dạng

 Dẻo phụ thuộc vào tốc độ biến dạng: cho phộp xỏc định quan hệ ứng suất biến dạng phụ thuộc thời gian, thường được ỏp dụng cho mụ hỡnh dẻo nhớt.

 Dóo

 Đàn hồi phi tuyến  Siờu đàn hồi  Đàn nhớt  Bờ tụng

Bước 2: Áp dụng lực, chuyển vị cỏc điều kiện biờn khỏc và tiến hành giải, sử dụng cỏc lệnh trong SOLUTION.

Bước này cho phộp xỏc định cỏc loại tải trọng cũng như cỏc điều kiện biờn cú thể ỏp đặt vào mụ hỡnh.

Đối với bài toỏn phõn tớch cấu trỳc, tải cú thể là: chuyển vị theo cỏc phương lực tỏc dụng theo cỏc phương (bao gồm lực khối, lực mặt), ỏp suất, nhiệt độ (cho trường hợp biến dạng nhiệt) và gia tốc trọng trường.

Đối với bài toỏn nhiệt, tải cú thể là: nhiệt độ, tốc độ truyền nhiệt, nhiệt đối lưu. Đối với bài toỏn từ, tải được hiểu là: dũng từ, thế từ.

Đối với bài toỏn điện, tải được hiểu là: hiệu điện thế, cường độ dũng điện. Đối với bài toỏn dũng chảy, tải cú thể là: vận tốc dũng chảy, ỏp suất dũng.

Tải trọng ỏp đặt vào mụ hỡnh trong ANSYS được chia thành một số dạng cơ bản: ràng buộc cỏc bậc tự do (DOF constrains), lực (được coi là lực tập trung), lực bề mặt, lực khối, lực quỏn tớnh, và tải trọng dạng coupled-field.

Bước 3: Hiển thị kết quả: sử dụng cỏc lệnh hậu xử lý POSTPROCESSOR. Hậu xử lý là khõu rất quan trọng trong bước phõn tớch bài toỏn, bởi vỡ sau khi tớnh toỏn mụ phỏng cần phải biết cỏc kết quả tớnh toỏn cú phự hợp với thực tế hay

66

khụng. Trường phõn bố ứng suất biến dạng trong vật thể phõn bố ra sao. Mụ hỡnh lưới phần tử hữu hạn đó tối ưu hay chưa?

4.4.Mụ phỏng quỏ trỡnh tạo sản phẩm

Trong phần này ta nghiờn cứu sử dụng mụ đun Fluild flow- extrusion (POLYFLOW) để tiến hành tạo sản phẩm. Mụ đun ANSYS- POLYFLOW cho phộp dự đoỏn hỡnh dạng vật đựn ra khỏi khuụn. Từ đú cú thể tớnh toỏn biờn dạng rónh trong khuụn cần thiết để cú biờn dạng vật đựn mong muốn.

Hinh 4.2. Polyflow cho phộp dự đoỏn hỡnh dạng vật đựn ra

Đầu vào của bài toỏn là xõy dựng mụ hỡnh sản phẩm với biờn dạng của khuụn như sau:

Hỡnh 4.3. Biờn dạng của khuụn chữ I

Vật liệu đựn: là hợp kim nhụm cú cỏc thụng số: