Mô phỏng số là sự kết hợp giữa mô hình quá trình và các phương pháp số giải mô hình quá trình đó. Gắn kết quả mô phỏng số với những điều kiện công nghệ cụ thể nhằm thực hiện tối ưu hóa quá trình công nghệ ta sẽ nhận được công nghệ ảo .
Mô phỏng số được thực hiện bằng nhiều phương pháp tính khác nhau như: phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, biến phân hoặc phần tử biên …Mỗi một phương pháp tính toán đều có những mặt mạnh riêng nhưng áp dụng phổ biến nhất để khảo sát các bài toán cơ học nói chung và các bài toán biến dạng tạo hình nói riêng là phương pháp phần tử hữu hạn bởi nó có thể giải quyết các bài toán với miền xác định bất kỳ và điều kiện biên phức tạp.
hiện trực tiếp thông qua giao diện người và máy nhằm tối ưu hóa công nghệ nên đã giảm đáng kể thời gian và chi phí. Mô phỏng số còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và cho phép áp dụng các vật liệu mới.
Hình 5.1 Ưu điểm của mô phỏng số
Theo phương pháp công nghệ truyền thống, để chế tạo một sản phẩm thì sau khi thiết kế phải tiến hành sản xuất thử. Khâu này thường phải làm đi làm lại nhiều lần cho tới khi sản phẩm đạt yêu cầu. Với phương pháp này việc thiết kế và chế tạo khuôn phải lặp đi lặp lại nhiều lần, gây tốn kém về thời gian và tiền của. Với mô phỏng số và công nghệ ảo, toàn bộ quá trình từ thiết kế, hiệu chỉnh đến tối ưu công nghệ đều được thực hiện trên máy tính. Do đó không phải tốn nhiều thời gian và tài chính, tăng hiệu suất tính toán thiết kế, chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh.
Mô phỏng được coi là một hướng phát triển của công nghệ cao bởi:
- Mô phỏng cho kết quả chính xác với sai số cho phép. - Giảm thời gian tính toán thiết kế.
- Lựa chọn các loại nguyên vật liệu hợp lý.
- Thuận tiện trong việc thay đổi mẫu mã, hình dáng sản phẩm.
Hình 3.2. Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng
Ngoài những ưu điểm trên, mô phỏng số còn cho ta nhiều kết quả mà bằng thử nghiệm khó biết được như trường phân bố ứng suất, biến dạng …Cũng như có thể dự đoán được các dạng hỏng có thể xảy ra để từ đó có những thay đổi hợp lý nhằm thực hiện tối ưu hóa quá trình. Đó là lý do vì sao ngày nay phương pháp mô phỏng số được xem là một công cụ tối ưu công nghệ phổ biến, hữu hiệu và được ưu tiên phát triển trong thiết kế phục vụ sản xuất cũng như trong nghiên cứu lý thuyết .
5.1.3. Tiến trình mô phỏng
Xuất phát từ yêu cầu về kiểu dáng, kích thước sản phẩm, ta đi xây dựng mô hình, hình học của phôi và khuôn mẫu để tiến hành gia công. Công việc này thường được thực hiện theo hai phương pháp:
Phương pháp 1: Xây dựng trực tiếp . Phương pháp 2: Xây dựng gián tiếp .
hình phức tạp hơn thì bắt đầu dựng từ các điểm cơ sở (keypoint), từ đó dựng thành đường, miền và khối thông qua các lệnh xử lý về đồ hoạ.
Ưu điểm của phương pháp này là toàn bộ dữ liệu của mô hình hình học của bài toán được đưa vào trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ liệu. Tuy nhiên đây là phần mềm tính toán chứ không phải là phần mềm chuyên dùng về đồ hoạ nên khi tạo những mô hình hình học phức tạp thường khó khăn hơn rất nhiều so với khi tạo mô hình này trong các phần mềm đồ hoạ chuyên dùng.
* Phương pháp 2
Xây dựng mô hình hình học từ những phần mềm thiết kế đồ hoạ chuyên dùng như SolidWork, Cad, Pro/Engineer, Catia…, rồi xuất sang phần mềm mô phỏng.
Phương pháp thứ 2 cho phép dựng được những mô hình rất phức tạp, nhưng trong quá trình chuyển đổi lại gây ra một số sai khác nhất định có thể do khả năng tương thích giữa các phần mềm đặc biệt rất khó điều khiển toạ độ cũng như tương quan vị trí.
Để tiến hành mô phỏng trước hết phải chia lưới các phần tử, thuộc tính vật liệu, đưa vào các điều kiện biên (chuyển vị, ma sát, nhiệt độ …). Máy sẽ tính toán quá trình tạo hình sản phẩm và đưa ra kết quả.
Qua việc xem xét trường phân bố ứng suất và biến dạng tại từng thời điểm, ta biết được một cách tương đối chính xác chi tiết có bị phá hủy trong quá trình biến dạng và kích thước hình học của sản phẩm có đảm bảo với yêu cầu hay không, từ đó thay đổi các thông số của quá trình một cách hợp lý sao cho kết quả cuối cùng là tối ưu. Tiếp theo có thể gia công khuôn mẫu dựa trên các thông số hình học sau khi mô phỏng và tiến hành sản xuất thử. Nếu thấy được mới đưa ra sản xuất hàng loạt.
Hình 5.3. Quá trình mô phỏng
Với mục tiêu là dập tạo hình chi tiết khớp nối chữ thập, nên có thể chọn phần mềm mô phỏng quá trình dập là phần mềm Deform.
Để có thể thực hiện việc mô phỏng được thuận lợi trước hết ta tìm hiểu phần mềm Deform.
(cán, kéo, dập, ép…) nhưng cũng có khả năng mô phỏng quá trình truyền nhiệt và đang được hoàn thiện thêm.
Deform cho phép nhập dạng thực hình học của các vật thể dưới dạng file *.STL ( với Deform 3D) và *.IGES ( với Deform 2D) là những dạng đuôi được tạo bởi những chương trình như SolidWorks hay Catia. Model của Deform có thể được tạo bởi SolidWorks, Catia hoặc convert từ Autocad. Định vị các phần tử trong mô hình Deform có thể thực hiện trực tiếp trên cửa sổ thao tác của chương trình này hoặc thông qua phần mềm trung gian Hypermesh của hãng Altair.
Giao diện Deform dễ sử dụng, chức năng phong phú (xem mặt cắt bất kỳ, xem ứng suất, biến dạng, xem quá trình xảy ra…) và mô phỏng sát thực tế. Vì vậy, Deform đã trở thành phần mềm được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành vật liệu. Sử dụng Deform phục vụ cho công tác nghiên cứu, thăm dò, giúp cho việc định hướng chế tạo khuôn mẫu dễ dàng và hiệu quả hơn, dự đoán và giải thích được nguyên nhân sai hỏng sản phẩm, tiết kiệm chi phí sản xuất.
5.2.1. Giao diện và vận hành phần mềm
Sau khi khởi động phần mềm, ta vào cửa sổ chính của phần mềm, cửa sổ này cũng là môi trường để cài đặt, hiển thị bài toán mô phỏng.
Hình 5.4. Giao diện chính của phần mềm Deform.
Thành phần hệ thống
Vùng đồ
Trên thanh công cụ có các nút lệnh hỗ trợ mô phỏng như:
Nút lệnh File: Bao gồm các thao tác với file dữ liệu và hỗ trợ chụp lại các ảnh. Nút lệnh Step: Cho ta xem lại các bước dập và quá trình mô phỏng.
Nút lệnh Display: Bao gồm các chức năng đo kích thước, thay đổi các chế độ quan sát mô hình.
Nút lệnh Tools: Cho ta biết các thông số về các bước dập, thời gian dập, lực dập, đồ thị biến dạng, đồ thị lực dập…
Sau đây, ta sẽđi tìm hiểu trình tự mô phỏng của phầm mềm
Cấu trúc phổ biến nhất của phần mềm DEFORM gồm 3 mô đun lớn:
- Tiền xử lý (preprocessing): Trong môđun này chúng ta tiến hành các bước như xây dựng mô hình cho phôi, chày cối, chọn kiểu phần tử, chọn mô hình vật liệu, chia lưới và điều khiển lưới, xác định kiểu tiếp xúc, cặp tiếp xúc.
- Giải bài toán/xử lý (Solution/Analysis): Trong môđun này chúng ta tiến hành đặt điều kiện biên và giải.
- Hậu xử lý (Postprocessing): Lấy và phân tích kết quả ở dạng tổng quát, phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị…
a. Mô đun tiền xử lý
Kích hoạt phần mềm Deform 3D V6.1 sau đó chọn mô đun tạo hình forming
(hình 5.6)và đặt tên cho chương trình chạy mô phỏng
Hình 5.6.Giao diện ban đầu của phần mềm Deform.
Dòng lệnh process Type: Cho ta các lựa chon chế độ nhiệt khi dập: chế độ dập nguội, dập nửa nóng, dập nóng và sự truyền nhiệt. (Hình 5.7).
Tiếp đến là các lựa chọn về mức độ phức tạp của hình dạng mô phỏng - Shape Complexity, lựa chọn thể hiện cả mô hình (Whole part) hoặc một nửa đối xứng của mô hình ( Symmetry).
Number of objects: cho phép chọn đến một phôi và nhiều khuôn/ chày ép
(Hình 5.8).
Nhập thông số nhiệt độ cho phôi dập (Tremperature): thông số này phải tương ứng với lựa chọn chếđộ nhiệt khi dập từ đầu.
Nhập mô hình, hình học cho phôi (Import geometry) từ file đã được lưu sẵn từ trước dưới dạng đuôi .stl (Hình 5.9).
Định kiểu phần tử và chia lưới phần tử: để tính toán trường phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị hay nhiệt độ bằng phương pháp phần tử phần tử hữu hạn cần thiết phải chia lưới phần tử hữu hạn. DEFORM có khả năng chia lưới và điều khiển lưới một cách dễ dàng sau khi xây dựng mô hình hình học. Có hai cách thường được sử dụng để chia lưới trong DEFORM :
- Chia lưới theo kiểu tứ diện (tetrahedral mesh). - Chia lưới theo kiểu xếp gạch (brick mesh).
Ta có thể lựa chon số phần tử tuỳ vào kích cỡ phôi, phần mềm cho phép chia từ 1000÷100.000 phần tử. Khi chon số phần tử xong, ta chon Advanced để biết kích cỡ nhỏ nhất của một phần tử và xem bề mặt lưới để biết chọn số phần tử như vậy đã thích hợp haychưa.
Nhập vật liệu cho phôi: DEFORM cung cấp một thư viện các mô hình vật liệu ứng dụng trong các bài toán khác nhau và các thông số để cài đặt mô hình vật liệu mới.(Hình 5.10).
Hình 5.10. Thư viện các loại vật liệu của phần mềm.
Bài toán tiếp xúc: Trong quá trình thực hiện biến dạng luôn có sự tiếp xúc giữa vật liệu và dụng cụ gia công. Vì vậy phải nghiên cứu các mô hình tiếp xúc có trong phần mềm DEFORM.
Một điều quan trọng trong đặt các thông số tiếp xúc là các điều kiện biên, bài toán chỉ được giải chính xác khi ta đặt các điều kiện biên đúng với thực tế.
b. Mô đun giải
Mô đun này cho phép giải bài toán mà ta đã cài đặt trong tiền xử lý. Quá trình giải bài toán hoàn toàn được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính.
Mô đun hậu xử lý cho phép hiển thị kết quả dưới dạng:
- Các đường mức (thể hiện sự thay đổi ứng suất, biến dạng, nhiệt độ…)
Hình 5.11. Biểu đồ lực dập
- Biến dạng (mức độ và phân bố biến dạng dưới tác dụng của tải trọng).
Hình 5.12.Phân bố lưới biến dạng
- Véc tơ (véc tơ chuyển vị, xoay, dòng chảy kim loại..) +Phản lực.
Trong quá trình dập, dưới tác dụng của lực dập kim loại sẽ được điền đầy vào lòng khuôn dập, hướng chảy của kim loại được thể hiện bằng các mũi tên trên hình 3.13. Những vị trí tập trung nhiều mũi tên thể hiện kim loại bị dồn chảy nhiều vào đó.
Hình 5.13. Dòng chảy của kim loại
Sau khi mô phỏng ta có thể lấy ra được các giá trị để phân tích và so sánh phương pháp nào là tối ưu nhất khi nhập các thông số đầu vào là khác nhau. Từ đó ta có thể áp dụng vào thực tế sản xuất.
Mở phần mềm, File New Next Browse chọn đường dẫn NextĐặt tên file Finish.
Giao diện Deform hiện lên như sau:
Hình 5.14. Giao diện Cài đặt Deform
Chọn Geometry sau đó chọn Import GEO, chọn đường dẫn đến file *.DXF để nhập phần tử mô hình vào.
Mô hình gồm có chày( Top Die), cối ( Bottom Die), chặn ( Holder), phôi (Workpice) Sau khi nhập các phần tử ta có mô hình mô phỏng như sau:
Hình 5.15. Nhập mô hình 3D cho phôi
Các thông số ban đầu: Temperature 7000C, phôi chọn Plastic còn die, punch và binder chọn rigid (cứng tuyệt đối).
Sau khi nhập mô hình ta cần kiểm tra hình học của các phần tử trong mô hình.Phần mềm sẽ giúp ta sửa những lỗi trên các phần tử nhập vào. Mỗi lần nhập một phần tử vào ta sẽ chọn check Geo sau đó chọn Check&Correct Geometry.
Bước 2: Ta chia lưới các phần tử. Việc chia lưới các phần tử có thể chia tự động hoặc là do cài đặt của người sử dụng. Ở đây, để thuận lợi cho việc quan sát sự biến dạng của kim loại ta sử dụng userdefine.
Hình 5.16. Chia lưới cho Phôi
Sau khi chia lưới ta chọn vật liệu.
Vật liệu được sử dụng để mô phỏng là AISI-1045 [1650-2200F(900-1200C)]. Các thông số về cơ tính của vật liệu được phần mềm Deform cung cấp trong Material Properties. Ứng suất tương đương phụ thuộc vào biến dạng tương đương ,tốc độ biến dạng tương đương và nhiệt độ
Hình 5.17. Đồ thị đường cong chảy của AISI-1045
Bước 3: Sau khi chọn vật liệu ta cài đặt điều kiện tiêp xúc (Inter – Object). Ở đấy có sáu cặp tiếp xúc là: Chày – Phôi, Phôi – Cối, Phôi – Chặn.
Hình 5.18. Điều kiện tiếp xúc
Dung sai tiếp xúc là 0,0002 mm. Sau khi chọn Generate All thì các tiếp xúc phải hiện lên. Trong một số trường hợp khi mô hình ban đầu không đúng thì sẽ không đặt được điều kiện tiếp xúc. Trong trường hợp này, ta cần phải kiểm tra lại mô hình đã nhập vào, để xem phẩn tử nào nhập vào không đúng. Sau khi tìm ra phần tử không đúng cần sửa lại trong mô hình ban đầu trước khi xuất ra file *.IGS. Sau đó nhập lại phần tử này và tiến hành đặt lại điều kiện tiếp xúc.
Hệ số ma sát: 0.6
Bước 4: Sau khi cài đặt xong, ta chuyển sang phần Database Generation
Ấn nút check để phần mềm kiểm tra xem cài đặt đã đạt chưa. Nếu tất cả đều đánh dấu màu xanh có nghĩa là những cài đặt được chấp nhận trong trường hợp mà vẫn còn những giá trị đánh dấu màu đỏ thì cần phải kiểm tra lại. Ta quay lại bước
cài đặt còn đánh dấu đỏ để hoàn thành hoặc đặt lại. Khi tất cả các thông số cài đặt đã được phần mềm chấp nhận ta ấn nút Generate.
Đóng cửa sổ này lại và thoát.Trở lại giao diện ban đầu của Deform, chọn File cài đặt và chon run hoặc nút Play để chạy chương trình.
b. Các kết quả mô phỏng
Trong quá trình chạy chương trình, ta có thể xem các bước chạy mô phỏng nhờ ứng dụng Simulation Graphics. Ứng dụng này cho phép người sử dụng có cái nhìn trực quan hơn về quá trình mô phỏng, qua từng bước chạy ta sẽ biết kết quả tính toán bằng hình ảnh. Ứng dụng Process Monitor cho phép người sử dụng lựa chọn quan sát các phần tử trong quá trình mô phỏng diễn ra. Ta có thể quan sát riêng lẻ từng phần tử biến dạng trong quá trình dập tạo hình bánh răng côn.
Hình 5.20. Ứng suất
Hình 5.22. Chuyển vị
Kết thực chương trình, ta chọn Deform3D-post để xem kết quả. Chương trình cho phép người sử dụng theo dõi trực quan toàn bộ quá trình mô phỏng, kèm theo là các trường ứng suất tương đương, biến dạng tương đương, tốc độ biến dạng,… qua mỗi bước. Bên cạnh đó, chương trình cũng cho ta biết các thông số về lực (Lực công nghệ, lực chặn) trong quá trình biến dạng như thế nào thông qua các đồ thị.
Hình 5.23. Kết thúc quá trình dập tạo hình
Hình 5.27. Ứng suất
Hình 5.29. Vận tốc chảy
Sau khi chương trình chạy xong cho ta một số kết quả ở giai đoạn kết thúc chương trình như sau:
Ta thấy rằng, khi kết thúc quá trình dập thì vật liệu bị phá hủy lớn nhất nằm ở mép răng. Bởi vì trên vành này, kim loại bị cưỡng bức điền đầy vào túi chứa nên phải chịu kéo rất lớn. Vì vậy, ứng suất phá hủy tại những điểm trên vành này là lớn.