Các phương pháp mô phỏng đều nhằm mục đích nghiên cứu, phân tích và giải thích các quá trình xảy ra khi tạo hình vật liệu. Mô phỏng cho thấy được chính xác hơn quá trình công nghệ, qua đó người kỹ sư có thêm những hiểu biết, nhận xét đúng đắn để góp phần tìm ra các giải pháp công nghệ phù hợp trong quá trình sản xuất.
Kết quả mô phỏng số cho phép tối ưu các điều kiện của bài toán ngay trên máy tính, lựa chọn vật liệu một cách hợp lý và thay đổi mẫu mã, chủng loại sản phẩm nhanh, giảm thời gian và chi phí cho thiết kế và chế tạo. Bởi vì căn cứ vào kết quả của mô phỏng số sẽ biết được những nơi tập trung ứng suất, những hiện tượng xảy ra trong qúa trình biến dạng, các phế phẩm từ đó có những hiệu chỉnh hợp lý nhằm tối ưu quá trình công nghệ.
Tạo khả năng sản xuất các chi tiết phức tạp
Nâng cao chất lượng sản phẩm
Chất lượng
Thời gian Giá thành
MÔ PHỎNG Giảm thời gian
thử nghiệm
Giảm tiêu hao vật liệu
Giảm thời gian thiết kế
Tối ưu khuôn mẫu và giảm chi phí chế tạo khuôn Những ưu điểm của mô phỏng
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. Cách thức này khiến cho việc thiết kế và chế tạo khuôn phải lặp đi lặp lại nhiều lần, gây tốn kém nhiều về thời gian và tiền của.
Khi thực hiện mô phỏng số, toàn bộ các khâu của quá trình sản xuất thử từ thiết kế, hiệu chỉnh đều được thực hiện trên máy tính. Xuất phát từ ý
tưởng hay sản phẩm mẫu, mô hình của sản phẩm sẽ được dựng trên máy tính, mọi hiệu chỉnh công nghệ đều được thực hiện trực tiếp thông qua giao diện người-máy từ đó có những hiệu chỉnh hợp lý nhằm tối ưu qúa trình công nghệ.
Do tất cả các thao tác hiệu chỉnh nhằm tối ưu công nghệ đều được thực hiện trên máy tính cho đến khi đạt kết quả mong muốn nên để thực hiện một quá trình công nghệ cụ thể nào đó không phải tốn nhiều thời gian cũng như tài chính cho việc chế thử và hiệu chỉnh. Điều này làm tăng tối đa hiệu suất tính toán, thiết kế, chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh.
Ngoài hiệu quả về kinh tế và thời gian, mô phỏng số quá trình biến dạng còn giúp tả trả lời nhiều câu hỏi mà bằng thực nghiệm trong thực tế khó thỏa mãn được. Có thể biết trước được trường phân bố ứng suất và biến dạng trong quá trình tạo hình, các dạng hỏng hóc có thể xảy từ đó có những quyết định công nghệ hợp lý nhằm tối ưu hóa quá trình. Đó là lý do vì sao ngày nay mô phỏng số ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp.
3.2 Giới thiệu các phƣơng pháp mô phỏng
Hiện tại có hai phương pháp mô phỏng được sử dụng có hiệu quả trong ngành Gia công áp lực là mô phỏng vật lý và mô phỏng số.
3.2.1. Mô phỏng vật lý
Khi tiến hành nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới quá trình rèn cục bộ dưới đầu búa phẳng một chi tiết hình trụ cần làm nhiều thí nghiệm. Để biểu diễn quá trình biến dạng với các điểm chảy phức tạp của vật liệu, đồng thời giảm giá thành và thời gian người ta không tiến hành thực nghiệm với những vật liệu thật theo tỷ lệ 1:1 mà thường là vật liệu mẫu như sáp hay plastic. Khuôn mô phỏng vật lý có thể làm bằng nhôm hoặc thậm chí là gỗ. Tuy nhiên, mô hình vật liệu thử nghiệm phải chọn sao cho chúng có thuộc tính chảy tương tự như vật liệu thực trong một khoảng nhiệt độ rộng và có các thông số cơ bản điều khiển được. Tuy nhiên mô phỏng vật lý chỉ giúp có được những đánh giá định hướng về phân bố dòng chảy của kim loại trong quá trình rèn mà không cho phép tính toán chính xác trạng thái trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình tạo hình.
2.1.2. Mô phỏng số và “công nghệ ảo”
Khác với mô phỏng vật lý, mô phỏng số được thực hiện bằng nhiều phương pháp tính khác nhau như: phương pháp PTHH, 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 nói riêng là phương pháp PTHH bởi tính thích ứng với các bài toán có miền xác định bất kỳ và điều kiện biên phức tạp. Phương pháp mô phỏng số ứng dụng tính toán PTHH nhằm phân tích toàn bộ quá trình tạo hình được tiến hành trên máy tính.
Khi thực hiện mô phỏng số, các giai đoạn thiết kế, hiệu chỉnh thiết kế được thực hiện trên máy tính. Xuất phát từ ý tưởng hay sản phẩm mẫu, mô hình của sản phẩm được dựng trên máy tính, sau đó việc hiệu chỉnh công nghệ được thực hiện trực tiếp thông qua giao diện người – máy nhằm tối ưu hoá công nghệ nên đã giảm đáng kể thời gian và chi phí cho việc chế thử và
hiệu chỉnh. Ngoài ra mô phỏng số còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và cho phép áp dụng với các vật liệu mới.
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 lặp đi lặp lại nhiều lần, gây tốn kém về thời gian và tiền của. Với phương pháp “công nghệ ảo”, toàn bộ quá trình từ thiết kế, hiệu chỉnh đến đến tối ưu công nghệ được thực hiện trên máy tính. Mô hình của sản phẩm được dựng trên máy tính xuất phát từ ý tưởng hay sản phẩm mẫu, sau đó tiến hành mô phỏng số quá trình nhằm tìm ra các thông số công nghệ tối ưu. Như vậy mô phỏng số góp phần giảm thời gian thiết kế, chi phí thử nghiệm và nâng cao chất lượng sản phẩm.
3.3 Ứng dụng mô phỏng số trong Gia công áp lực
Hiện nay tại các nước công nghiệp phát triển có nhiều phần mềm chuyên dụng mô phỏng số nhằm tối ưu công nghệ tạo hình. Khả năng ứng dụng của các phần mềm này hết sức đa dạng và được ứng dụng nhằm phân tích bài toán đàn hồi hay bài các bài toán biến dạng dẻo lớn trong gia công áp lực. Bảng 3.1 tóm tắt một số phần mềm mô phỏng số được sử dụng rộng rãi cho nghiên cứu bài toán tạo hình vật liệu tấm.
Bảng 3.1. Giới thiệu về một số phần mềm mô phỏng.
Tên phần mềm Phương pháp
tính toán Ưu điểm Hạn chế
1. Phầm mềm dùng cho dập tấm, dập khối
AUTOFORM Implicit Dễ thao tác (mức
độ tự động cao)
Khả năng hội tụ của phần tử tiếp xúc thấp
ITAS Explicit Ứng dụng có hiệu
toán có mô hình vật liệu dẻo không ổn định (tính toán các vết nhăn, đàn hồi lại) cứng phức tạp PAMSTAMP Explicit Có khả năng liên kết hiệu quả các mô hình hình học từ các phần mềm CAD hay CATIA
Biến dạng theo hướng dọc và ngang cục bộ không tính toán được SHEET Implicit Mô phỏng chính xác quá trình kéo căng trong dập sâu
Sự biến đổi của ứng suất theo chiều
dày không tính
toán được ví dụ như ứng suất uốn
DYNAFORM Explicit Dễ thao tác (mức
độ tự động cao)
Cho kết quả tốt, phù hợp với các bài toán thực tế.
DEFORM Explicit Dễ thao tác (mức
độ tự động cao)
Để có thể tính toán chính xác cần phải có mô hình đưa từ ngoài vào.
MARC Explicit Dễ thao tác (mức
độ tự động cao)
Để có thể tính toán chính xác cần phải có mô hình đưa từ ngoài vào.
2. Phần mềm áp dụng tính toán cho các bài toán cơ học tổng quát
LS_DYNA Explicit
Tính toán hiệu quả các bài toán biến dạng lớn phức tạp
Không có mô đun
preprocessor và
Postprocessor phức tạp
Explicit biến dạng lớn preprocessor ANSYS Implicit Cho phép áp dụng nhiều mô hình vật liệu khác nhau trong thực tế Khả năng hội tụ trong suốt quá trình phân tích bài toán và điều kiện tiếp xúc không cao
3.4 Các bƣớc tiến hành mô phỏng số bài toán tạo hình
Quá trình thực hiện quá trình mô phỏng số đối với bài toán gia công áp lực được thể hiện trên hình 3.2.
Xây dưng mô hình hình học cho dụng cụ và phôi Chia lưới phần tử cho dụng cụ và phôi
Xây dựng mô hình vật liệu, mô hình tiếp xúc và các điều kiện biên như: chuyển
động của chày, áp lực thuỷ tĩnh… Mô phỏng quá trình tạo hình nhờ tính toán PTHH Kết thúc hành trình Đánh giá kết quả mô phỏng Đúng Sai Cập nhật mô hình hình học Chia lưới phần tử Thay đổi các điều kiện biên
Hình 3.2 Các bước tiến hành mô phỏng số
Hình 2.1. Các bƣớc giải một bài toán bằng phƣơng pháp FEM
P re -P roc es sin g Phân tích FEM Câp nhật mô hình Chia lƣới
1. Tiền xử lý (Preprocessor), bao gồm xây dựng mô hình CAD cho phôi, chày và cối. Chia lưới cho mô hình CAD và thiết lập các điều kiện đầu, điều kiện biên và ứng xử của vật liệu biến dạng.
2. Giải bài toán được thực hiện nhờ tính toán PTHH với bài toán đã được thiết lập ở bước 1 (Solution).
3. Hậu xử lý (Postprocessor): phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng. Để thực hiện việc nghiên cứu công nghệ dập nổi đối với chi tiết mỹ thuật ta có thể sử dụng các phần mềm chuyên dụng như trong bảng 3.1. Trong đó có 2 phần mềm rất thích hợp cho việc tính toán mô phỏng và dễ thao tác đó là phần mềm Deform sử dụng cho bài toán khối và phần mềm Dynaform cho bài toán tấm.
Đối tượng mô phỏng (chi tiết cần nghiên cứu) trong khuôn khổ luận văn này là chi tiết dập nổi tấm, nên ta sẽ xem xét sâu hơn về phần mềm Dynaform.
3.5 Ứng dụng phần mềm Dynaform trong dập tạo hình [3]
3.5.1 Giới thiệu chung và phạm vi ứng dụng
Dynaform là bộ phần mềm mô phỏng quá trình chuyên dụng cho lĩnh vực dập tạo hình kim loại dạng tấm mỏng (Sheet metal forming), của hãng ETA (Engineering Technology Associates, Inc). Gói phần mềm này bao gồm các mô đun chính như Pre- processor, LS-DYNA solver, Post-processor.
Qúa trình thực hiện một bài toán mô phỏng trên Dynaform cũng gần giống như tiến trình thực hiện bài toán mô phỏng trên Deform, thông qua sơ đồ Hình 3.4.
Bước đầu tiên (Pre- Processor) là các thiết lập về mô hình hình học. Ở bước này ta có thể dùng ngay các công cụ vẽ trong Dynaform hoặc cũng có thể nhập (import) mô hình hình học từ một phần mềm khác (dạng IGS).
Tiếp theo ta sẽ tiến hành chia lưới thích hợp cho phôi và khuôn. Sau khi chia lưới ta sẽ gán các điều kiện biên như chuyển động, lực, ma sát, điều kiện dừng mô phỏng…
Trong Dynaform có đi kèm với mô đun giải (Solver) của LS DYNA. Sau khi cài đặt xong ta sẽ cho chạy bài toán và sau đấy phân tích kết quả bài toán trong mô đun PostProcess.
Các dạng bài toán ứng dụng trong Dynaform cũng rất đa dạng như dập trên máy đơn động, song động, dập thủy tĩnh dạng tấm và ống, phân tích đàn hồi lại…
3.5.2 Giao diện và vận hành phần mềm
Sau khi khởi động phần mềm ta sẽ vào cửa sổ chính, đây cũng là môi trường thiết kế mô hình và cài đặt bài toán mô phỏng (Pre-Processor).
Hình 3.4 Giao diện Pre- processor của Dynaform
Nút lệnh Part: bao gồm các thao tác thêm, bớt đối tượng (phần tử của mô hình), hiện thị, tắt hiện thời… Xem Hình 3.43.
Hình 3.5 Cách công cụ trong nút lệnh File
Hình 3.6 Cách công cụ trong nút lệnh Part
Nút lệnh Preprocess: gồm các công cụ thiết kế và hiệu chỉnh mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn. Với các bài toán phức tạp thì ít dùng mô đun này mà chỉ nhập mô hình thiết kế trên phần mềm khác. Xem hình 3.7.
Nút lệnh Tools: gồm các công cụ chính và nâng cao để thiết kế mô hình FE, thêm các đối tượng khác như gân vuốt, dẫn hướng, định nghĩa phôi và vị trí… Xem hình 3.8.
Nút lệnh View: để thay đổi các chế độ quan sát mô hình, cài đặt màu vùng đồ họa… Xem hình 3.9.
Nút lệnh Setup: là các mô đun cài sẵn (wizard) cho các dạng bài toán trong Dynaform và trong đó ta thường dùng mô đun AutoSetup để cài đặt các bài toán tấm thông thường, đặc biệt là bài toán dập vuốt (deep drawing) và bài toán dập thủy cơ dạng ống (tube forming). Xem hình 3.10.
Hình 3.9 Cách công cụ trong nút lệnh View
Hình 3.10 Cách công cụ trong nút lệnh Setup
Sau đây ta sẽ xem xét một quá trình cài đặt cho bài toán dập tấm thông thường với mô đun AutoSetup.
Khi người dùng chọn mô đun này, cửa sổ New simulation hiện ra với các tùy chọn: dạng sheet forming hoặc tube forming, xem hình 3.12. Chiều dày phôi (thickness) được đưa vào để làm cơ sở cho quá trình tạo chày cối (offset). Ô tiếp theo (process type) là chọn dạng máy gắn với chuyển động khuôn như: đơn động, song động, tam động….
Cũng trong ô cửa sổ này ta phải chọn một đối tượng hình học làm cơ sở (Original tool geometry): có thể là chày (punch), cối (die) hoặc cả hai. Xem hình 3.11. Vì trong các bài toán tấm - tiếp xúc ta chỉ quan tâm đến các bề mặt của các đối tượng và chiều dày phôi được đưa vào như một hằng số, do
đó các mô hình thường thiết kế dạng bề mặt và được offset từ chày, cối, hoặc phôi.
a) Cối cơ sở, chày tạo theo cối b) Chày cơ sở, cối tạo theo chày Hình 3.11 Chọn đối tượng cơ sở làm tham chiếu
Sau khi hoàn tất bước này ta chuyển sang các cài đặt chi tiết cho bài toán, ở đây là bài toán tấm (sheet forming), hình 3.12. Các mục hiện thị mầu đỏ là cài đặt bắt buộc. Xem hình 3.13, các cài đặt gồm có:
Hình 3.12 Chọn dạng bài toán mô phỏng
Hình 3.13 Các cài đặt cho bài toán mô phỏng
Đặt tên bài toán (Title) trong mục General
Cài đặt phôi (Blank): trong mục này ta sẽ gán hình học có sãn cho phôi bằng cách add part hoặc copy… Sau đó là lựa chọn hoặc cài đặt vật liệu phôi. Nếu cần ta có thể xác định vị trí phôi ban đầu và cài đặt mô hình đối xứng để giảm khối lượng tính cho bài toán.
Cài đặt các đối tượng trong mô hình (Tools): ở đây ta lần lượt cài đặt chày, cối, chặn hoặc đưa thêm một đối tượng khác như đẩy phôi… Việc cài đặt các mục tương tự như cài đặt cho phôi (Blank). Xem hình 3.14.
Lưu ý là phải cài đặt chính xác chiều chuyển động và vị trí ban đầu của các đối tượng.
Trong cửa sổ Process, ta sẽ mô tả một quá trình làm việc của mô hình: gồm có các bước như quá trình đóng cối (closing) và quá trình dập (drawing). Trong các bước này ta cần đưa vào các chuyển động của chày, cối, chặn và hành trình ép…
Để xem trước quá trình chuyển động của các chi tiết khuôn ta dùng nút lệnh Preview/Animation. Bước này cho ta kiểm tra các thông số hình học và thay đổi vị trí của các chi tiết khuôn trong quá trình dập. Đây là bước cần thiết trước khi chạy bài toán.
Job Submitter: phần này gọi công cụ để giải bài toán, nếu có lỗi hay bài toán chạy thành công sẽ được thông báo.
Hình 3.14 Cài đặt đối tượng chày cối cho mô hình
Sau khi phần mềm chạy thành công (được nhận biết thông qua các tệp dữ liệu mới được tạo ra ngay trên thư mục chạy như *.d3plot, *.dynain) ta sẽ khởi động mô đun Postprocess để phân tích kết quả.