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.
Quá trình lặp các mô phỏng khi thay đổi các thông số hình học chày cối và thay đổi các thông số động học và động lực học… là một quá trình mô phỏng
khá nhiều mô phỏng vừa để kiểm tra độ chính xác phần mềm, vừa để kiểm tra các điều kiện biên…
Hình 3.15 Giao diện của mô đun Post Processor
Mô đun Post- Processor (như hình 3.15) làm việc độc lập với Pre-
Processor, với các tệp dữ liệu có phần mở rộng như *.d3plot/*.dynain, người dùng có thể trích xuất các kết quả sau:
Quan sát mô phỏng quá trình dập tạo hình vật liệu
Quan sát phân bố ứng suất và biến dạng
Quan sát biểu đồ lực, năng lượng
Quan sát lưới biến dạng
Quan sát mức độ biến mỏng, biến dày
Hình 3.16 Kết quả mô phòng: phân bố các vùng biến dạng khác nhau trên chi tiết nắp capo xe ô tô sau khi dập tạo hình [15]
3.6 Lựa chọn chi tiết dập nổi
Theo trình tự câc bước trong mô phỏng, để có thể thiết lập được bài toán mô phỏng thì trước hết ta phải xây dựng được mô hình hình học của khuôn (chày, cối, chặn, phôi …). Do chi tiết mỹ thuật có nhiều họa tiết phức tạp, cầu kỳ, tinh xảo, nhiều đường cong, độ nông sâu của họa tiết khác nhau thường gây cho khâu thiết kế mô hình sản phẩm bằng các phần mềm đồ họa như Autocad, Catia, Pro-E, Inventor thường gặp rất nhiều khó khăn. Dung lượng file có nhiều đường biểu diễn cũng rất lớn do thường phải thực hiện nhiều lệnh vẽ khác nhau, nhiều lượn đường cong. Điều này cũng gây khó khăn cho mô phỏng số, đặc biệt là khâu chia lưới phần tử. Nếu số lượng phần tử ít sẽ làm cho kết quả không chính xác, nhưng nếu số lượng phần tử nhiều sẽ tốn nhiều thời gian cho tính toán mô phỏng. Trong khi đó chi tiết chủ yếu chỉ biến dạng cục bộ trên bề mặt, tại những vị trí có họa tiết. Ta lấy ví dụ như bức họa tiết hoa trang trí như hình 3.17 dưới đây. Để thể hiện các bông hoa chính xác ta cần rất nhiều lệnh vẽ đường và vẽ mặt cong. Thời gian thiết kế lên đến gần 2 tuần. Các họa tiết này phải sử dụng cả phương trình toán học để biểu diễn. Sau khi vẽ xong, file được xuất dưới dạng *.igs để làm file đầu vào cho Dynaform với dung lượng lên đến hơn 40MB. Khi nhập file này vào Dynaform, do cần phải biểu diễn quá nhiều đường cong nên phần mềm thường xuyên báo lỗi và hệ thống máy tính chạy rất chậm. Đến khâu chia lưới phần tử còn khó khăn hơn nhiều bởi vị số lượng phần tử chia quá lớn dẫn đến bài toán bị ngừng. Trong nhiều trường hợp cần tính toán, nhà kỹ thuật phải sử dụng máy tính chuyên dụng để xử lý.
Đối với chi tiết này, số lượng phần tử chia ban đầu phải lên tới 3 triệu phần tử mới có thể biểu diễn được. Trong quá trình tạo hình, số lượng phần tử được chia thích nghi có thể lên gấp 3, gấp 4 lần, dẫn đến máy tính cá nhân
thông thường không có khẳ năng đáp ứng tính toán. Nếu sử dụng máy tính chuyên dụng thì thời gian tính toán cũng có thể lên đến cỡ 2 tuần.
Với mục đích nghiên cứu, phù hợp với hệ thống thiết bị và phần mềm hiện có, tác giả để xuất lựa chọn chi tiết dập nổi mỹ thuật là chữ PHÚC (viết tiếng Trung quốc). Chi tiết này (các dạng sản phẩm chữ mỹ thuật tương tự) hiện đang có nhu cầu rất lớn và được sản xuất mang tính thủ công. Với việc ứng dụng phần mềm mô phỏng sẽ cho biết quá trình tạo hình và xác định được chất lượng sản phẩm trước khi dập.
Hình 3.18. Hình ảnh chi tiết chữ PHÚC nổi
- Chi tiết có kích thước 250x300 mm, Vật liệu đồng. chiều dày tấm 1 mm nên ta có thể coi đây là tấm đồng mỏng và lựa chọn qk =
20kG/cm2
- Lực dập nổi theo công thức 2.1 sẽ được tính như sau:
P = 20(kG/cm2) x 20 (cm) x 30 (cm) = 12.000 (kG) = 12 Tấn
Với lực dập tính toán là 12 tấn thì trên thực tế không cho ta đánh giá chính xác có tạo hình sắc nét, chất lượng cao không hay liệu sản phẩm tấm có bị rách cục bộ không. Mặc dù chữ Phúc trông bề ngoài thì không phải là dập nổi sâu, nhưng với các đường cong lượn chắc chắn sẽ khó khăn khi tạo hình nổi. Với công thức 2.1 này thì khi tính lực ta chưa kể tới sự ảnh hưởng của kích thước họa tiết, độ phức tạp của họa tiết, độ nông sâu của họa tiết. Với việc ứng dụng mô phỏng số sẽ cho ta tính toán chính xác hơn cũng như đánh giá chính xác hơn về chất lượng tạo hình sản phẩm.
CHƢƠNG IV:
MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP NỔI CHI TIẾT MỸ NGHỆ
4.1 Thiết lập bài toán dập bề nổi mặt
Trong chương 3 đã trình bày về dập xác định thông số lực đối với quá trình dập nổi rất khó và không đơn giản chỉ sử dụng công thức kinh nghiệm. Trong Chương 4 này sẽ trình bày phương pháp mô phỏng số để xác định thông số lực đồng thời đánh giá chất lượng của sản phẩm và cả quá trình tạo hình nổi.
Với cho tiết cần tạo hình nổi là chữ PHÚC, được dập trên một tấm đồng có kích thước 20cm x 30cm, chiều dày của tấm đồng M1 1,0mm. Đây là sản phẩm mỹ thuật, trang trí và hiện có nhu cầu rất lớn được bày bán ngoài thị trường. Các dạng chữ trang trí này thường có rất nhiều đường cong lượn và độ nông sâu có thể khác nhau.
Độ sâu của hình nổi là 3 mm. Ta có thể thấy hình nổi có nhiều vị trí khó tạo hình do các đường lượn có bán kính nhỏ.
Để tiến hành mô phỏng hình nổi chữ PHÚC trên ta sẽ thực hiện trình tự các bước như sau (tương ứng với sơ đồ hình 3.2):
- Xây dựng mô hình hình học của sản phẩm, thiết kế mô hình của khuôn.
- Thiết lập mô hình vật liệu.
- Thiết lập điều kiện tiếp xúc và điều kiện biên của bài toán. - Giải bài toán
- Phân tích dánh giá quá trình và chất lượng sản phẩm.
4.1.1. Thiết lập mô hình hình học
Mô hình hình học bao gồm dụng cụ gia công và phôi được xây dựng dựa trên yêu cầu chính xác về hình dạng và kích thước của sản phẩm. Việc