Khái quát chung về mô phỏng số
Trong nền công nghiệp sản xuất truyền thống, quá trình đưa từ bản vẽ thiết kế công nghệ vào sản xuất tạo ra sản phẩm thừng gặp rất nhiều khó khăn. Trên thực tế để chế tạo được một ản phẩm thì sau khi thiết kế phải tiến hành sản xuất thử nghiệm. Việc sản xuất chiếm rất nhiều thời gian và chi phí lớn vì các ý tưởng thiết kế trên bản vẽ không thể đúng ngay ở lần đầu tiên. Khi tiến hành sản xuất thử mới phát hiện ra những sai sót, những điều không hợp lý trong khâu thiết kế và tiến hành khắc phục. Việc chế tạo thử trên mẫu sẽ thật tốn kém, chính vì vậy người ta nghĩ ra cách để giảm chi phí trong việc chế tạo thử và các phương pháp mô phỏng ra đời nhằm phục vụ cho các mục đích trên
Trước đây, phương pháp mô phỏng được áp dụng chủ yếu là phương pháp mô phỏng vật lý. Phương pháp này được tiến hành dựa trên những mẫu có tỷ lệ
44
tương tự như mẫu thật nhưng có kích thước nhỏ hơn. Vật liệu được dùng trong phương pháp này chủ yếu là sáp hoặc plastic. Khuôn mô phỏng vật lý có thể làm bằng nhôm, thậm chí là gỗ. Để phương pháp mô phỏng được chính xác thì mô hình vật liệu thử nghiệm phải chọn sao cho chúng có thuộc tính chảy tương tự như vật liệu thực trong một khoảng thời gian rộng và có các thông số cơ bản điều chỉnh được. Phương pháp này có ưu điểm là có thể mô phỏng gần với quá trình xảy ra trên phôi thực tế. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chỉ giúp ta có được đánh giá định hướng về phân bố dòng chảy của kim loại trong quá trình gia công mà không cho phép tính toán chính xác trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình.
Ngày nay, cùng với sự phát triện của khoa học, đặc biệt là sự phát triển của ngành công nghệ thông tin nhiều công nghệ mới được ra đời giúp ta có thể tính toán chính xác hơn trạng thái ứng suất và biến dạng trong các quá trình công nghệ trong các ngành cơ khí nói chung và trong ngành gia công áp lực nói riêng. Một trong số những công nghệđó là công nghệ “ảo”, công nghệđược thực hiện chủ yếu trên máy tính. Gắn liền với công nghệ này là phương pháp mô phỏng số. Khác với mô phỏng vật lý, mô phỏng số được thực hiện bằng nhiều phương pháp tính toán khác nhau như: Phương pháp PTHH, sai phân hưu hạn, biến phân… Mỗi 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. Phương pháp PTHH là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, ôtô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng… đến những bài toán của lý thuyết trường như: Cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi…
Khi thực hiện mô phỏng số, các giai đoạn thiết kế, hiệu chỉnh thiết kế được thực hiện trên máy tính. Xuất pháp từ ý tưởng 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 hóa công nghệ nên đã giảm
45
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 ứng dụng với các vật liệu mới.
Hiện nay, tại các nước công nghiệp pháp triển có nhiều phần mềm chuyên dụng mô phỏng số nhằm tối ưu hóa công nghệ tạo hình như PAM_STAMP, AUTOFOM, ANSYS, LS – DYNA, DEFORM - 3D…Khả năng ứng dụng của các phần mềm này là hết sức đa dạng và được ứng dụng nhằm phân tích các bài toán đàn hồi hay các bài toán biến dạng dẻo lớn trong gia công áp lực. Một số nhứng phần mềm như vậy được áp dụng rộng rãi trong việc tín toán trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình gia công cơ nói chung cũng như trong gia công áp lực nói riêng là phần mềm Deform – 3D.
Mô phỏng số là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc thiết lập mô hình số để tìm ra lời giải với sự trợ giúp của máy tính. Để mô phỏng một quá trình đòi hỏi:
- Mô hình nguyên lý: Nguyên lý của quá trình và mối liên hệ giữa các thông số liên quan.
- Mô tả bài toán: Sử dụng các công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên lý. - Xử lý các yếu tốđầu vào và các ràng buộc
Tất nhiên một quá trình trong thực tế là một tập hợp gồm rất nhiều yếu tố phức tạp mà không thể có một mô tả toán học nào có thể cho ta kết quả chính xác tuyệt đối. Độ phức tạp của quá trình tang lên, đồng thời với số lượng các thông số liên quan, biến số, phương trình, ràng buộc tăng. Giải quyết cùng lúc cả 3 bước trên đòi hỏi một khối lượng tính toán cực kỳ lớn, và như vậy mô phỏng với sự trợ giúp của máy tínhlà tất yếu.
Ứng dụng mô phỏng số quá trình ép chảy ở trạng thái nóng cho phép phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng và dòng chảy của kim loại. Qua việc phân tích kết quả mô phỏng cho phép người kỹ sư đánh giá được tổng quát quá trình biến dạng tránh các ảnh hưởng xấu tới chất lượng sản phẩm ngay trên máy tính. Việc tính toán, đánh giá kết quả này được tiến hành nhanh và chính xác hơn nhiều so với các phương pháp tính toán giải tích. Từ đó có thể nhanh chóng tối ưu hóa kết cấu
46
khuôn tạo hình cũng như các thông số của quá trình biến dạng. Ứng dụng mô phỏng số có thể tránh được những thử nghiệm thực tế phức tạp và tốn kém. Vì thế đây là một phương pháp càng ngày càng phổ biến trong sản xuất thực tế, và được các kỹ sưứng dụng nhiều.
Để thấy rõ tính ưu việt của phương pháp mô phỏng số trong việc tối ưu công nghệ hãy so sánh phương pháp này với phương pháp thiết kế truyền thống (hình 3.1). Theo phương pháp truyền thống thì sau khi nhận được bản sản phẩm, người kỹ sư phải tiến hành thiết kế công nghệ dựa trên những hiểu biết và kinh nghiệm của mình. Tuy nhiên từ bản thiết kếấy có thể tạo ra được sản phẩm cuối cùng như mong muốn hay không và đã là sản phẩm tối ưu nhất hay chưa thì còn phải qua thực tế mới chứng minh được. Bước tiếp theo là chế tạo khuôn và ép thử. Nếu sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật thì chứng tỏ thiết kế là dung đắn và có thể sản xuất hàng loạt.
47
Hình 3.1. Sơđồ so sánh quá trình tối ưu hóa công nghệ giữa phương pháp truyền thống và phương pháp công nghệ mô phỏng số(công nghệảo)
Nhưng trong thực tế ít gặp trường hợp sản phảm đạt yêu cầu ngay, nhất
là đối với các sản phẩm có độ phức tạp cao, các sản phẩm đó thường có các
khuyết tật cần được khắc bằng cách chỉnh sửa khuôn, nhưng có những khuyết
Thiết kế công nghệ Sản xuất thử Thiết kế sơ bộ Mô phỏng số Quy trình công nghệ tối ưu Sản xuất thử Sai Đúng Sản phẩm PHƯƠNG PHÁP
TRUYỀN THỐNG PHPHƯƠỎNG SNG PHÁP MÔ Ố
(CÔNG NGHỆẢO)
Sản xuất hàng loạt
48
tật không thể sửa chữa được mà phải thay đổi thiết kế lại khuôn. Mặt khác
quá trình này thường lặp lại nhiều lần dẫn đến tốn kém về kinh tế lẫn thời
gian. Còn theo phương pháp mô phỏng số thì toàn bộ khâu tính toán và tối ưu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hóa quá trình thiết kế khuôn được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số
với sự trợ giúp của máy tính. Nên tránh được các sai hỏng trong quá trình
thiết kế khuôn, làm tang năng suất và hiệu quả kinh tế.
3.2. Phần mềm Deform3D
3.2.1. Giới thiệu chung và phạm vi ứng dụng
Phần mềm Deform 3D/6.1 là bộ phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn của hãng SFTC áp dụng để mô phỏng các quá trình tạo hình kim loại như: rèn dập, cắt gọt… và các quá trình truyền nhiệt. Bộ phần mềm Deform được đánh giá là có giao diện thân thiện với cách bố trí các mô đun logic, hợp lý, giúp người dùng dễ dàng làm quen và học tập chuyên sâu.
Deform có các phiên phản khác nhau phù hợp cho từng công việc cụ thể như Deform 2D cho các bài toán đối xứng trục và bài toán phẳng, Deform 3D cho phép thực hiện với các mô hình đầy đủ và quá trình thực. Mỗi phiên bản đều có ưu nhược điểm khác nhau, với Deform 2D ta có thể giảm thiểu đáng kể về mặt thời gian tính toán, chia lưới dễ dàng với mật độ vùng khác nhau, trong khi đó Deform 3D thao tác với mô hình khối đầy đủ và ta có thể sử dụng hình học của vật thể ở bước này cho các bước sau. Trong các dạng này lại có phiên bản Deform–F2/3 (từ phiên bản 6 trở đi) cho phép tính toán một quá trình tổng thể gồm nhiều nguyên công và Deform-HT phân tích và mô phỏng quá trình truyền nhiệt. Trong Deform còn tích hợp bộ thư viện các mô hình vật liệu thông dụng theo chuẩn AISI và người dùng có thể tùy biến theo ý mình. Các mô đun khác như biến dạng phá hủy, phân tích cấu trúc hạt… đang được bổ xung và hoàn chỉnh ở các phiên bản về sau.
49
Deform 3D là một phần mềm thiết kế dễ dùng trong công nghiệp và cả trong nghiên cứu, đặc biệt là bộ công cụ trực quan và tổng hợp cho phân tích các quá trình công nghệ trong lĩnh vực tạo hình kim loại.
Các bước để cài đặt một bài toán mô phỏng trong Deform 2D/3D thông thường như trên hình 3.2:
− Bước thứ 1: Xây dựng mô hình hình học từ sản phẩm hoặc nhập một mô hình có sẵn đã dựng từ một phần mềm chuyên dụng khác;
− Bước thứ 2: Chia lưới phần tử cho phôi (trong nhiều trường hợp chia phần tử cả cho chày và cối);
− Bước thứ 3: Thêm điều kiện biên như các tiếp xúc, ma sát, vận tốc, tải… gán vật liệu;
− Bước thứ 4: Tính toán (Solver) và cập nhật lưới (Remeshing); − Bước thứ 5: Phân tích và kết xuất kết quả.
50
Hình 3.2. Các bước thực hiện bài toán mô phỏng
− Bước thứ 6: Đây là bước tối ưu các thông số công nghệ. Ta có thể quay về các bước tương ứng để thay đổi thông số, sau đó chạy lại bài toán. Bước này thường phải chạy nhiều lần, do đó khối lượng tính toán sẽ lớn nếu không lên kế hoạch thay đổi thông số một cách khoa học.
Ghi chú: Một ưu điểm rất mạnh của Deform3D/2D là có thể sử dụng dữ liệu cài đặt trong file database tại một step nhất định, để làm đầu vào cho một database mới. Sau khi chạy xong ta có thể dùng công cụ quản lý database để nối (merge) các database lại thành một quá trình hoàn chỉnh. Phần mềm này cũng cho phép người dùng trích xuất dữ liệu hình học (dạng lưới) tại các bước mô phỏng, điều này thuận lợi cho việc cài đặt nhiều mô phỏng tương ứng từng nguyên công trên cùng một phôi (Multiple Operation).
51
Sau khi khởi động phần mềm, trên màn hình là giao diện chính của Deform 3D. Bên trái cửa sổ (Directory) là phần hiển thị đường dẫn đến thư mục chứa các tệp dữ liệu của một bài toán mô phỏng. Ô cửa sổở giữa là vùng thông báo quá trình chạy (lỗi, xem trước, các bước lặp…). Vùng bên phải là tiến trình thực hiện mô phỏng (gồm có mô đun Pre Processor, Simulation, Post Processor và các Wizard khác). Ngoài các bài toán dập tạo hình (Forming), Deform 3D còn có mô đun mô phỏng quá trình cắt gọt (Machining cutting).
Hình 3.3. Giao diện chính của Deform 3D
Thông thường chúng ta chỉ làm các thao tác quản lý database và chạy bài toán trên cửa sổ giao diện chính này. Để khởi tạo một bài toán mô phỏng mới ta sẽ bắt đầu với mô dun DEFORM-3D Pre (mô đun tiền xử lý).
Có hai cách để bắt đầu với Pre Processor, một là dùng Wizard Forming và thực hiện tuần tự theo các bước mà phần mềm yêu cầu với mỗi bài toán. Cách này phù hợp với những người mới bất đầu. Khi đã làm quen với Deform ta có thể tạo một thư mục chứa dữ liệu và kích hoạt ngay mô đun Deform 3D Pre, để cài đặt bài
52
toán. Ưu điểm của phương pháp này là cài đặt linh hoạt, số lượng Object không hạn chế, ta có thể chỉnh sửa database bất cứ lúc nào…
Hình 3.4. Giao diện mô đun DEFORM-3D Pre
Trong cửa sổ của mô đun DEFORM-3D Pre cũng phân ra thành các vùng khác nhau: vùng thanh công cụ, vùng đồ họa, cây đối tượng và vùng cài đặt thông số.
Sau đây xin giới thiệu thanh công cụ cơ bản PRE TOOLS , để cài đặt các thông số cần thiết cho một bài toán mô phỏng.
− Simulation controls: là các cài đặt về phương pháp giải, điều kiện dừng, số vòng lặp, dạng bài toán, cập nhật lưới, độ chính xác, đơn vị… Đây là bước đầu tiên cần làm đối với tất cả các bài toán mô phỏng.
53 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.5. Cửa sổ cài đặt thông sốđiều khiển phần mềm
Trong cửa sổ Main, ta đặt một tên thích hợp cho bước mô phỏng. Chú ý rằng đơn vị ngầm định là hệ Anh, do đó khi bắt đầu khởi tạo ta cần chuyển ngay sang hệ SI. Các phương pháp giải (Type) phù hợp với bài toán cụ thể, như bài toán nguội, nóng, cắt gọt, cán vành… Phần mềm ngầm định phương pháp lặp Lagrange. Nếu chỉ thực hiện bài toán biến dạng thì chỉ cần kích hoạt biến Deformation trong cửa sổ Mode. Khi cần tính toán truyền nhiệt, kích thước hạt… thì phải kích hoạt các biến tương ứng.
− Material: là mô đun để quản lý các mô hình vật liệu. Trong Deform có một tập hợp các vật liệu mẫu theo các chuẩn khác nhau như ISO, AISI, DIN… để người dùng có thể tham khảo. Để đạt được kết quả chính xác chúng ta phải đưa vào mô hình vật liệu sát với thực tế. Để làm điều đó các thí nghiệm nhận dạng thuộc tính vật liệu là cần thiết. Trong mô đun này Deform cho phép người dùng khởi tạo mô hình vật liệu người dùng.
54
Hình 3.6. Thư viện vật liệu của Deform 3D
− Object positioning: Ta sử dụng mô đun này khi cần hiệu chỉnh vị trí của các đối tượng trong mô hình. Thông thường bước này sẽ không cần nếu ta xây dựng mô hình gồm các đối tượng trên cùng một hệ quy chiếu gốc và đã ở vị trí làm việc. Với các mô hình phức tạp thì việc lắp ghép các đối tượng ở vị trí sẵn sàng làm việc sẽ thuận tiện cho quá trình khởi tạo các tiếp xúc để cho bài toán chạy chính xác và hội tụ. Hơn nữa quá trình định vị trí trên các phần mềm thiết kế đơn giản và chính xác hơn rất nhiều trong Deform.
− Inter-object: là mô đun tạo các contact. Đa phần các bài toán nên tạo tiếp xúc (contact) giữa các đối tượng một cách chủ động ngay từ ban đầu, để tránh các sai lệch không đáng có cho bài toán. Deform 3D cũng có thể tựđộng tạo ra các tiếp xúc trong quá trình tính toán nhưng đôi khi không chính xác và bài toán có thể không hội tụ.
55
Hình 3.7. Tạo tiếp xúc giữa các đối tượng
Phần mềm tự động khởi tạo các tiếp xúc giữa các dối tượng có trong mô hình, người dùng sẽ gán hệ số ma sát, hệ số truyền nhiệt… và kích vào nút Generate all để tạo contact, nếu thành công ta sẽ quan sát được các tiếp xúc trên mô hình qua các màu khác nhau. Một chú ý khá quan trọng là khi gán Master/Slave cho đối tượng nếu không đúng, sẽ không tạo được contact.
− Database generation: đây là bước sau cùng để kiểm tra việc cài đặt bài toán có thành công hay không. Nếu hợp lệ thì một tệp (*.db) được tạo ra ngay trên