DEFORM là nhóm các phần mền mô phỏng số trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng số quá trình tạo hình kim loại và hợp kim, quá trình gia công cơ cũng như phân tích khuôn tạo hình. Nhóm các phần mềm này được pháp triển bởi tập đoàn SFTC (Scientific Forming Technologies Corporation) từ năm 1991. Việc thực hiện mô phỏng số sẽ tối ưu và nâng cao chất lượng đồng thời giảm thiểu những chi phí và số lần sản xuất thử trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt cho một loại sản phẩm. Deform cũng được dùng 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 các nguyên nhân sai hỏng sản phẩm từ đó tiết kiệm được chi phí sản xuất. Do đó, trong nhiều thập kỷ qua, đã nhiều công ty lớn cũng các trung tâm đã ứng dụng vào trong sản xuất và pháp triển sản phẩm của mình.
DEFEORM đã được ứng dụng nhiều ngành công nghiệp như hàng không, ô tô, dầu khí và các ngành công nghiệp khác để cần mô phỏng quá trình biến dạng dẻo kim loại và phân tích khuôn. Ngay từ những năm 1990, Deform được dùng để giải quyết hàng nghìn bài toán liên quan đến biến dạng dẻo kim loại, tối ưu hóa quá trình, phân tích lực và ứng suất trên khuôn tạo hình.
SFTC đưa ra phiên bản DEFORM 2D dùng cho các máy tính vào năm 1989. Vào năm 1993, phiên bản DEFORM 3D được công bố và ứng dụng để giải quyết các bài toán mô phỏng trên mô hình ba chiều.
Vào những năm 1980, DEFORM được ứng dụng lần đầu tiên trong mô phỏng số quá trình rèn nóng cho các sản phẩm rèn. Các chi tiết rèn đối xứng trục như đĩa tuabin, trục, bánh răng, trục khuỷu, tay biên, piston, thanh truyền..vv.Các quá trình biến dạng nguội như, tán rivet, sản xuất các chi tiết cho vòng bi, vỏ ngoài bugi, đã được mô phỏng bằng DEFORM từ những năm 1990. Việc mô phỏng đã
Ngày nay DEFORM là tiêu chuẩn vàng cho nhiều nhà sản xuất bởi DEFORM có thể mô phỏng được quá trình cắt khi phay, khoan và thậm chí ta rô. DEFORM cũng được dùng để mô phỏng quá trình cán tạo hình kim loại như cán nong vành, cán hành tinh, cán ren, vv...
Tập đoàn SFTC hiện đang hỗ trợ các sản phẩm :
- DEFORM 3D: Thực hiện mô phỏng quá trình biến dạng trên mô hình 3D có tính ảnh hưởng của nhiệt độ; phân tích thay đổi cấu trúc hạt trong quá trình biến dạng.
- DEFORD 2D: Cũng được dùng để mô phỏng số các quá trình biến dạng của kim loại và hợp kim trên mô hình 2D; quá trình mô phỏng cũng tính ảnh hưởng của nhiệt độ. DEFORD 2D cũng được dùng để nghiên cứu, mô phỏng sự thay đổi cấu trúc hạt sau khi ép ở mô hình 2D.
- DEFORM F3: Được ứng dụng trong mô phỏng trên mô hình 3D cho quá trình rén, chồn, ép chảy cũng như dập sâu.
- DEFORM F2: Cũng giống như DEFORM F3, tuy nhiên việc mô phỏng số các quá trình tạo hình được thực hiện trên mô hình 2D cho các chi tiết đối xứng trục hay trong bài toán biến dạng phẳng.
- DEFORM HT: Được dùng nhiều trong mô phỏng quá trình truyền nhiệt, nhiệt luyện như ủ tôi, thấm cácbon cũng như sự thay đổi cấu trúc hạt do nhiệt. DEFORM HT cho kết quả vềđộ cứng, ứng suất dư, biến dạng do nhiệt và các thuộc tính cơ học khác của vật liệu sau khi sử lý nhiệt. DEFORM HT cũng được tích hợp với các DEFORM 3D và DEFORM 2D để phân tích sự thay đổi cấu trúc hạt của kim loại và hợp kim trong quá trìng biến dạng.
Ngoài ra, để mở rộng khả năng tính toán, mô phỏng và giúp đẩy nhanh quá trình mô phỏng số, SFTC cũng pháp triển nhiều module chuyên dùng, tích hợp trên nền sản phẩm DEFORM 2D, 3D như: cán nong vành (Ring rolling), coogging, các tạo hình, các công cụ cho phép chỉnh sửa mô hình khi đưa được vào DEFORM để mô phỏng (Geometry Tool) và module cho phép đưa hàm phụ thuộc của hệ số
truyền nhiệt cục bộ và nhiệt độ trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm (Inverse Property Extraction(2D)). 3.2. Cấu trúc phần mềm DEFORM Cũng như các phần mềm mô phỏng số khác, phần mền DEFORM 3D có cá module chính như sau: - Tiền xử lý (Pre-processing) - Module giải (Solver) - Hậu xử lý (Post Processing) 3.2.1. Tiền xử lý (pre-processing).
Module này cung cấp các công cụ cho phép người dùng xây dựng mô hình hình học, chia lưới phần tử hữu hạn, chọn loại vật liệu với mô hình thuộc tính biến dạng tương ứng, xác định các điều kiện biên về lực, vận tốc, gia tốc, nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, các điều kiện biên tiếp xúc...Và tạo cơ sở dữ liệu phục vụ cho quá trình tính toán ở bước sau (Solver). Người dùng cũng có thể thay đổi các thông số liên quan đến quá trình tính toán (Solver) như kiểu bài toán (bài toán biến dạng, bài toán nhiệt) phương pháp tính (Ơle, Lagrangian), các bước tính toán, các bước lặp cùng với việc chọn module giải (solver) phù hợp.
• Mô hình hình học
DEFORM 3D cung cấp một số các công cụ cho phép người dùng xây dựng mô hình học, tuy nhiên do có nhiều hạn chế cũng như mức độ linh hoạt người dùng thường đưa (improt) các mô hình hình học đã được thiết kế trên các phần mềm CAD chuyên dụng vào. Các phần mền CAD chuyên dụng này có thể kể đến là SOLIDWORK, CATIA, NX hay ProE...Dữ liệu CAD đầu vào ở dạng .igs hoặc
.step hoặc.stl. DEFORM 3D sẽ chuyển đổi các dữ liệu CAD này thành dữ liệu của chương trình và cho phép chia lưới cũng như các chức năng khác để dụng mô hình tính.
Trên thực tế, phương pháp dựng mô hình hình học bằng cách đưa các mô hình đã được thiết kế trên phần mềm CAD chuyên dụng vào DEFORM 3D được sử nhiều hơn cả. Lý do chính là việc tạo mô hình hình học trên DEFORM 3D bị hạn chế và tốn nhiều thời gian khi dựng các mô hình phức tạp, đồng thời hạn chế thời gian thiết kế lại các mô hình hình học có sẵn.
Mô hình hình học sau khi đưa vào DEFORM sẽđược kiểm tra và chỉnh sửa (bề mặt khối); xác định các mặt phẳng đối xứng ( khi tính toán cho các bài toán đối xứng trục).
• Chia lưới (meshing)
Quá trình chia lưới được thực hiện một cách tự động. DEFORM hỗ trợ hai kiểu phần tử là khối tứ diện (tetrahedra) và khối lập phương (brick). Tùy thuộc vào mô hình vật liệu cũng như bài toán cần giải mà người dùng chọn kiểu dạng phần tử phù hợp.
Ngoài việc cho phép tạo lưới phần tử bằng các công cụ có sẵn trong chương trình, DEFORM 3D cũng cho phép đưa lưới phần tử đã được chia bằng các phần mềm mô phỏng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) khác như NATRAN, PATRAN, AMGGEO, IDEAS...
Sau khi chia lưới phần tử, người dùng có thể kiểm tra lưới phần tử bằng công cụ “ check mesh”, tuy nhiên DEFORM không có nhiều công cụ mạnh để chỉnh sửa lưới phần tử sau khi chia. Do kết quả bài toán phụ thuộc khá nhiều vào chất lượng lưới chia lưới phần tử nên việc kiểm tra cũng như hiệu chỉnh sau khi chia lưới là rất cấp thiết. Trên thực tế người ta thường sử dụng kết hợp với phần mềm HyperMesh của hãng Altair (Ấn độ) để thực hiện việc chia lưới và chỉnh sửa lưới phần tử, sau đó lưới phần tử này được đưa vào trong DEFORM 3D để tính toán.
Khi chia lưới tự động trong DEFROM 3D, người dùng có thể thay đổi kích thước của phần tử, kích thước càng nhỏ thì số lượng phần tử và số lượng nút càng lớn, kết quả tính càng chính xác. Tuy nhiên, khi số lượng phần tử càng lớn, quá trình tính toán càng lâu. Như vậy tùy thuộc vào mức độ chính xác cần thiết, cấu hình máy tính được dùng để tính toán mà ta chọn kích thước phần tử phù hợp.
• Mô hình vật liệu
Với tính mở rông trong việc nhập các thuộc tính cơ học vật liệu, DEFORM 3D cho phép thực hiện tính toán cho nhiều bài toán, từ các bài toán liên quan đến biến dạng dẻo, biến dạng đàn hồi, bài toán nhiệt, chuyển pha đến các bài toán mô phỏng quá trình lớn lên của hạt hay quá trình kết tinh lại. Mô hình vật liệu cũng như các tính chất cơ nhiệt của vật liệu được định nghĩa trên các thông số khác nhau trong cùng một cửa sổ hộp thoại.
- Biến dạng đàn hồi: Các thông số cần thiết là giới hạn dẻo, hệ số poatxong, hệ số dãn nở nhiệt.
-Thông số về nhiệt độ: Các thông số này thường được sử dụng khi tính đến quá trình truyền nhiệt: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, mức độ bức xạ nhiệt. Các thông số này có thể được xác định như một hằng số hoặc là hàm của nhiệt độ, của các kim loại thành phần hoặc của cả nhiệt độ và các kim loại thành phần.
- Biến dạng dẻo: Trong biến dạng dẻo, điều quan trọng nhất là xác định mô hình thuộc tính hay “ứng sử” của vật liệu khi biến dạng dẻo dưới tác dụng ngoại lực. DEFORM 3D hỗ trợ mô phỏng cho nhiều loại vật liệu với các mô hình thuộc tính cơ học khác nhau, từ mô hình vật liệu dẻo tức thời đến mô hình vật liệu dẻo phụ thuộc vào tốc độ biến dạng (dão).
Trong thư viện của phần mền DEFORM 3D cung cấp hơn 145 loại vật liệu khác nhau với mô hình thuộc tính đã được xác định bằng thưc nghiệm (đường cong σ-ε). Người dùng có thểđưa mô hình vật liệu vào mô phỏng.
Các điều kiện dẻo được dùng trong DEFROM là điều kiện dẻo VonMises, điều kiện dẻo dị hướng Hill và điều kiện dẻo Lankford. DEFORM 3D chỉ tính cho các bài toán biến dạng dẻo có thể hóa bền đẳng hướng và hóa bền động. Có thể thấy rằng DEFORM 3D có thể giải quyết được các bài toán biến dạng dẻo kim loại và hợp kim với mô hình vật liệu dẻo tức thời như:
o Biến cứng đẳng hướng tuyến tính kép o Biến cứng đẳng hướng nhiều đoạn o Biến cứng đẳng hướng phi tuyến
o Biến cứng động tuyến tính kép o Biến cứng động phi tuyến o Dẻo dị hướng
Bên cạnh các mô hình vật liệu dẻo tức thời, DEFORM 3D cũng hỗ trợ tính toán cho các mô hình vật liệu dẻo phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Mô hình này thường được ứng dụng khi mô phỏng quá trình biến dạng nóng kim loại và hợp kim.
• Điều kiện biên
DEFORM 3D cung cấp giao diện hiệu quả và dễ sử dụng. Người dùng có thể đưa các điều kiện biên phù hợp với yêu cầu đặt ra. Việc thiết lập điều kiện biên càng chính xác và sát với thực tế sẽ thì giúp cho các kết quả mô phỏng được chính xác.
Các điều kiện biên có thể kể đến là: Điều kiện biên về nhiệt độ, về vận tốc, gia tốc cũng như lực. Các thông sốđi kèm với các điều kiện biên này có thể là hằng số hay là hàm của thời gian, khoảng dịch chuyển của dụng cụ và vị trí tương đối giữa các đối tượng hình học trong mô hình.
Bên cạnh đó DEFORM 3D cũng xác định các thông số điều kiện biên cho máy búa (khi mô phỏng quá trình rèn), cho máy ép trục vít ( khi mô phỏng ép trên máy ép trục vít), lực ép cơ học dùng cơ cấu tay biên – thanh truyền, máy cán (khi mô phỏng quá trình cán )
• Tiếp xúc (inter-object)
Việc định nghĩa các cặp tiếp xúc cũng có ảnh hưởng đáng kể tới kết quả mô phỏng. DEFORM 3D hỗ trợ công việc này một cách tự động hoặc do người dùng đinh nghĩa. Khái niệm “master” và “slave” được dùng trong việc xác định các cặp tiếp xúc như cặp giữa chi tiết cũng bị biến dạng, giữa chi tiết bị biến dạng với các chi tiết tạo hình hoặc tự tiếp xúc (self-contact). Các cặp tiếp xúc được liệt kê ở dạng bảng (Hinh 3.1)
Hình 3.1. Bảng tiếp các cặp tiếp xúc trong DEFORM 3D
DEFORM 3D hỗ trợ các mô hình ma sát:
o Mô hình Coulomb: Thường được dùng trong mô phỏng số quá trình tạo hình kim loại và tấm kim loại. Mô hình này được dựa trên cơ sở lý thuyết ma sát dính p s f =µ (3.1) Trong đó: fs là ứng suất ma sát µ là hệ số ma sát p là áp suất bề mặt ở vùng tiếp xúc
o Mô hình ma sát Tresca (shear) được xác định qua công thức :
fs = m.k (3.2)
Trong đó: fs là ứng suất ma sát
m là hệ số ma sát
k là ứng suất cắt của vật liệu
o Mô hình hybrid là mô hình ma sát tổ hợp của mô hình Coulomb và mô hình ma sát khô .
Các hệ số ma sát tương ứng với các mô hình ma sát có thể là hằng số hoặc là của hàm áp suất tiếp xúc, nhiệt độ…. Tùy thuộc vào chất bôi trơn và điều kiện tiếp xúc. Có thể nói DEFORM 3D đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của người dùng về xác định điều kiện biên tiếp xúc.
• Điều khiển quá trình mô phỏng
Ngoài việc lập mô hình hình học, chia lưới phần tử, áp điều kiện biên, module tiền xử lý cũng bao gồm các tùy chỉnh cho phép người dùng chọn hệđơn vị, phương pháp mô phỏng (theo lagrange, Ơle hay Lagrange cập nhật), hiệu chỉnh các bước lặp cũng như phương pháp lặp, cho thuật toán (solver) phù hợp, điều kiện kết thúc bài toán, chia lại lưới (remeshing)
Hình 3.2. Hộp thoại điều khiển mô phỏng DEFORM 3D
DEFORM sử dụng hai hệ thống đơn vị là hệđơn vị SI và hệđơn vị Anh (in). Để mô phỏng, DEFROM 3D chủ yếu dựa và phương pháp Lagrange cập nhật. Phương pháp này được dùng chủ yếu khi mô phỏng các quá trình biến dạng kim loại, quá trình truyền nhiệt, chuyển pha trong kim loại khi cán, ép, rèn … Bên cạnh đó, DEFORM 3D cũng cung cấp các ứng dụng (template) dành riêng khi mô phỏng