Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO
3.3. Mơ phỏng q trình biến dạng CCDF
3.3.1. Mơ phỏng q trình CCDF bằng phần tử hữu hạn
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) đƣợc sử dụng trong biến dạng tạo hình kim loại để khảo sát ứng xử của phôi trong điều kiện phi tuyến của điều kiện biên, tải trọng, sự ảnh hƣởng của các thông số khác nhau tới quá trình biến dạng, từ đó có thể tối ƣu hóa các thơng số công nghệ.
Hiện nay, để mơ phỏng q trình CCDF có rất nhiều phần mềm công nghiệp đƣợc sử dụng và đƣa ra những kết quả tƣơng đối sát thực tế. Các phần mềm đó là ANSYS, LS – DYNA, DEFORM, QFORM.
Trong luận án sử dụng phần mềm công nghiệp DEFORM. Đây là phần mềm chuyên dùng cho cơng nghệ tạo hình kim loại bằng áp lực với nhiều tính năng hữu ích và tƣơng đối thuận lợi.
3.3.2. Mục đích của mơ phỏng
Q trình mơ phỏng tiến hành 3 chu kỳ với 9 lần ép, tƣơng ứng với 8 lần lật phơi (phơi có kích thƣớc đã đƣợc xác định trong mục 3.2.3) trong khn kín trên phần mềm DEFORM-3D, nhằm khảo sát lực biến dạng, trƣờng ứng suất, trƣờng biến dạng của phơi trong q trình CCDF.
3.3.3. Mơ hình mơ phỏng
3.3.3.1. Mơ hình mơ hình và vật liệu
a) b) Hình 3.12. Mơ hình hình học (a) và mơ hình vật liệu (b)
Mơ hình thực là phơi có kích thƣớc (17x17x25) mm, dụng cụ gồm chày, cối. Kết cấu của mơ hình đƣợc trình bày trong hình 3.12a, và sử dụng mơ hình vật liệu nghiên cứu tƣơng đƣơng mác BT14, đƣợc xây dựng trên cơ sở số liệu của П. И. Полухин [65], nhƣ trên hình 3.12b.
3.3.3.2. Mơ hình phần tử hữu hạn
Hình 3.13. Mơ hình chia lưới phần tử phơi ép chu kỳ
Số lƣợng phần tử trong phôi xấp xỉ 50000, phần tử dạng tứ diện 4 nút (hình 3.13). Chày cối đƣợc coi nhƣ cứng tuyệt đối để tập trung vào phân tích sự biến dạng của phơi trong q trình CCDF.
3.3.3.3. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu khi CCDF
Với vật liệu nghiên cứu là Ti-5Al-3Mo-1,5V có nhiệt độ chuyển biến pha trong khoảng (920 960) o
C, nhiệt độ phù hợp cho biến dạng nóng hợp kim này là gần với nhiệt độ chuyển biến pha, trong khoảng (850 950) o
C. Để làm cơ sở cho việc tính bền, thiết kế khuôn, lựa chọn thiết bị ở điều kiện lực biến dạng lớn nhất, chọn nhiệt độ cho mô phỏng là 850 oC, tốc độ ép 1 mm/s, hệ số ma sát f = 0,7 (ép ở trạng thái nóng).
3.3.3.4. Trình tự các bước mơ phỏng
- Lần ép thứ nhất trong chu kỳ thực hiện ép theo trục oz; - Lần ép thứ hai trong chu kỳ thực hiện ép theo trục ox; - Lần ép thứ ba trong chu kỳ thực hiện ép theo trục oy.
3.3.4. Kết quả mô phỏng
3.3.4.1. Biến dạng của phôi trong quá trình CCDF
Qua các kết quả thu đƣợc tại các bƣớc ép, cho thấy phôi bị biến dạng lớn tuy nhiên hình dáng của phơi hầu nhƣ khơng thay đổi, chỉ thay đổi kích thƣớc trên các trục. Sử dụng công cụ Flow Net dạng lƣới (Grid) để nghiên cứu sự dịch chuyển của các chất điểm trong quá trình biến dạng. Tại thời điểm bắt đầu ép của chu kỳ 1 xét một mặt cắt của phôi song song với mặt yoz (mặt màu xanh Green), khi thay đổi hƣớng ép trong một chu kỳ (hình 3.14) cho thấy mặt cắt ban đầu bị xô lệch, biến dạng thành mặt cong có hình dáng phức tạp, các nút bị lƣới bị dịch chuyển theo các phƣơng khác nhau theo cả 3 chiều của hệ trục tọa độ.
Hình 3.14. Dịch chuyển của mặt cắt xem xét trong chu kỳ 1
Nếu xem xét trong cả 3 chu kỳ (hình 3.15) thì sự xơ lệch này diễn ra mạnh mẽ hơn, tạo ra sự giao cắt giữa các mặt trong thể tích phơi ép, mặc dù hình dạng phơi khi kết thúc hầu nhƣ khơng thay đổi. Đây chính là một cơ sở quan trọng để tạo ra tổ chức hạt có kích thƣớc hạt nhỏ mịn khi sử dụng phƣơng pháp CCDF để chuẩn bị phơi.
Hình 3.15. Sự dịch chuyển của mặt cắt xem xét trong cả 3 chu kỳ 3.3.4.2. Trường ứng suất của phôi 3.3.4.2. Trường ứng suất của phôi
Khảo sát trƣờng sự phân bố của ứng suất hiệu dụng (stress effective) khi CCDF cho thấy giá trị của ứng suất này phân bố không đồng đều trong thể tích phơi ép, có xu hƣớng tăng dần từ khu vực góc vật liệu bị khống chế ra vùng hƣớng chảy tự do đƣợc quy định bởi kết cấu của khn ép (hình 3.16).
Hình 3.16. Ảnh đồ phân bố ứng suất hiệu dụng cuối mỗi chu kỳ ép
Khoảng biến thiên của ứng suất trong từng lần ép của các chu kỳ tƣơng đối ổn định, giá trị lớn nhất ở các chu kỳ ép đƣợc thống kê trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Giá trị σmax của các trường hợp khác nhau
STT Trƣờng hợp mô phỏng ζmax (MPa)
1 Chu kỳ 1 213
2 Chu kỳ 2 216
3.3.4.3. Lực của quá trình CCDF
Khảo sát về lực để tính tốn cơng biến dạng, chọn máy ép, thiết kế chày ép đảm bảo quá trình ép đƣợc thuận lợi và kéo dài tuổi thọ khuôn cũng nhƣ thiết bị. Q trình mơ phỏng cho phép xác định đƣợc sự thay đổi của lực ép tác động lên chày theo các hƣớng z, x và y tƣơng ứng với các màu xanh da trời (blue), xanh lá cây (green) và màu đỏ (red) của cả ba chu kỳ, đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.17. Phân tích đồ thị lực cho thấy, nhìn chung giá trị lực ép lớn nhất theo các hƣớng khác nhau khá ổn định trong tổng thời gian ép là 72 giây, riêng chu kỳ ép số 1 có một vài điểm bất thƣờng, lực có vọt tăng lên nhƣng khơng đáng kể.
Hình 3.17. Giá trị lực ép của các bước ép theo 3 chu kỳ
Dựa vào giá trị lực lớn nhất cho phép xác định đƣợc lực công nghệ cần thiết và là cơ sở để lựa chọn thiết bị ép, giá trị lực ép lớn nhất của các lần ép đƣợc tổng hợp trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Giá trị lực ép lớn nhất ở mỗi lần ép STT Trƣờng hợp mô phỏng Pmax (T) STT Trƣờng hợp mô phỏng Pmax (T) 1 Ép một chu kỳ Lần ép 1 (trục Z) 10,2 Lần ép 2 (trục X) 8,1 Lần ép 3 (trục Y) 8,57 2 Ép hai chu kỳ Lần ép 4 (trục Z) 7,35 Lần ép 5 (trục X) 7,16 Lần ép 6 (trục Y) 7,33 3 Ép ba chu kỳ Lần ép 7 (trục Z) 7,48 Lần ép 8 (trục X) 7,66 Lần ép 9 (trục Y) 7,7
Qua các giá trị lực ép lớn nhất thu đƣợc cho thấy, giá trị này có sự thay đổi ở mỗi lần ép tuy nhiên dao động từ 7 đến 10 tấn. Nhƣ vậy, căn cứ vào các tiêu chí tổng hợp (biến dạng, ứng suất, lực ép) để có thể lựa chọn đƣợc thơng số mô phỏng sao cho hợp lý, hiệu quả, phục vụ hữu ích, định hƣớng cho quá trình thực nghiệm.