Kết quả mô phỏng số cho phép tối ưu các điều kiện của bài tốn ngay trên máy tính, lựa chọn vật liệu một cách hợp lí và thay đổi mẫu mã, chủng loại sản phẩm nhanh, giảm thời gian và chi phí cho thiết kế và chế tạo. Ngồi ra mơ phỏng số cịn giúp trả lời nhiều câu hỏi mà bằng thực nghiêm trong thực tế khó mà thỏa mãn được. Sản phẩm Thiết kế Mô phỏng Sản phẩm mẫu Sản xuất hàng loạt Đánh giá
35
Qui trình cơng nghệ theo hình 3.1 là theo qui trình truyền thống. Như vậy sẽ xuất phát từ vật liệu, sau đó tiến hành cán và hiệu chỉnh nhiều lần khuôn và các điều kiện cơng nghệ sau đó mới đưa ra được sản phẩm đạt chất lượng. Phương pháp này tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc. Khơng cịn phù hợp với xu hướng phát triển cơng nghệ.
Qui trình tiên tiến theo hình 3.2 kết hợp với mơ phỏng số q trình gia cơng cho ta nhiều ưu điểm nổi bật. Các bước tiếp cận từ lý thuyết đến mô phỏng không tốn kém mà hiệu quả mang lại rất cao. Hạn chế được tối đa sai số khi vào thực nghiệm. Giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc.
Các phần mềm mô phỏng số được dùng rất phổ biến hiện nay như Deform 2D, Deform 3D, Ansys, Dynaform… Mỗi phần mềm đều có một điểm mạnh riêng, một ưu thế riêng có thể giúp ta giải quyết dễ dàng những vấn đề khó trong việc mơ phỏng một bài tốn.
Với phương pháp tiên tiến khơng cần diện tích nhà xưởng để tiến hành việc sản xuất thử, các công đoạn trước khi tiến hành sản xuất đều được thực hiện trên máy tính để thực hiện tối ưu hố cơng nghệ. Do đó khơng cần chi phí cho việc sản xuất thử sản phẩm.
3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn
Như đã đề cập ở trên, hiện nay có nhiều phương pháp số tuy nhiên phương pháp PTHH đang được ứng dụng phổ biến hơn cả. Điểm đặc trưng nhất của phương pháp PTHH là có khả năng áp dụng cho các bài tốn có mơ hình hình học phức tạp và có điều kiện biên phức tạp nhờ việc rời rạc hố mơ hình tổng thể thành các miền con hữu hạn, trong khi đó phương pháp SPHH về căn bản chỉ áp dụng được trong dạng hình chữ nhật với mối quan hệ đơn giản. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp PTHH thường cho kết quả chính xác hơn phương pháp SPHH.
Phương pháp PTHH là phương pháp chia đối tượng nghiên cứu thành các phần tử nhỏ ở dạng lưới mà các thơng số cơ lí tính ban đầu tập trung tại các nút của
36
phần tử. Trong q trình gia cơng, các thông số này biến đổi và mang thông tin của trạng thái mới. Trạng thái mới của phần tử được tính tốn theo các thơng số ban đầu dựa trên các dữ kiện của mơ hình vật liệu gia cơng như tính dẻo, tính dẫn nhiệt, mơ đun đàn hồi …và các điều kiện gia công như nhiệt độ gia công, tốc độ biến dạng, mức độ biến dạng, hệ số truyền nhiệt, điều kiện tiếp xúc và ma sát…Q trình tính tốn thực hiện cho tất cả các nút phần tử và lặp lại theo từng bước thời gian cho đến khi kết thúc q trình gia cơng. Dựa trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn người ta đã xây dựng nên nhiều phần mềm tính tốn, mơ phỏng như Ansys, Deform, LS-Dyna, Abaqus…
3.3 Giới thiệu chung về DEFORM 3D
DEFORM là nhóm các phần mềm mô phỏng số trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) nhằm phân tích các q trình tạo hình và sử lí nhiệt khi tạo hình kim loại, hợp kim, q trình gia cơng cơ cũng như phân tích khn tạo hình và nhiều cơng nghệ liên quan. Nhóm các phần mềm này được phát triển bởi tập đoàn Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC), Mỹ. 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 đốn và giải thích các nguyên nhân sai hỏng sản phẩm, từ đó tiết kiệm được các chi phí cho sản xuất. Do đó trong nhiều năm qua có rất nhiều các cơng ty cũng như các trung tâm lớn đã ứng dụng phần mềm DEFORM vào trong sản xuất và phát triển sản phẩm của mình.
Vào những năm 1980, DEFORM được ứng dụng lần đầu tiên trong mô phỏng số q 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… Các quá trình biến dạng nguội như: tán rivet, sản xuất các chi tiết cho vịng bi, vỏ ngồi bugi… Việc mô phỏng đã giúp loại bỏ các khả năng khuôn bị phá hủy cũng như dụng cụ bị biến dạng. DEFORM còn được ứng dụng nhiều trong các ngành công
37
nghiệp như hàng khơng, ơ tơ, dầu khí và các ngành cơng nghiệp khác cần mơ phỏng q trình biến dạng dẻo kim loại và phân tích khn. Ngay từ những năm 1990, DEFORM được dùng để giải quyết rất nhiều các bài toán liên quan đến biến dạng dẻo kim loại, tối ưu hóa q trình, phân tích lực và ứng suất trên khn tạo hình.
Ngày nay DEFORM là tiêu chuẩn vàng cho nhiều nhà sản xuất bởi DEFORM có thể mơ phỏng được quá trình cắt khi phay, khoan, taro. DEFORM cũng được dùng để mơ phỏng q trình cán tạo hình kim loại như cán phơi trục bậc dùng để chế tạo bánh răng phục vụ các ngành cơ khí, cán vành, cán hành tinh, cán ren, cán bi…
Phần mềm DEFORM hiện đang có các loại:
- DEFORM 3D: Thực hiện mơ phỏng q trình biến dạng trên mơ hình 3D có tính ảnh hưởng của nhiệt độ; phân tích thay đổi cấu trúc hạt trong q trình biến dạng - DEFORM 2D: Mơ phỏng các q trình biến dạng của kim loại và hợp kim trên
mơ hình 2D, q trình mơ phỏng cũng tính ảnh hưởng của nhiệt độ.
- DEFORM F3: Được ứng dụng để mơ phỏng trên mơ hình 3D cho q trình rèn, chồn, ép chảy và dập sâu.
- DEFORM F2: Cũng giống như DEFORM F3, tuy nhiên việc mơ phỏng số các q trình tạo hình được thực hiện trên mơ hình 2D cho các chi tiết đối xứng trục hay bài toán biến dạng phẳng.
- DEFORM HT: Được dùng nhiều trong mô phỏng quá trình truyền nhiệt, nhiệt luyện như ủ tôi, thấm cacbon cũng như sự thay đổi cấu trúc hạt do nhiệt. DEFORM HT cho kết quả về độ cứng, ứng suất dư, biến dạng do nhiệt và các thuộc tính cơ học khác của vật liệu sau khi xử lý nhiệt.
Ngoài ra, để mở rộng và giúp đẩy nhanh q trình tính tốn, mơ phỏng số, SFTC cũng phát triển nhiều modul chuyên dùng, tích hợp trên nền DEFORM 2D, 3D như: cán nong vành (Ring rolling), cán tạo hình (cogging). Các cơng cụ cho phép chỉnh sửa mơ hình khi đưa vào DEFORM để mô phỏng (Geometry Tool) và
38
modul cho phép đưa hàm phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt, nhiệt độ trên cơ sở thực nghiệm.
3.4 Cấu trúc phần mềm DEFORM
Phần mềm DEFORM 3D có các modul chính sau: - Tiền xử lý (Pre – processing)
- Modul giải (Solver)
39
Tiền xử lý ( Pre – processing )
Modul này cung cấp các công cụ cho phép người dùng xây dựng mơ hình hình học, chia lưới phần tử hữu hạn, chon loại vật liệu với các 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… Tạo cơ sở dữ liệu phục vụ cho q trình tính tốn ở bước sau (Solver). Người dùng cũng có thể thay đổi các thơng số liên quan đến q trình tính tốn như kiểu bài toán biến dạng, bài toán nhiệt, các phương pháp tính (Ơ le, Lagrangian), các bước lặp, chọn modul giải phù hợp.
Điều chỉnh q trình mơ phỏng
Modul tiền xử lý bao gồm các tùy chỉnh cho phép người dùng chọn hệ đơn vị, phương pháp mô phỏng (theo Lagrange, Ơ Le 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 (Remesh Criterial).
DEFORM 3D sử dụng hai hệ thống đơn vị là hệ đơn vị SI và hệ đơn vị IN. DEFORM 3D chủ yếu dựa vào phương pháp Lagrange cập nhật. Phương pháp này được dùng chủ yếu khi mơ phỏng các q trình biến dạng kim loại, quá trình truyền nhiệt, chuyển pha trong kim loại khi cán, ép, rèn…