Luận văn Mô phỏng một số quá trình gia công áp lực

lệ giữa chiều cao và đường kính đáy sản phẩm. Ta có thể tham khảo bảng sau: Bảng 3.3: Số lần dập đề nghị cho quá trình dập sâu 0.6 0.6-1.4 1.4-2.5 2.5-4.0 4.0-7.0 7.0-12.0 1 2 3 4 5 6 Theo thông số bài toán: Vì vậy ta chọn lần dập, kết hợp với lần dập vuốt để hoàn thiện bề mặt sản phẩm. Quá trình dập sâu Xem thể tích của phôi trước và sau gia công là không đổi ta có Hoặc ta dùng các công thức đơn giản hơn cũng cho ra kết quả tương tự Và với mỗi lần dập với bán kính , chiều cao của phôi được tính bằng công thức 1 - Chày 2 - Khuôn 3 - Đế khuôn 4 - Phôi 5 - Vòng điều chỉnh Hình 3.1: Các kích thước cơ bản cho lần dập đầu tiên Theo công thức E.Kaczmrek bán kính tại góc lượn của khuôn tại lần dập đầu tiên: Trong đó là đường kính của phôi là đường kính trong của chày là bề dày của phôi Tương tự ta có công thức tính góc lượn tại lần dập thứ hai và tương tự cho các lần tiếp theo Tuy nhiên, ta cũng có thể chọn bán kính góc lượn sơ bộ cho chày và khuôn như sau Vì vậy bán kính góc lượn của chày và khuôn lần lượt là: Tỷ số giới hạn gia công (limited drawing ratio) là tỷ số giữa đường kính lớn nhất trong một lần dập so với đường kính của chày: Tỷ số này thay đổi theo từng loại vật liệu của phôi và nhìn chung, vật liệu có độ bền càng cao thì tỷ số giới hạn gia công càng cao hay là khả năng nhanh chóng đạt được hình dạng sau một số ít lần gia công. Hình 3.2: Biểu đồ tỷ lệ giới hạn gia công của một số vật liệu Vậy bán kính của phôi và kích thước dự kiến sau lần dập đầu tiên Đường kính của khuôn của mỗi lần dập được xác định bằng công thức Trong đó, là khoảng hở giữa chày và khuôn. Theo công thức của Oehler khoảng hở được chọn Với: là bề dày lớn nhất trong suốt quá trình dập và là chiều dày ban đầu của phôi. là hệ số vật liệu và được đề nghị như sau: khi vật liệu là thép. cho kim loại màu nói chung. Điểm hạn chế của công thức này là phải trải qua thực nghiệm mới xác định được . Để vấn đề trở nên đơn giản hơn ta dùng công thức đề nghị sau: Đường kính của khuôn dập đầu tiên: Ta có: nên ta cần có blank-holder để giữ phôi. Quá trình dập lại: Hình 3.3: Các kích thước cơ bản cho lần dập thứ hai Các kích thước dự kiến sau lần dập thứ hai Vì lần dập thứ hai có ảnh hưởng đến kích thước cuối cùng của vật thể, nếu kể đến hiện tượng Spring-back, ta thay đổi kích thước chàytrong các lần mô phỏng nhằm đạt được kích thước chính xác sau khi tháo khuôn. Đường kính khuôn: . Quá trình dập vuốt (Ironing): Hình 3.4: Quá trình dập vuốt Trong quá trình dập vuốt, chiều dày của thành sản phẩm có thể giảm tới , tuy nhiên để giảm khả năng hỏng sản phẩm, lượng giảm qua mỗi lần dập vuốt không nên vượt quá bề dày thành sản phẩm. Hình 3.5: Các thông số tại khu vực biến dạng a) thông số hình học tại khu vực biến dạng. b) lực tác động lên khu vực biến dạng trong quá trình ironing Công thức xác định chiều dày bị giảm xuống trong quá trình ironing: Trong đó, lần lượt là hệ số ma sát giữa chày với phôi và giữa khuôn với phôi. là góc nghiêng của mép khuôn. Từ biểu thức trên, ta thấy muốn giảm bề dày trong quá trình dập vuốt thì và tức là bề mặt chày được phép nhám hơn so với bề mặt thành khuôn. Mô hình các chi tiết trong quá trình dập Vì bài toán là đối xứng, ta lấy một phần tư mô hình để phân tích. Mô hình khuôn dập Trong bài tính này, do khuôn dập được làm bằng thép hợp kim chịu va đập và mài mòn rất cứng so với phôi làm bằng nhôm nên ta bỏ qua biến dạng của khuôn. Mặt khác, do chỉ có phần mặt trong của khuôn tiếp xúc với phôi nên ta có chỉ mô hình mặt trong của khuôn bằng phần tử tấm vỏ (shell) cứng tuyệt đối. Khai báo phần tử tấm vỏ trong ANSYS/ANSYS LS-DYNA: !!! ET,1,SHELL163 KEYOPT,2,1,12 RMODIF,5,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 !!! Lựa chọn KEYOPT,2,1,12 nghĩa là dùng phần tử tấm vỏ Belytschko-Tsay tích phân đầy đủ (Fully integrated Belytschko-Tsay shell). Với lựa chọn này, bề dày của từng phần tử sẽ được tính lại sau mỗi bước lặp và có tính đến sự cong xoắn của phần tử mà một số KEYOPT khác bỏ qua. Ngoài ra, người dùng không cần phải kiểm soát hiện tượng HOURGLASSING, tuy nhiên thời gian tính toán lại tốn gấp 2.5 lần so KEYOPT,2,1,2. RMODIF,2,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0: gán bề dày như nhau tại bốn nút của phần tử tấm. Khai báo thông số vật liệu: EDMP,RIGI,5,7,7 MP,DENS,5,8750e-9 MP,EX,5,2.1e5 MP,NUXY,5,0.3 Tuy vật liệu làm khuôn được xem không bị biến dạng nhưng ta vẫn phải khai báo mô đun đàn hồi, khối lượng riêng và hệ số Poission. EDMP,RIGI,5,7,7 làm tất cả các chuyển vị của khuôn bằng 0. a b c d Hình 3.6: Mô hình tổng quan ¼ khuôn và từng thành phần a) Mô hình khuôn. b) Mô hình khuôn dập sâu c) Mô hình khuôn dập lại. d) Mô hình khuôn dập vuốt. Hình 3.7: Mô hình khuôn sau khi chia lưới Bảng số liệu mô hình khuôn: Bảng 3.4: Mô hình phần tử hữu hạn các thành phần của khuôn Deep drawing Redrawing Ironing Total Mô hình Loại phần tử Shell 163 Shell 163 Shell 163 Shell 163 Số nút 247 323 255 825 Số phần tử 216 288 224 728 Mô hình vật liệu Rắn tuyệt đối Rắn tuyệt đối Rắn tuyệt đối Mô hình hình học của chày trong và chày ngoài Trong thực tế hai quá trình này thuộc một hoặc khuôn khác nhau là máy. Nhưng trong mô hình này, ta xét khuôn dập kiểu thành phần. Chày trong thực tế là một khối liên tục, với lý luận như ở phần khuôn, ta mô hình chày gồm hai phần chày trong (Punch 1) và chày ngoài (Punch 2). Trong giai đoạn dập sâu, cả hai chày tham gia hoạt động, trong giai đoạn dập lại và dập vuốt chỉ có chày trong làm việc. Cũng với lý luận như phần khuôn dập, ta mô hình chày bằng vật liệu cứng tuyệt đối và sử dụng phần tử tấm vỏ. a b c Hình 3.8: Mô hình tổng quan ¼ chày và các thành phần a) Mô hình chày. b) Mô hình chày ngoài. c) Mô hình chày trong. Hình 3.9: Mô hình chày và các thành phần sau khi chia lưới Bảng 3.5: Bảng số liệu mô hình chày Chày trong Chày ngoài Mô hình Loại phần tử Shell 163 Shell 163 Số nút 306 219 Số phần tử 276 224 Mô hình vật liệu Rắn tuyệt đối Rắn tuyệt đối Mô hình hình học của blankholder và support plate Để giữ cho phôi không bị nhăn trong quá trình dập, ta dùng blankholder. Thông thường, khi tỷ số đường kính phôi so với đường kính dập sâu bằng năm lần chiều dày phôi, ta cần dùng đến blankholder. Trong quá trình dập, để tránh cho phần phôi nằm dưới của chày bị biến dạng quá nhiều, người ta thường dùng áp lực của khí nén để ép chặt phôi vào chày. Tuy nhiên phương pháp này phức tạp, đòi hỏi độ kín khít cao giữa các chi tiết. Một phương án khác là dùng support plate. Suport plate là một khối kim loại nằm sát phía dưới phôi và được liên kết với thân khuôn bằng lò xo hoặc piston và có chuyển vị bằng với chuyển vị của chày trong suốt quá trình gia công. Ngoài ra supportplate còn có chức năng đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn dập sau khi gia công xong. Hình 3.10: Mô hình phần tử hữu hạn của blankholder Hình 3.11: Mô hình phần tử hữu hạn của support plate Mô hình phôi Hình 3.12: Mô hình phôi Phôi được làm bằng nhôm cán 3003-O có các thuộc tính cơ bản sau: Thành phần như sau: Nhôm: 97%-98%. Đồng: 0.05-0.2%. Sắt: 0.7%. Măng gan: 1-1.5%. Si-lic: Không quá 0.6% . Kẽm: Không quá 0.1%. Các nguyên tố khác: Không quá 0.2%. Tính chất: Nhôm 3003-O là hợp kim có khả năng chịu ăn mòn cao và có độ bền tốt. Quá trình chế tạo đơn giản không cần nhiệt luyện và có khả năng tăng bền khi gia công nguội. Nhôm 3003 rất thích hợp cho việc gia công nguội lẫn gia công nóng. Ngoài ra, hợp kim này dễ tính khi hàn với các hợp kim nhôm khác như 1100, 6061, 6062. Chính vì khả năng chống ăn mòn, tính bền và dễ gia công nên hợp kim nhôm 3003 được dùng để chế tạo bồn áp lực, bình trao đổi nhiệt, thùng nhiên liệu, gọng kính, dụng cụ y tế, nhà bếp. Bảng 3.6: Tính chất cơ bản của nhôm 3003-O Mô-đun đàn hồi E Khối lượng riêng Hệ số Poission 0.33 Ứng suất chảy Hệ số phương trình Đường cong ứng suất biến dạng của nhôm 3003-O: Hình 3.13: Đường cong ứng suất biến dạng của nhôm 3003-O Bảng 3.7: Số liệu mô hình blankholder,support plate và phôi Blankholder Support plate Phôi Mô hình Loại phần tử Shell 163 Shell 163 Shell 163 Số nút 32 37 387 Số phần tử 24 27 352 Mô hình vật liệu Rắn tuyệt đối Rắn tuyệt đối Vật liệu đàn-dẻo Một số loại tiếp xúc được dùng trong mô phỏng Khi mô phỏng quá trình dập, ảnh hưởng qua lại giữa phôi và các chi tiết trong khuôn sẽ có những yêu cầu có những ứng xử tiếp xúc phù hợp. Một vài điểm cần chú ý trong việc mô phỏng quá trình dập Vận tốc vừa phải (<6m/s) Thời gian ngắn (~ 0.2s) Biến dạng lớn, tuy nhiên có thể dự đoán được một số vị trí tiếp xúc Trong LS-DYNA định nghĩa các kiểu tiếp xúc ở bảng sau Bảng 3.8: Các kiểu tiếp xúc trong LS-DYNA Kiểu tiếp xúc một chiều Forming one way surface-to-surface contact Loại tiếp xúc này dùng được phát triển từ kiểu tiếp xúc Automatic contact surface to surface nên tỏ ra rất mạnh trong việc xác định tiếp xúc giữa phôi và các chi tiết còn lại. Kiểu tiếp xúc này được dùng rất phổ biến trong việc mô phỏng gia công kim loại, ở đây, khuôn được mô hình rắn tuyệt đối. Kiểu tự tiếp xúc Automatic single surface contact Trong hầu hết các trường hợp, sự tiếp xúc chỉ xảy ra tại vị trí phôi với khuôn, phôi với chày, phôi với blankholder và phôi với support plate. Tuy nhiên, khi phôi bị nhăn, ta có trường hợp tự tiếp xúc. Kiểu tiếp xúc này được xử lý hoàn toàn tự động và bên ngoài không thể can thiệp. Quá trình mô phỏng Giới thiệu 6 2 1 3 4 5 8 7 Hình 3.14: Mô hình ¼ bài toán 1. Chày ngoài 2. Chày trong 3. support plate 4. Khuôn dập sâu 5. Khuôn dập lại 6. Khuôn dập vuốt 7. Phôi 8. Blankholder Quá trình dập được chia làm năm giai đoạn Giai đoạn chuẩn bị Trong giai đoạn này, phôi được đưa vào vị trí và được cố định bằng blankholder. Lực ép trên blankholder được tính dựa vào bề dày và ứng suất tối đa của phôi. Yêu cầu của lực ép của blankholder không được quá yếu vì sẽ làm cho phôi bị nhăn, tuy nhiên lực ép này cũng không được quá mạnh dẫn đến lực ma sát tăng cao làm phôi bị kẹt. Trong mô phỏng, chày được đặt sát với phôi để tiết kiệm thời gian tính toán. Lực cần thiết để ép vào blankholder được tính bởi Với là hệ số tỷ lệ. là bán kính phôi. là chiều dày phôi. ứng suất cực đại của vật liệu. Giai đoạn dập sâu: Trong giai đoạn này, cả hai chày và support plate cùng dịch chuyển xuống một lượng gần bằng với chiều sâu của khuôn dập sâu. Lúc này phôi sẽ bị ép và trượt dọc theo thành khuôn. Bề dày mép phôi tăng lên, do vậy để phôi có thể trượt trong thành khuôn dễ dàng, khoảng hở giữa chày và khuôn được xác định theo công thức (3.4). Đến cuối giai đoạn này, khi phôi đã nằm hoàn toàn trong lòng khuôn, blankholder sẽ ngừng di chuyển. Chày ngoài sẽ dừng lại khi cách đáy khuôn dập sâu một khoảng bằng khoảng cách giữa chày ngoài và khuôn. Giai đoạn dập lại: Trong giai đoạn này, chày trong và support plate tiếp tục di chuyển xuống đáy của khuôn dập lại, phôi tiếp tục bị ép và biến dạng chủ yếu ở khu vực có bán kính nằm giữa chày trong và khuôn dập sâu. Giai đoạn dập vuốt: Ở giai đoạn dập vuốt, toàn bộ thành sản phẩm sẽ được định hình lại bề dày. Bề dày của thành sẽ mỏng đi và tăng thêm chiều cao, trong khi đó bề dày phần đáy sản phẩm hầu như không thay đổi độ dày. Giai đoạn tháo khuôn: Khi hành trình của chày trong và support plate vượt qua khuôn dập vuốt, liên kết giữa sản phẩm và thành khuôn không còn, hiện tượng spring back xuất hiện và làm biến dạng một phần sản phẩm. Lúc này, ta kiểm tra các kích thước cơ bản của sản phẩm: đường kính, chiều cao, bề dày tối thiểu. Các điều kiện biên và điều kiện đầu Vì tính đối xứng của bài toán nên một phần tư mô hình được khảo sát. Vì vậy ta đặt điều kiện biên đối xứng qua các mặt phẳng Oxy và Oyz. Cụ thể hơn: Các nút nằm trên mặt phẳng Oxy chỉ có thể dịch chuyển theo hai phương X và phương Y Tương tự các nút nằm trên mặt phẳng Oyz chỉ có thể dịch chuyển theo phương Y và phương Z. Ngoài ra ta còn ràng buộc chuyển vị của chày, blankholder, support plate và khuôn khi khai báo vật liệu, theo đó: Chày, blankholder và support plate chỉ có thể chuyển động theo phương thẳng đứng. Khuôn đứng yên. Các đường cong tải Thời gian mô phỏng Thời gian mô phỏng cho quá trình chuẩn bị: 0.01s. Thời gian mô phỏng cho quá trình deepdrawing : 0.04s. Thời gian mô phỏng cho quá trình redrawing: 0.04s. Thời gian mô phỏng cho quá trình ironing: 0.07s. Thời gian mô phỏng quá trình tháo khuôn: 0.04s. Tổng thời gian mô phỏng: 0.2s. Hình 3.15: Đường cong tải cho blankholder Hình 3.16: Đường cong tải cho chày ngoài Hình 3.17: Đường cong tải cho chày trong và support plate Chế độ chia lưới thích ứng Chu kỳ kiểm tra lưới: 0.015s. Góc lớn nhất giữa hai phần tử : . Chiều dài giới hạn nhỏ nhất của một cạnh phần tử: 2mm. Bậc chia lưới: bậc 3. Thời gian bắt đầu kiểm tra: 0.03 s. Thời gian kết thúc việc chia lưới thích ứng: 0.14s. FLDs (forming limit diagrams) biểu đồ giới hạn gia công Trong thực quá trình gia công, sẽ rất cần thiết nếu biết được giới hạn khu vực xảy ra sự đàn hồi, vết nhăn, nứt, điều này sẽ giúp tìm ra các biện pháp thiết kê cũng như tối ưu qui trình sản xuất và như vậy sẽ tiết kiệm rất nhiều thời gian và chi phí. Có nhiều phương pháp để xác định giản đồ giới hạn gia công. Tuy nhiên phương pháp đơn giản nhất vẫn là thực nghiệm. Một mẫu thử được đánh dấu tròn trên bề mặt và tiến hành gia công. Dựa vào sự biến dạng của các vòng này mà thông số chủ yếu là tỷ số bán kính hai trục lớn nhất sau khi biến dạng so với bán kính ban đầu. Hình 3.18: Các trạng thái biến dạng khác nhau của một mẫu thử Từ trái sang: không biến dạng, biến dạng, phá hủy Đặc điểm của giản đồ giới hạn gia công là mô tả trạng thái biến dạng phẳng do bài toán biến dạng tấm được xem là bài toán biến dạng phẳng. Trong đó, biến dạng lớn hơn được gọi là biến dạng chính (major strain) luôn luôn dương (bị kéo dãn), biến dạng nhỏ (minor strain) có trị số âm (bị nén) trong trường hợp dập sâu hoặc dương (kéo dãn) trong trường hợp bị ép dãn (strectching). Hình 3.19: Các vùng biến dạng khác nhau của một sản phẩm Để tạo thành những vùng với các ứng xử khác nhau, trên biều đồ FLD người ta đánh dấu các đường: (deep drawing) kéo theo hướng chính, nén theo hướng phụ (uniaxial tensile) kéo đúng tâm hay nén một trục (stretch forming) kéo dãn đều. Các vùng màu trên biểu đồ chính là chỉ tiêu để đánh giá trong dập vuốt kim loại tấm. được thể hiện như trên hình sau: Hình 3.20: Biểu đồ giới hạn biến dạng và các vùng đặc trưng khác nhau Đường màu đen: đường giới hạn gia công (FLC-Forming limit curve). Vùng màu xanh lá cây: vùng an toàn. Vùng màu vàng: có nguy cơ rách hoặc phá hủy thường lấy offset 10% từ FLC. Vùng màu đỏ: vật liệu bị rách. Vùng màu cam: vật liệu quá mỏng. Vùng màu xám: vùng chưa biến dạng đủ. Vùng màu trắng: chưa đủ biến dạng dẻo, có nguy cơ hồi phục (Springback). Vùng màu xanh da trời: co khuynh hướng bị nhăn. Vùng màu tím: hoàn toàn bị nhăn. Giản đồ giới hạn gia công phụ thuộc nhiều vào bề dày phôi t và hệ số mũ biến cứng n. Khi tăng t và n, đường FLC bị đẩy lên cao thể hiện sự tăng khả năng gia công kim loại. Kết quả mô phỏng trong từng giai đoạn Kết quả ứng suất Phân bố ứng suất theo phương bán kính Ứng suất theo phướng bán kính trong thành sản phẩm sau mỗi giai đoạn phân bố khá đồng đều và có giá trị nhỏ. Hình 3.21: Phân bố ứng suất theo phương bán kính sau giai đoạn dập sâu Hình 3.22: Phân bố ứng suất theo phương bán kính sau giai đoạn dập lại Hình 3.23: Phân bố ứng suất theo phương bán kính sau khi tháo khuôn Phân bố ứng suất theo phương chu vi Giai đoạn dập đầu tiên gần thành trên bên trong tồn tại ứng suất kéo lớn nhất với giá trị trong khoảng 125Mpa tại phần một nữa chiều cao phôi. Tại mép cốc chịu ứng suất nén có giá trị -95 Mpa. Ở giai đoạn dập tiếp, phân bố ứng suất trên thành phôi thay đổi nhiều, ứng suất phân bố khá đều trên thành phôi và vẫn có giá trị lớn tại khu vực gần mép. Sau khi qua giai đoạn dập vuốt, ứng suất đã phân bố đều hơn tại thành sản phẩm và phân bố phổ biến ở mức 50Mpa. Hình 3.24: Phân bố ứng suất theo phương chu vi sau giai đoạn dập sâu Hình 3.25: Phân bố ứng suất theo phương chu vi sau giai đoạn dập lại Hình 3.26: Phân bố ứng suất theo phương chu vi sau tháo khuôn Phân bố ứng suất vonMises Hình 3.27: Phân bố ứng suất vonMises ở lần dập sâu Hình 3.28: Phân bố ứng suất vonMises sau khi dập lại Hình 3.29: Phân bố ứng suất vonMises sau khi dập vuốt Kết quả biến dạng Biến dạng vonMises sau mỗi quá trình Hình 3.30: Biến dạng vonMises sau quá trình dập sâu Hình 3.31: Biến dạng vonMise sau quá trình dập lại Hình 3.32: Biến dạng vonMises sau lần dập vuốt Phân bố độ dày Hình 3.33: Kêt quả phân bố độ dày sau khi tháo khuôn Kiểm tra kích thước và hư hỏng khi gia công Kích thước của sản phẩm sau khi tháo khuôn: Hình 3.34: Đồ thị bán kính lớp giữa của thành sản phẩm theo chiều cao Hình 3.35: Bề dày thành sản phẩm theo chiều cao Từ kết quả về độ dày và bán kính theo chiều cao, ta thấy kích thước của sản phẩm thỏa mãn yêu cầu đề bài. Vùng vật liệu nằm dưới chày hầu như không thay đổi độ dày, giảm nhiều ở khu vực góc lượn và tăng dần đến mép sản phẩm. Ngoài ra, do hiện tượng Springback, bán kính của thành sản phẩm khi gia công xong cũng tăng dần từ đáy lên mép sản phẩm. Hình 3.36: Phân bố ứng xử của vật liệu sau giai đoạn dập sâu Hình 3.37 Phân bố ứng xử của vật liệu sau giai đoạn dập lại Hình 3.38: Phân bố ứng xử của vật liệu sau khi tháo khuôn Nhận xét: dựa vào biểu đồ giới hạn gia công và các mô phỏng ở trên ta thấy mọi vùng của phôi đều nằm trong giới hạn cho phép. Hai vùng chịu nén nằm ở mép phôi và vị trí tiếp xúc với chày, đây là khu vực dễ xuất hiện các nếp nhăn, tuy nhiên theo như các kết quả về kích thước sau gia công thì điều này chưa xảy ra. Các phần tử nằm trong vùng an toàn còn cách xa vùng biên (màu tím) điều này cho thấy còn khả năng tối ưu quá trình dập. Phân tích ảnh hưởng của một số điều kiện khác trong quá trình dập Ảnh hưởng của blankholder Vì blankholder chỉ có tác dụng trong giai đoạn dập sâu nên ta kiểm tra vai trò của nó trong giai đoạn này. Hình 3.39: Từ trái sang: quá trình dập có blankholder và không có blankholder Trong trường hợp có blankholder, phôi được định hướng nên không bị nhăn. Trong trường hợp không có blankhoder, phôi bị cong lên và mất ổn định sau đó xuất hiện nếp nhăn. Các nếp nhăn tiếp tục bị biến dạng khi dập lại và làm hỏng sản phẩm. Ảnh hưởng của support plate Hình 3.40: Từ trái sang: quá trình dập có support plate và không có support plate Trong trường hợp có support plate, phôi trở nên ổn định hơn, giảm các hiện tượng nhăn, biến dạng không mong muốn tại đáy sản phẩm, qua đó làm giảm tỷ lệ hư hỏng và cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm. Khi tốc độ dập là nhỏ, vai trò của support plate chưa thể hiện rõ ràng, tuy nhiên trong sản xuất hàng loạt, khi tốc độ dập tăng cao, vai trò của support plate là không thể thiếu. Ảnh hưởng của góc lượn trên khuôn Hình 3.41: Từ trái sang: ứng suất vonMises tại mặt ngoài của phôi tăng khi bán kính góc lượn tại khuôn giảm Nhận xét, khi góc lượn quá nhỏ, ứng suất sinh ra tại lớp ngoài thành sản phẩm lớn, dễ dẫn đến phá hủy. Mặt khác, khi góc lượn quá lớn, blankholder bị mất tác dụng và như đã nói ở trên, sản phẩm khi đó bị nhăn. Vì vậy, góc lượn của khuôn được đề nghị theo công thức (3.2) và có thể tăng giảm một lượng nhỏ để phù hợp với các yêu cầu thực tế. Ảnh hưởng của ma sát Nhìn chung, ảnh hưởng của ma sát rất phức tạp và là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến dạng, hư hỏng bề mặt sản phẩm. Khi tăng hệ số ma sát giữa khuôn dập sâu và blankholder với phôi rồi tiến hành mô phỏng. Từ giản đồ, ta thấy các phần tử trên thành bị kéo dãn và dần rơi vào vùng phá hủy. Do đó hệ số ma sát của bề mặt khuôn với phôi không được quá cao dẫn đến hiện tượng kẹt phôi và ảnh hưởng đến độ bóng sản phẩm. Tuy nhiên, giá trị này cũng không được nhỏ hơn hệ số ma sát của chày đối với phôi như đã chỉ ra ở công thức (3.7). Hình 3.42: Ảnh hưởng của lực ma sát Từ trái sang: trong điều kiện bôi trơn tốt, trong điều kiện hệ số ma sát lớn. Hình 3.43: Giản đồ giới hạn gia công trong điều kiện hệ số ma sát tăng Vùng màu đỏ thể hiện vật liệu đã bị phá hủy Mô phỏng bài toán tạo co T bằng thủy lực Hình 3.44: Mô hình CAD của hệ thông  100  24 24 R3 120 Hình 3.45: Mô hình CAD của một nữa khuôn, (các đơn vị theo mm) Bài toán Khảo sát một phôi bằng đồng có dạng ống với chiều dài , đường kính ngoài , và bề dày trong quá trình ép thủy lực. Các tính chất vật lí gồm: suất Young , ứng suất chảy , số Poisson và khối lượng riêng . Khuôn được làm bằng thép có các tính chất: suất Young , khối lượng riêng Định nghĩa đơn vị và tham số trong quá trình mô phỏng Bảng 3.9: Đơn vị dùng trong bài toán gia công bằng thủy lực STT Đại lượng Đơn vị 1 Chiều dài 2 Thời gian 3 Vận tốc 4 Khối lượng 5 Khối lượng riêng 6 Ứng suất, áp suất Bảng 3.10: Tham số dùng trong bài toán gia công bằng thủy lực STT Đại lượng Ký hiệu 1 Bề dày phôi thkm 2 Bề dày phần tử khuôn, pit tông, supportplate thk_1 3 Chiều dài phôi 4 Bán kính phôi rmt 5 Bán kính khuôn rd 6 Bán kính chày rp_1, rp_2 8 Bán kính cong rfill Mô hình các chi tiết trong quá trình gia công Vì bài toán là đối xứng, ta lấy một phần tư mô hình để phân tích. Với lập luận giống như bài toán dập sâu, ở đây ta cũng hình các chi tiết một cách tương tự. Với bài toán có đường kính lớn, punch counter được thêm vào để kiểm soát biến dạng. Cấu tạo của punch counter gồm một tấm chặn (support plate) và hệ thống hãm (có thể bằng lò xo hoặc bồn dầu có van điều áp) nhằm đảm bảo biến dạng và bề dày của sản phẩm. Tuy nhiên trong bài tính này, do đường kính phôi không lớn nên punch counter không có mặt trong mô hình. Mô hình khuôn Khuôn sử dụng trong quá trình gia công bằng thủy lực gồm hai phần ghép lại. Tuy nhiên trong mô hình mô phỏng, ta cho rằng khuôn cứng tuyệt đối nên chỉ mô tả phần tiếp xúc với phôi. Vì vậy phần tử tấm vỏ SHELL 163 được sử dụng. Hình 3.46: Mô hình khuôn Mô hình pít tông Pít tông thực tế là một khối đặc, được khoan lỗ ở giữa để bơm nén lưu chất. Với lập luận giống như trên, ta mô hình pít tông bằng phần tử tấm vỏ tuyệt đối cứng. Hình 3.47: Mô hình pit tông Bảng số liệu mô hình khuôn và pit tông Bảng 3.11: Thông số mô hình của khuôn và pit tông Loại phần tử Shell 163 Shell 163 Số nút 552 126 Số phần tử 475 100 Mô hình vật liệu Rắn tuyệt đối Rắn tuyệt đối Mô hình phôi Hình 3.48: Mô hình phôi Khác với bài toán dập sâu, ở đây phôi được làm bằng hợp kim đồng. Ngoài vật liệu làm bằng hợp kim đồng, trong thực tế người ta còn sử dụng thêm các phôi làm bằng hợp kim nhôm, inox... Các thông số cơ bản của phôi: Loại phần tử: Shell163. Số nút: 441. Số phần tử: 400. Mô hình vật liệu: mô hình vật liệu đàn hồi-biến cứng hàm số mũ, với hệ số cứng (strength coefficient) và số mũ biến cứng (hardening exponent) Hình 3.49: Đường cong ứng suất biến dạng vật liệu của phôi Các loại tiếp xúc được dùng trong mô phỏng Trong hầu hết các trường hợp, sự tiếp xúc chỉ xảy ra tại vị trí giữa phôi với khuôn và giữa phôi với pit tông. Trong trường hợp phôi bị nhăn, ta có sự tự tiếp xúc. Vì vậy, để mô hình sự tiếp xúc này ta dùng hai kiểu tiếp xúc như trong bài toán dập sâu: Forming one way surface-to-surface contact. Automatic single surface contact Hệ số ma sát tĩnh được cho giữa phôi và thành khuôn. Để đảm bảo chương trình hoạt động đúng ta cần loại bỏ sự “thâm nhập” ban đầu do sự hạn chế của số lượng phần tử.Với chú ý khi tháo khuôn, các liên kết giữa phôi và các chi tiết khác bị mất đi nên ta chỉ cần xóa bỏ tiếp xúc giữa phôi và khuôn, support plate. Quá trình mô phỏng Giới thiệu 1 2 3 Hình 3.50: Mô hình ¼ bài toán 1.Khuôn 2.Phôi 3.Pit tông Quá trình gia công được chia làm ba giai đoạn: Giai đoạn chuẩn bị: Trong giai đoạn này, phôi được đưa vào vị trí và được cố định bằng pít tông. Một chuyển vị nhỏ đặt lên pit tông nhằm cố định vị trí của phôi. Áp suất do lưu chất phía trong phôi bắt đầu tăng Giai đoạn nén: Trong giai đoạn này, cả pit tông bắt đầu dịch chuyển đồng thời tăng áp suất bên trong ống đạt đến giá trị xác định. Lúc này, kim loại bắt đầu chảy dẻo, điền vào nhánh trống của khuôn. Giai đoạn xả: Sau khi phôi đạt đủ kích thước cần thiết, ta giảm áp. Phôi vẫn tiếp tục biến dạng do áp suất vẫn chưa về giá trị “0”. Khi phần trên khuôn được tháo ra. Sản phẩm đươc kiểm tra các kích thước cơ bản: đường kính, chiều cao, bề dày tối thiểu. Các điều kiện biên và điều kiện đầu Vì tính đối xứng của bài toán nên một phần tư mô hình được khảo sát. Vì vậy ta đặt điều kiện biên đối xứng qua các mặt phẳng Oxy và Oyz. Cụ thể hơn: Các nút nằm trên mặt phẳng Oxy chỉ có thể dịch chuyển theo hai phương X và phương Y Tương tự các nút nằm trên mặt phẳng Oyz chỉ có thể dịch chuyển theo phương Y và phương Z. Ngoài ra ta còn ràng buộc chuyển vị của pít tông, support plate và khuôn khi khai báo vật liệu, theo đó: Pít tông chỉ có thể chuyển động theo phương ngang (phương X). Support plate chỉ có thể chuyển động theo phương thẳng đứng (phương Y). Lò xo được gắn một đầu vào support plate và một đầu cố định. Khuôn đứng yên. Các đường cong tải Thời gian mô phỏng: Thời gian mô phỏng cho giai đoạn 1: 1.2ms. Thời gian mô phỏng cho giai đoạn 2: 1.9ms. Thời gian mô phỏng cho giai đoạn 3: 0.4ms. Tổng thời gian mô phỏng: 3.5ms. Step 1 Step 2.1 Step 2.2 Step 1 Step 2.1 Step 2.2 Step3 Hình 3.51: Đường cong tải của áp suất và hành trình của pit tông theo thời gian Hình 3.52: Đường cong tải thực nghiệm và tải mô phỏng (Pinaki, Ray) Chế độ chia lưới thích ứng: Chu kỳ kiểm tra lưới: 0.5ms Góc tạo bởi hai phần tử liền kề: Chiều dài giới hạn của một cạnh phần tử: 1mm Bậc chia lưới: bậc 3 Thời gian bắt đầu kiểm tra: 0.00 ms Thời gian kết thúc việc chia lưới thích ứng: 3.5ms Kết quả mô phỏng Kết quả ứng suất Hình 3.53: Phân bố ứng suất vonMises tại thời điểm áp suất nén đạt giá cực đại Hình 3.54: Phân bố ứng suất vonMises sau giai đoạn xả Kết quả biến dạng Hình 3.55: Phân bố biến dạng vonMises lúc áp suất nén đạt giá trị cực đại Hình 3.56: Phân bố biến dạng vonMises sau giai đoạn xả Kết quả chuyển vị và phân bố độ dày Hình 3.57: Kết quả chuyển vị theo phương Y Hình 3.58: Phân bố độ dày của thành sản phẩm Ứng xử của các vùng vật liệu Vì quá trình “thổi” kim loại ở nhánh khuôn tương tự với quá trình dập sâu ở giai đoạn đầu và ép dãn đều (stretch) ở giai đoạn sau nên ta có thể dùng giản đồ giới hạn gia công để khảo sát kết quả. Trong quá trình gia công có hai tác động trái chiều: pit- tông gây nén theo phương dọc trục và áp suất lưu chất làm dãn nở theo phương bán kính nên sẽ có hai vùng ứng xử khác nhau: Hình 3.59: Ứng xử của các vùng vật liệu ở giai đoạn chuẩn bị Trong giai đoạn chuẩn bị, biến dạng ban đầu xuất hiện và tập trung ở khu vực quanh mép phôi, nơi tiếp xúc và nhận chuyển vị của chày, hầu hết các khu vực khác của phôi vẫn còn nằm trong giới hạn đàn hồi. Khi kết thúc giai đoạn chuẩn bị, biến dạng dẻo lúc này đã lan ra khắp phôi nhưng tại khu vực chính giữa nhánh khuôn, biến dạng dẻo đạt giá trị nhỏ. Điều này cho thấy trong giai đoạn đầu tiên, áp suất chưa đóng góp nhiều vào việc gây ra biến dạng của phôi. Hình 3.60: Biến dạng dẻo của phôi sau giai đoạn chuẩn bị Hình 3.61: Phân bố ứng xử sau giai đoạn nén Hình 3.62: Phân bố ứng xử sau giai đoạn xả Ở giai đoạn nén, biến dạng ngày càng lớn, tất cả các vùng của phôi đều đã biến dạng dẻo. Vùng vật liệu quanh nhánh khuôn biến dạng rất lớn nhưng vẫn còn cách xa giới hạn 10% offset từ đường giới hạn gia công (FLC) và phôi vẫn còn khả năng biến dạng mà chưa bị phá hủy. Kết thúc quá trình, tất cả các phần tử chịu kéo của phôi đều nằm trong vùng “an toàn”, phần còn lại nằm trong vùng chịu nén có khuynh hướng bị nhăn. Tuy nhiên các theo các kết quả về kích thước và phân bố độ dày thì điều này vẫn chưa xảy ra. Hình 3.63: Biến dạng dẻo sau khi kết thúc quá trình xả So sánh kết quả với thực nghiệm Sau khi tính toán, mô phỏng, ta so sánh các kết quả với thực nghiệm: L Hình 3.64: Đường khảo sát biến dạng L và chiều cao H của co T Kết quả các kích thước cơ bản: Bảng 3.12: So sánh các kích thước cơ bản của co T với thực nghiệm Kết quả thực nghiệm Kết quả mô phỏng theo Ray, Pinaky Kết quả mô phỏng theo luận văn Áp suất nén cực đại (GPa) 0.0450 0.0375 0.0450 Hành trình pit tông (mm) 18.50 18.50 18.50 Chiều cao đạt được (mm) 12.70 12.29 12.22 Sai số chiều cao so với thực nghiệm (%) x 3.23% 3.78% So sánh kết quả về phân bố độ dày từ đỉnh co dọc theo mặt phẳng Oxy: Bảng 3.13: Kết quả phân bố độ dày theo vị trí (đơn vị mm) Vị trí 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 Bề dày 1.139 1.154 1.174 1.234 1.285 1.304 1.394 1.748 Vị trí 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 Bề dày 1.84 1.864 1.761 1.71 1.73 1.75 1.77 1.78 Hình 3.65: Kết quả phân bố độ dày theo vị trí của Pinaki, Ray Hình 3.66: Đồ thị phân bố độ dày theo vị trí của Luận Văn  Phân tích ảnh hưởng của một số tham số lên sản phẩm Ảnh hưởng của bán kính góc lượn đến chiều cao sản phẩm Để khảo sát ảnh hưởng của góc lượn đến chiều cao sản phẩm, ta khảo bán kính góc lượn tăng từ nhỏ đến lớn khi tải áp suất và chuyển vị của pit tông không đổi: Hình 3.67: Ảnh hưởng của góc lượn lớn đến chiều cao sản phẩm Từ trái sang: bán kính góc lượn 2mm, bán kính góc lượn 5mm Hình 3.68: Đồ thị chiều cao của co đạt được theo góc lượn Bảng 3.13: Chiều cao của co đạt được theo độ tăng góc lượn Bán kính góc lượn (mm) 2 3 5 7 9 Chuyển vị theo phương Y (mm) 9.87 11.96 12.24 13.1 13.31 Nhận xét: Đối với các góc lượn khác nhau chuyển vị theo phương chiều cao của sản phẩm tăng khi bán kính góc lượn tăng. Ngoài ra ta có kết quả khác cũng cho thấy bề dày và ứng suất trong phôi phân bố đồng đều hơn khi bán kính góc lượn tăng. Vì vậy khi không có yêu cầu đặc biệt về bán kính góc lượn, ta nên chọn giá trị này tương đối lớn. Ảnh hưởng của hành trình pit tông đến độ biến dạng của phôi Vẫn với mô hình như trên, ta khảo sát biến dạng trong tình huống: pit tông di chuyển trong giai đoạn nén với độ dài hành trình lớn. Hình 3.69: Nếp nhăn phát triển do hành trình pit tông quá lớn Hình 3.70: Nếp nhăn phát triển ở giữa phôi Hình 3.71: Hiện tượng phôi tách khỏi khuôn Từ kết quả mô phỏng ta thấy, nếu hành trình pit tông quá ngắn, chiều cao của phôi không thể đạt được như yêu cầu. Trong trường hợp hành trình của phôi tương đối dài và áp suất nén chưa hợp lý, vùng kim loại gần nhánh khuôn bị biến dạng nén mạnh theo phương X, phôi có xu hướng mất ổn định, tách khuôn và nhăn lại thay vì tiếp tục đi lên. Vì vậy, chế độ nén của pit tông ảnh hưởng rất lớn đến khả năng biến dạng của phôi. Ảnh hưởng của punch counter Đối với bài toán có đường kính phôi lớn, người ta dùng thêm punch counter. Khi dùng các tải như ban đầu nhưng khi ta sử dụng phôi nhôm và tăng đường kính lên và bề dày phôi, kết quả thu được chỉ ra: khi không có punch counter, phôi nhanh chóng bị biến dạng và phá hủy. Trong trường hợp này, punch counter đã hạn chế phôi chuyển vị theo nhánh khuôn, làm cho biến dạng, ứng suất, bề dày phân bố đồng đều hơn. Hình 3.72: Ảnh hưởng của punch counter Từ trái sang: trường hợp có punch counter,trường hợp không có punch counter Các cách mô hình hóa bài toán và hướng giải khác Ngoài cách mô hình phôi bằng phần tử tấm vỏ, ta cũng có thể mô tả phôi bằng phần tử khối. Tuy phần tử khối tỏ ra rất thuận tiện cho việc khảo sát sự biến đổi độ dày, ứng suất và biến dạng cục bộ trên phôi cũng như sự xuất hiện và phát triển các vết nhăn nhưng phần tử khối đòi hỏi sự mô tả bề mặt và điều kiện “thấm” rất chặt chẽ như đã nói ở chương hai, vì vậy đòi hỏi lưới chia trên bề mặt phải rất mịn. Hơn nữa, việc sử dụng phần tử khối làm tăng số lượng phần tử lên một cách nhanh chóng nên sẽ tốn nhiều tài nguyên hơn. Ngoài phương án sử dụng thuật toán Explicit, do tốc độ trong bài toán gia công này không quá cao nên hoàn toàn có thể dùng thuật toán Implicit để giải. Trong chương trình ANSYS, ta khai báo các phần tử tiếp xúc TARGE170 và CONTA174 cùng với các hệ số tiếp xúc kèm theo. Tuy nhiên sử dụng thuật toán Implicit trong trường hợp này sẽ tốn rất nhiều thời gian vì chuyển vị của bài toán rất lớn nên thời gian để hội tụ trong mỗi bước con (substep) rất lâu, mặc dầu theo thông thường, đối với bài toán gia công kim loại, thuật toán Implicit cho thời gian giải quyết nhanh hơn thuật toán Explicit từ hàng chục đến hàng trăm lần. Qua các phân tích ở trên, ta thấy mô hình bài toán này bằng phần tử tấm vỏ và dùng thuật toán Explicit vẫn là tối ưu nhất. Hình 3.73: Bài toán mô hình bằng phần tử khối KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong hai bài mô phỏng, ta có thể thấy được sự cần thiết của các tính toán mô phỏng trong sản xuất. Ở bài toán đầu (bài toán dập sâu), kết quả mô phỏng đã cho thấy tính hợp lí của các công thức thiết kế kinh nghiệm. Bằng việc giải lặp nhiều trường hợp và so sánh các kết quả với giản đồ giới hạn gia công, ta có thể thu gọn miền các tham số hình học cũng như chế độ tải có nhiều khả năng tạo kết quả tốt. Đối với bài toán sau (bài toán gia công co T bằng thủy lực) kết quả mô phỏng phù hợp rất tốt với kết quả thực nghiệm. Nhìn chung, đối với bài toán gia công kim loại, đặc biệt trong trường hợp bài toán không có các công thức kinh nghiệm ta phải giải lặp nhiều lần mới tìm ra thông số hình học và cách đặt tải hợp lý nên tiết kiệm được rất nhiều chi phí khi chế tạo mẫu thử. Mặt khác, với những tính toán sơ bộ ban đầu, dù độ chính xác chưa cao nhưng cũng đã giới hạn được đáng kể khu vực các thông số trước khi đưa vào mô phỏng giúp tiết kiệm đáng kể thời gian tính toán. 4.2 Kiến nghị Khi mô phỏng hai quá trình gia công áp lực, khó khăn lớn nhất là các dữ liệu thực tế về hệ số ma sát, các đường cong vật liệu, các hệ số phụ thuộc tốc độ biến dạng. Nếu có đầy đủ những thông số trên, bài mô phỏng sẽ đạt độ chính xác cao hơn. Nếu có điều kiện về thời gian, và kinh phí, ta có thể tạo nhiều mô hình khác nhau, thay đổi nhiều tham số để có được đánh giá tổng quát hơn về quá trình gia công, từ đó tối ưu hóa đường cong tải và kích thước phôi. Hơn nữa nếu thực hiện được thí nghiệm, các số liệu thu được sẽ giúp đánh giá mô hình một cách toàn diện hơn vì giản đồ giới hạn gia công chỉ có ý nghĩa nếu phôi không quá mỏng. Việc mô phỏng cũng có thể sử dụng phương pháp ALE hoặc phương pháp hạt (Material Point Method-MPM) để có thể mô tả tương tác giữa lưu chất với phôi nhằm đưa bài toán gần với thực tế, từ đó ta có thể xác định sự lan truyền áp suất một cách đúng đắn và tìm ra chế độ tải hợp lý hơn. Một số bài tính bằng hai phương pháp trên đã cho thấy tính chính xác cao, trong điều kiện biến dạng và chuyển vị lớn mà không tốn quá nhiều tài nguyên máy tính. Tuy nhiên hai phương pháp này vẫn còn khá mới mẻ, đòi hỏi kinh nghiệm và phải kiểm soát rất nhiều các tham số để cho ra kết quả hợp lý. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Tích Thiện. (2007). Lý thuyết dẻo kỹ thuât. Nhà xuất bản đại học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh. [2] George E.Mase.(1970). Theory and problems of Continuum Mechanic. McGraw-Hill.Inc. [3] Han-Chin Wu.(2005). Continuum Mechanics and Plasticity. Chapman & Hall Press. [4] Vukota Boljanovic.(2004). Sheet metal forming processes and die design. Industrial Press. [5] S.J. Hu, J.L. Duncan, Z. Marciniak.(1992) Mechanics of Sheet Metal Forming. Edward Arnold, London. [6] Ivana Suchy.(2006). Handbook of Die Design 2nd. McGraw-Hill.Inc. [7] Ray,Pinaki.(2005). Computer aided optimization of tube hydroforming processes. PhD thesis, Dublin City University. [8] Nguyễn Văn Phái,Trương Tích Thiện,Nguyễn Tường Long,Nguyễn Định Giang.(2003).Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS.Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [9] ErdoganMadenci,IbrahimGuven,(2006) The Finite Element Method and Application in Engineering Using ANSYS.Springer. [10] ANSYS, Inc. Theory Reference. [11] ANSYS LS-DYNA User's Guide. [12] HyperView11 User's Guide. [13] FEA News For December.(2008). [14] PHỤ LỤC A. Bài toán dập sâu FINISH /CLEAR,ALL /PREP7 /TITLE,SHEET METAL C***, SHEET METAL VER: 10, REV: D C***, AUTHOR: TRAN KHOA LUAT /View,,-0.87,1,3 !................... ! UNIT ! mm,kg,s,mmN,KPa !................... !................... ! PARA !................... thk = 2 ! be day phoi thk_1 = 0.1 ! be day cua phan tu khuon va chay thk_2 = 1.495 ! be day phan vo sau khi ironing rmt = 150 ! ban kinh phoi rp_1 = 100 -0.5*thk_1 ! ban kinh chay 1 rp_2 = 80 - 0.5*thk_1 ! ban kinh chay 2 rfp_1 = 4*thk ! goc luon chay 1 rfp_2 = 3*thk ! goc luon chay 2 c1 = 1.4*thk ! khoang ho lan 1 c2 = 1.4*thk ! khoang ho lan 2 c3 = thk_2 rd_1 = rp_1 + thk_1 + c1 ! ban kinh khuon 1 rd_2 = rp_2 + thk_1 + c2 ! ban kinh khuon 2 rd_3 = rp_2 + c3! ban kinh khuon 3 rfd_1 = 6*thk ! goc luon khuon 1 rfd_2 = 6*thk ! goc luon khuon 2 rfd_3 = 6*thk ! goc luon khuon 3 hp_1 = 120 ! chieu cao chay hd_1 = 80 ! chieu sau khuon 1 hd_2 = 115 ! chieu sau khuon 2 hd_3 = 50! chieu sau khuon 3 !................... ! GEO !................... k,1,0,0.005,0 !chay 02 k,2,rp_2,0.005,0 k,3,rp_2,hp_1,0 l,1,2 l,2,3 lfillt,1,2,rfp_2 k,6,rp_2,0.005,0 !chay 01 k,7,rp_1,0.005,0 k,8,rp_1,hp_1,0 l,6,7 l,7,8 lfillt,4,5,rfp_1 k,16,rp_1+2*thk,thk,0 ! bank holder k,17,1.01*rmt,thk,0 l,16,17 k,18,0,-0.5*(thk+thk_1),0 ! sheet metal k,19,rmt,-0.5*(thk+thk_1),0 l,18,19 ldiv,8,0.5 k,20,1.01*rmt,-(thk+thk_1),0 ! khuon 01 k,21,rd_1,-(thk+thk_1),0 k,22,rd_1+thk_1,-hd_1,0 l,20,21 l,21,22 lfillt,10,11,rfd_1 lesize,all,15 lesize,1,,,8 lesize,3,2 lesize,4,,,2 lesize,5,15 lesize,6,4 lesize,7,20 lesize,8,,,20 lesize,9,,,10 lesize,12,2 k,1000,0,0,0 k,1001,0,10,0 arotat,1,2,3,,,,1000,1001,90,1 arotat,4,5,6,,,,1000,1001,90,1 arotat,7,,,,,,1000,1001,90,1 arotat,8,9,,,,,1000,1001,90,1 arotat,10,11,12,,,,1000,1001,90,1 k,36,0,-(thk+thk_1)-0.005,0 ! support k,37,rp_2,-(thk+thk_1)-0.005,0 l,36,37 lesize,40,,,4 arotat,40,,,,,,1000,1001,90,1 !................... ! MAT 3003-O !................... et,1,163 keyopt,1,1,12 et,2,163 keyopt,2,1,0 R,1 !metal RMODIF,1,1,5/6,2,thk,thk,thk,thk,0 MP,DENS,1,2.7403E-06 MP,EX,1,6.8948E+07 MP,NUXY,1,0.33 TB,PLAW,1,,,2, TBDAT,1,2.05461E+05 !k TBDAT,2,0.268771 !n TBDAT,3, TBDAT,4, TBDAT,5,2.42297E+04 !sy TBDAT,6, R,2 !1st punch RMODIF,2,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 EDMP,RIGI,2,6,7 ! only Y MP,DENS,2,8750E-9 MP,EX,2,2.1E8 MP,NUXY,2,0.33 R,3 !2nd punch ! only Y *CSET,1,2, 2,3, MPCOPY, ,2,3 TBCOPY,ALL,2,3 RMODIF,3,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 R,4 ! blank ! only Y RMODIF,4,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 EDMP,RIGI,4,6,7 MP,DENS,4,8750e-9 MP,EX,4,2.1e8 MP,NUXY,4,0.3 R,5 ! die ! All RMODIF,5,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 EDMP,RIGI,5,7,7 MP,DENS,5,8750e-9 MP,EX,5,2.1e8 MP,NUXY,5,0.3 R,6 !support ! only Y *CSET,1,2, 2,6, MPCOPY, ,2,6 TBCOPY,ALL,2,6 RMODIF,6,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 R,7 ! 2nd die ! All *CSET,1,2,5,7, MPCOPY, ,5,7 TBCOPY,ALL,5,7 RMODIF,7,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 R,8 ! 3rd die ! All *CSET,1,2,5,8, MPCOPY, ,5,8 TBCOPY,ALL,5,8 RMODIF,8,1,5/6,2,thk_1,thk_1,thk_1,thk_1,0 !................... ! MESH !................... !sheet metal aatt,1,1,1 lesize,31,,,16 lesize,32,,,16 lesize,8,,,16 lesize,29,,,16 amesh,8,9 !1st punch lsel,s,,,22,25 lesize,all,,,16 allsel aatt,2,2,2 amesh,4,6 !2nd punch aatt,3,3,2 lesize,16,,,16 lesize,17,,,16 lesize,18,,,16 amesh,1,3 !Blank holder lesize,27,,,8 lesize,28,,,8 aatt,4,4,2 amesh,7 !1st die lesize,36,,,12 lesize,37,,,12 lesize,38,,,12 lesize,39,,,12 aatt,5,5,1 amesh,10,12 ! Support Plate aatt,6,6,2 lesize,40,,,6 lesize,41,,,6 lesize,42,,,6 amesh,13 !2nd die k,43,1.01*rd_1,-hd_1,0 k,44,rd_2,-hd_1,0 k,45,rd_2,-(hd_1+hd_2),0 l,43,44 l,44,45 lfillt,43,44,rfd_1 lesize,43,15 lesize,44,15 lesize,45,2 arotat,43,44,45,,,,1000,1001,90,1 lesize,49,,,16 lesize,50,,,16 lesize,51,,,16 lesize,52,,,16 aatt,7,7,1 amesh,14,17 ! iron die k,48,rd_2,-(hd_1+hd_2),0 k,49,rd_2,-(hd_1+hd_2+2),0 k,50,rd_3,-(hd_1+hd_2+12),0 k,51,rd_3,-(hd_1+hd_2+25),0 k,52,rd_2,-(hd_1+hd_2+30),0 k,53,rd_2,-(hd_1+hd_2+35),0 l,48,49 l,49,50 l,50,51 l,51,52 l,52,53 lesize,53,,,1 lesize,54,2 lesize,55,4 lesize,56,,,1 lesize,57,4 arotat,53,54,55,56,57,,1000,1001,90,1 lsel,s,,,63,68,1 lesize,all,,,16 allsel aatt,8,8,1,0 amesh,17,21,1 !................... ! PART & CONTACT !................... EDPART,CREATE EDCGEN,ASSC EDCGEN,FOSS,1,2,0.2,0,0,0,0,,,,,0,0.08,0,0 EDCGEN,FOSS,1,3,0.4,0,0,0,0,,,,,0,10,0,0 EDCGEN,FOSS,1,4,0.1,0,0,0,0,,,,,0,0.05,0,0 EDCGEN,FOSS,1,5,0.1,0,0,0,0,,,,,0,0.1,0,0 EDCGEN,FOSS,1,6,0.1,0,0,0,0,,,,,0.0,10,0,0 EDCGEN,FOSS,1,7,0.1,0,0,0,0,,,,,0.04,10,0,0 EDCGEN,FOSS,1,8,0.05,0,0,0,0,,,,,0.1,10,0,0 !................... ! LOAD !................... save /prep7 *Dim,time,array,6,1,1,,,, *Dim,p_1,array,6,1,1,,,, *Dim,p_2,array,6,1,1,,,, *Dim,blank_force,array,6,1,1,,,, *Dim,punch_force,array,6,1,1,,,, *set,time(1,1,1),0 *set,time(2,1,1),0.01 *set,time(3,1,1),0.05 *set,time(4,1,1),0.1 *set,time(5,1,1),0.16 *set,time(6,1,1),0.2 *set,p_1(1,1,1),0 *set,p_1(2,1,1),0 *set,p_1(3,1,1),-hd_1+c1 *set,p_1(4,1,1),-hd_1+c1 *set,p_1(5,1,1),-hd_1+c1 *set,p_1(6,1,1),-hd_1+c1 *set,p_2(1,1,1),0 *set,p_2(2,1,1),0 *set,p_2(3,1,1),-hd_1+c1 *set,p_2(4,1,1),-(hd_1+hd_2) *set,p_2(5,1,1),-(hd_1+hd_2+100) *set,p_2(6,1,1),-(hd_1+hd_2+100+50) *set,blank_force(1,1,1),-55450000/4 *set,blank_force(2,1,1),-55450000/4 *set,blank_force(3,1,1),-55450000/4 *set,blank_force(4,1,1),-55450000/4 *set,blank_force(5,1,1),-55450000/4 *set,blank_force(6,1,1),-55450000/4 edload,add,rbuy,,2,time,p_1,,,,, !chay 1 edload,add,rbuy,,3,time,p_2,,,,,1 !chay 2 edload,add,rbuy,,6,time,p_2,,,,,1 ! chay 3 edload,add,rbfy,,4,time,blank_force,,,,0,0.04 edload,add,rbfy,,2,time,punch_force,,,,0.05,0.1 asel,s,,,8,9 nsla,s,1 nsel,r,loc,x,0 dsym,symm,x allsel asel,s,,,8,9 nsla,s,1 nsel,r,loc,z,0 dsym,symm,z allsel !................... ! SOLVE !................... /solu EDMP,HGLS,1,4,0.1,1.5,0.06,,, TIME,0.2, EDOPT,add,,LSDYNA EDADAPT,1,on EDADAPT,4,off EDADAPT,5,off EDADAPT,6,off EDADAPT,7,off EDADAPT,8,off EDCADAPT,0.015,5,1,3,0.03,0.12,,2,,,,, /SOLU EDWRITE,LSDYNA,'file','k',' ' B. Bài toán gia công co T bằng thủy lực FNISH /CLEAR,ALL /TITLE, BLOW MOLD: REV A C***, using shell element only C***, AUTHOR: TRAN KHOA LUAT /prep7 /light,1,1,0.7,-1,-1,-1 /PLOPT,info,1 /REPLOT C***, TEST-B !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!! UNIT UNIT UNIT !!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !Units Kg,mm,ms,Gpa !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!! PARA PARA PARA !!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !wall thickness = 1.3 !lenght = 121mm !outer diameter 24.1mm !mean diamater 22.8mm !unit: Kg,mm,ms,Gpa /prep7 !feed parameters F1 = 0 F2 = 4 F3 = 12 F4 = 14.5 F5 = 18.5 !pressure parameters P1 = 0 P2 = 0.0032 P3 = 0.045 P4 = 0.040 P5 = 0.040 thkm = 1.3 d0 = 24.1 l0 = 121 rdm = (d0-thkm)/2 l1 = l0/2 thkd = 0.001 rfil = 3 rd_1 = rdm + 0.5*(thkm+thkd) ! die rad rd_2 = rdm - 0.5*(thkm+thkd) ! punch rad fsc = 0.15 ! coeffient friction k,1000,0,0,0 k,1001,l1,0,0 k,1002,0,l1,0 ! punch k,1,0.75*l1,0.95*rd_2,0 k,2,l1 + 1.2*thkd,0.98*rd_2,0 k,3,l1 + 1.2*thkd,rd_2+thkm,0 l,1,2 l,2,3 ! metal pipe k,4,0,rdm,0 k,5,l1,rdm,0 l,4,5 ! die k,6,0,rd_1,0 k,7,l1,rd_1,0 k,8,rd_1,0,0 k,9,rd_1,35,0 l,6,7 l,8,9 !support plate k,10,0,rd_1,0 k,11,rd_1-0.5*thkd,rd_1,0 l,10,11 lesize,1,10 lesize,2,,,3 arotat,1,2,,,,,1000,1001,-180,2 ! inter die lesize,3,,,40,2 arotat,3,,,,,,1000,1001,-180,2 ! metal pipe arotat,4,,,,,,1000,1001,-180,2 ! arotat,5,,,,,,1000,1002,90,1 arotat,6,,,,,,1000,1002,90,1 ! support plate aptn,7,9 adele,11,12,1,1 afillt,13,14,rfil !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!! TYPE, REAL, MAT, !!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ET,1,163 KEYOPT,1,1,12 EDSHELL,20,-1,1,2,1,1 R,1 !metal RMODIF,1,1,5/6,2,thkm,thkm,thkm,thkm,0 MP,DENS,1,8900e-9 MP,EX,1,119.86 MP,NUXY,1,0.31 TB,PLAW,1,,,2, TBDAT,1,0.4257 !k TBDAT,2,0.2562 !n !TBDAT,3, !TBDAT,4, TBDAT,5,0.116 !sy !TBDAT,6, !die R,2 RMODIF,2,1,5/6,2,thkd,thkd,thkd,thkd,0, EDMP,RIGI,2,7,7 MP,DENS,2,7.850e-9 MP,EX,2,210 MP,NUXY,2,0.3 !Puch R,3 RMODIF,3,1,5/6,2,thkd,thkd,thkd,thkd,0 EDMP,RIGI,3,5,7 MP,DENS,3,7.850e-9 MP,EX,3,210 MP,NUXY,3,0.3 !support sheet R,4 RMODIF,4,1,5/6,2,thkd,thkd,thkd,thkd,0 EDMP,RIGI,4,6,7 MP,DENS,4,7.850e-9 MP,EX,4,210 MP,NUXY,4,0.3 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!! MESH !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! sheet metal aatt,1,1,1,0 lesize,19,,,10,0.5 lesize,20,,,10,0.5 lesize,21,,,10, lesize,22,,,10, amesh,5,6 asel,s,,,5 esla,s esel,r,cent,x,0,1.2*rd_1 esel,r,cent,y,0,rd_1 !EREFINE,ALL, , ,1,0,1,1 ALLSEL !die AATT,2,2,1,0 lesize,23,,,20,0.25 lesize,24,,,20,0.25 lesize,27,,,10 lesize,28,,,10 AMESH,8 lesize,26,,,10 lesize,42,,,10,0.5 lesize,44,,,20,0.5 lesize,4,,,3 lesize,45,,,10 lesize,47,,,5 lesize,40,,,5 lesize,31,,,10 AMESH,11 AMESH,7 ASEL,S,,,9 AMESH,9 ESLA,S !EREF,all, , ,1,0,1,1 ALLSEL !punch aatt,3,3,1,0 lesize,11,,,10 lesize,14,,,10 lesize,12,,,10 lesize,15,,,10 lesize,13,,,10 LESIZE,16,,,10 amesh,1,4 asel,s,,,5,6 nsla,s,1 esln,s,,all cm,int_elem,element allsel save /prep7 EDPART,CREATE EDCGEN,FOSS,1,2,fsc,fsc,0.5,0.067,20,,,,,0,1500,0,0 EDCGEN,FOSS,1,3,fsc,fsc,0.5,0.067,20,,,,,0,1500,0,0 EDCGEN,ASSC, EDCONTACT,0.1,0,2,2,1,2,1,4,1 EDSP,ON,1,2,1, EDSHELL,20,-1,1,2,1,1, *Dim,time,array,5,1,1,,,, *Dim,int_press,array,5,1,1,,,, *Dim,push,array,5,1,1 *set,time(1,1,1),0 *set,time(2,1,1),1.2 *set,time(3,1,1),2.76 *set,time(4,1,1),3.10 *set,time(5,1,1),3.5 *set,int_press(1,1,1),p1 *set,int_press(2,1,1),p2 *set,int_press(3,1,1),p3 *set,int_press(4,1,1),p4 *set,int_press(5,1,1),p5 *set,push(1,1,1),-f1 *set,push(2,1,1),-f2 *set,push(3,1,1),-f3 *set,push(4,1,1),-f4 *set,push(5,1,1),-f5 asel,s,,,5,6 nsla,s,1 nsel,r,loc,x,0 dsym,symm,x, allsel, asel,s,,,5,6 nsla,s,1 nsel,r,loc,z,0 dsym,symm,z, allsel, asel,s,,,5,6 nsla,s,1 nsel,r,loc,x,l1 cm,endnode,nodes allsel, edload,add,press,1,int_elem,time,int_press,,,,, edload,add,rbux,,3,time,push,,,,, edload,add,ux,,endnode,time,push,,,,, EDMP,HGLS,1,0,0.1,1.5,0.06,,, EDCTS,,0.9 TIME,3.5, EDRST,100, EDHTIME,200, EDOUT,GLSTAT EDOUT,MATSUM EDOUT,RCFORC EDOPT,add,,LSDYNA EDDUMP,1, finish /config,nres,2000 /solu EDADAPT,1,ON EDADAPT,2,OFF EDADAPT,3,OFF EDCADAPT,0.5,5,1,3,0.5,3,,3,,,,,, EDWRITE,LSDYNA,'file','k',' ' C. Chương trình LS-DYNA Chương trình LS-DYNA ban đầu dựa trên chương trình phần tử hữu hạn DYNA3D do tiến sĩ John O. Hallquist tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) vào năm 1976. DYNA3D được tạo ra nhằm mô phỏng va chạm trong các thử nghiệm quân sự. Vào thời điểm đó, không có chương trình dạng 3D nào đủ khả năng mô phỏng các va chạm trong khi các chương trình 2D tỏ ra quá nghèo nàn. DYNA3D sử dụng tích phân explicit để mô tả các vấn đề động lực học phi tuyến và được dùng nhiều trong các phân tích ứng suất của cấu trúc dưới nhiều (tải) va chạm khác nhau. Chương trình ban đầu khá đơn giản do giới hạn về phần cứng. Những năm sau đó, cùng với sự phát triển của máy tính DYNA3D tiếp tục ra các phiên bản mới thêm nhiều loại phần tử bậc cao có khả năng giải quyết các vấn đề ngày càng phức tạp. Như một kết quả tất yếu về nhu cầu tính toán của các ngành công nghiệp, Livermore Software Technology Corporation (LSTC) ra đời nhằm tiêp tục phát triển và mở rộng chương trình DYNA3D thành LS-DYNA. Hiện nay, công ty ANSYS đã tích hợp chương trình LS-DYNA và tạo thành chương trình ANSYS/ANSYS-LSDYNA. Những bài toán điển hình của LS-DYNA: Bài toán tiếp xúc (vd: các chi tiết máy với nhau) Bài toán biến dạng lớn (vd: quá trình dập kim loại) Vật liệu phi tuyến (vd: các loại nhựa nhiệt dẻo, cao su) Các bài toán va chạm (vd: va chạm ô tô, va chạm giưa người và túi khí) Các ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng (vd: mô phỏng các vụ nổ) Quy trình giải một bài toán bằng modul Ls-Dyna trong ANSYS: Vì chương trình ANSYS tương đồng về mặt xây dựng mô hình hình học và có sử dụng thư viện vật liệu với chương trình Ls-Dyna nên khoảng 80% lệnh của Ls-Dyna được hỗ trợ bởi ANSYS. Sau khi tiến hành chia lưới và áp đặt điều kiện biên, điều kiện đầu, các điều kiện tiếp xúc, các điều kiện kiểm soát hourglassing, giảm chấn, khối lượng, năng lượngchương trình ANSYS tạo ra một tập tin có dạng “*.k”. Ta có thể hiệu chỉnh tập tin này bằng cách điều chỉnh các thẻ (card) của nó và sau đó dùng bộ giải LS-DYNA solver để giải. Ta tác động vào quá trình giải bằng cách dùng cách khởi động (restart) các quá trình nhằm loại bỏ một số liên kết không cần thiết, thay đổi thuộc tính vật liệu như hóa rắn ( flexiable to rigid) hay là chuyển đổi qua lại giữa thuật toán Explicit và Implicit. Ngoài ra, ANSYS/LS-DYNA còn cho phép người dùng nâng cao hiệu năng xử lí bài toán bằng tùy chọn HPC (High Performace Computing) có thể điều chỉnh số nhân xử lý khi dùng máy tính đơn hoặc xử lý song song bằng nhiều máy tính. Phụ lục 1: Bộ giải LS-DYNA Solver tích hợp vào chương trình ANSYS Phụ lục 2: Tùy chọn số nhân xử lý cho quá trình tính toán D. Chương trình HyperView HyperView là một sản phẩm của công ty Altair Engineering có trụ sở tại bang Michigan, Hoa Kỳ. HyperView được tạo ra với vai trò là một công cụ phân tích kết quả trực quan, thân thiện với người dùng. HyperView có khả năng đọc được nhiều định dạng kết quả của nhiều chương trình tính khác nhau như ANSYS, LS-DYNA, ADYNA, ABAQUS, NASTRANvới tính năng biểu diễn đồ họa 3D nhanh chóng kết hợp với các công cụ toán học phức tạp tạo nên tính tiện lợi, rõ ràng, linh hoạt trong quá trình phân tích dữ liệu. Điểm nổi bật của HyperView là người dùng có thể tương tác bằng giao diện và biểu diễn một lượng lớn các hàm kết quả và các giá trị liên quan trong cùng một thời gian một cách tự động, và lấy kết quả một cách dễ dàng và nhanh chóng. Phụ lục 3: Giao diện của chương trình HyperView