Моделирование формовки листового металла - Sheet metal forming simulation

Сегодня обработки металлов давлением промышленность все чаще использует симуляция для оценки характеристик штампов, процессов и заготовок перед сборкой инструментов для испытаний. Анализ методом конечных элементов (FEA) - наиболее распространенный метод моделирования операций формования листового металла для определения того, будет ли предложенная конструкция производить детали без дефектов, таких как трещины или складки.^[1]

Проблемы формовки листового металла

Формовка листового металла, которую часто называют штамповка, представляет собой процесс, в котором кусок листового металла, называемый заготовкой, формируется путем растяжения между пуансоном и штампом.^{[нужна цитата ]}

Деформация заготовки обычно ограничивается короблением, складками, разрывом и другими отрицательными характеристиками, которые делают невозможным выполнение требований к качеству или заставляют работать с более медленной, чем желательно, скоростью.^{[нужна цитата ]}

Отпрянуть является особенно важным аспектом формовки листового металла. Даже относительно небольшое количество упругого возврата в конструкциях, сформированных на значительную глубину, может вызвать деформацию заготовки до такой степени, что допуски не будут соблюдаться. Новые материалы, такие как высокопрочная сталь, алюминий и магний, особенно подвержены упругому возврату.^[2]

Формовка листового металла - это больше искусство, чем наука. Проектирование оснастки, процесса штамповки, материалов и геометрии заготовок в основном выполняется методом проб и ошибок.^{[нужна цитата ]}

Традиционный подход к проектированию пуансона и штампа для успешного производства деталей заключается в создании испытательных инструментов для проверки способности определенной конструкции инструмента производить детали требуемого качества. Инструменты для испытаний обычно изготавливаются из менее дорогих материалов, чтобы снизить затраты на испытания, но этот метод по-прежнему является дорогостоящим и требует много времени.^[3]

История моделирования формования листового металла

Первая попытка моделирования обработки металлов давлением была предпринята с использованием метод конечных разностей в 1960-х, чтобы лучше понять процесс глубокой вытяжки. Позднее точность моделирования была увеличена за счет применения нелинейного анализа методом конечных элементов в 1980-х годах, но время вычислений в то время было слишком большим для применения моделирования к промышленным задачам.^{[нужна цитата ]}

Быстрые улучшения за последние несколько десятилетий в компьютерном оборудовании сделали метод анализа конечных элементов практичным для решения реальных проблем обработки металлов давлением. Был разработан новый класс кодов FEA, основанный на явном интегрировании по времени, что позволило сократить время вычислений и требования к памяти. Подход явного динамического FEA использует центральную другую явную схему для интеграции уравнений движения. В этом подходе используются матрицы сосредоточенных масс и типичный временной шаг порядка миллионных долей секунды. Метод оказался надежным и эффективным для типичных промышленных задач.^{[нужна цитата ]}

По мере развития компьютерного оборудования и операционных систем ограничения памяти, мешавшие практическому использованию неявных методов конечных элементов, были преодолены.^[4] При использовании неявного метода временные шаги вычисляются на основе прогнозируемой величины деформации, возникающей в данный момент в моделировании, что предотвращает ненужную вычислительную неэффективность, вызванную вычислением слишком малых временных шагов, когда ничего не происходит, или слишком большого временного шага, когда большое количество деформации.

Методы конечно-элементного анализа

Два основных подразделения в применении метода анализа конечных элементов для обработки листового металла можно выделить как обратный одноэтапный и инкрементный.

Обратный одношаговый методы вычисляют потенциал деформации геометрии готовой детали к плоской заготовке. Первоначально сетка, имеющая форму и характеристики материала готовой геометрии, деформируется в плоскую заготовку. Деформация, вычисленная в этой операции обратного формования, затем инвертируется для прогнозирования потенциала деформации плоской заготовки, деформируемой в окончательную форму детали. Предполагается, что вся деформация происходит за одно приращение или шаг и является инверсией процесса, который симуляция должна представлять, отсюда и название «Inverse One-Step».

Инкрементальный анализ методы начинаются с сетки плоской заготовки и моделируют деформацию заготовки внутри инструментов, смоделированных для представления предлагаемого производственного процесса. Это инкрементное формование вычисляется «вперед» от начальной формы к окончательной и рассчитывается по ряду временных приращений от начала до конца. Приращения времени могут быть определены явно или неявно в зависимости от применяемого программного обеспечения конечных элементов. Поскольку дополнительные методы включают модель инструмента и позволяют определять граничные условия, которые более полно повторяют производственное предложение, для проверки процесса чаще используются дополнительные методы. Обратный одношаговый метод с отсутствием инструментов и, следовательно, плохим представлением процесса, ограничивается проверками выполнимости на основе геометрии.^[5]

Инкрементальный анализ выполнил роль, которую ранее выполняли с помощью инструментов проверки или прототипов. В прошлом контрольные инструменты представляли собой короткосерийные штампы, изготовленные из более мягкого, чем обычно, материала, которые использовались для планирования и тестирования операций обработки металлов давлением. Этот процесс отнимал очень много времени и не всегда давал положительные результаты, так как программные инструменты сильно отличались по своему поведению от более длительных производственных инструментов. Уроки, извлеченные из мягких инструментов, не были перенесены в конструкцию жестких инструментов. Моделирование по большей части вытеснило этот старый метод. Моделирование, используемое в качестве виртуальной пробной версии, представляет собой моделирование формовки металла, основанное на определенном наборе входных переменных, иногда номинальных, наилучших, наихудших и т. Д. Однако качество любого моделирования зависит от данных, используемых для создания прогнозов. Когда моделирование рассматривается как «промежуточный результат», производство инструмента часто начинается всерьез. Но если результаты моделирования основаны на нереалистичном наборе производственных ресурсов, то его ценность как инженерного инструмента является сомнительной.

Анализ устойчивости

Недавние инновации в стохастическом анализе, применяемые к моделированию формования листового металла, позволили ранним последователям разработать повторяемость своих процессов, которая может быть не обнаружена, если они используют отдельные наборы моделирования в качестве «виртуальных проб».^[6]

Использование моделирования формовки листового металла

Модели материалов типа Чабош иногда используются для моделирования эффектов упругого возврата при формовании листового металла. Эти и другие усовершенствованные модели пластичности требуют экспериментального определения циклических кривых напряжения-деформации. Испытательные стенды использовались для измерения свойств материала, которые при использовании в моделировании обеспечивают отличную корреляцию между измеренным и рассчитанным упругим возвратом.^[7]

Многие операции по штамповке металла требуют слишком большой деформации заготовки для выполнения за один этап. Многоступенчатые или прогрессивные операции штамповки используются для постепенного придания заготовке желаемой формы с помощью ряда операций штамповки. Платформы программного обеспечения для инкрементального моделирования формовки решают эти операции с помощью серии одноэтапных операций штамповки, которые моделируют процесс формовки по очереди.^[8]

Другой распространенной целью при проектировании операций по формованию металла является разработка формы исходной заготовки таким образом, чтобы для окончательной формованной детали требовалось немного операций резки или не требовалось никаких операций резки для соответствия геометрии конструкции. Форму заготовки также можно оптимизировать с помощью моделирования методом конечных элементов. Один из подходов основан на итерационной процедуре, которая начинается с приблизительной начальной геометрии, моделирует процесс формования, а затем проверяет отклонение полученной сформированной геометрии от идеальной геометрии продукта. Узловые точки корректируются в соответствии с полем смещения для корректировки геометрии кромки заготовки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока форма торцевой заготовки не будет соответствовать геометрии заданной детали.^[9]

Моделирование обработки металлов давлением дает особые преимущества в случае использования высокопрочной стали и усовершенствованной высокопрочной стали, которые используются в современных автомобилях для уменьшения веса при сохранении безопасности автомобиля при столкновении. Материалы имеют более высокий предел текучести и предел прочности на разрыв, чем обычная сталь, поэтому штамп подвергается большей деформации во время процесса формования, что, в свою очередь, увеличивает сложность проектирования штампа. Моделирование листового металла, которое учитывает деформацию не только заготовки, но и штампа, можно использовать для разработки инструментов для успешного формования этих материалов.^[10]

Промышленное применение

Тата Моторс Инженеры использовали моделирование формовки металла для разработки инструментов и технологических параметров для создания новой конструкции масляного насоса. Первые прототипы, которые были произведены закрытым способом, соответствовали прогнозам моделирования.^[11]

Nissan Motor Company использовала моделирование формовки металла для решения проблемы разрывов при штамповке металла. Была создана простая имитационная модель, чтобы определить влияние радиуса кромки заготовки на высоту, до которой материал может быть сформирован без разрыва. На основе этой информации был разработан новый штамп, который решил проблему.^[12]

В отрасли доступно множество программ для обработки листового металла, таких как SolidWorks и LITIO.^[13]