Построение модели прокатки квадратной стали в последнем проходе

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

НАО «КАРАГАНДИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет: МиМ

Специальность: ТОМД Группа: ТОМД -17к-1

Пояснительная записка к курсовой работе

По дисциплине: Математическое моделирование оборудования и процессов прокатки и волочения

Тема:

Руководитель работы:

ст. пр., доктор PHD: Панин Е.А

Темиртау, 2020



Министерство образования и науки Республики Казахстан

НАО «Карагандинский индустриальный университет»

«УТВЕРЖДАЮ»

Факультет_____МиМ_______ Зав. кафедрой_____________

Кафедра_____ОМД__________ «____»_______________2020г.

КУРСОВОЕ ЗАДАНИЕ

Студенту____Смайлова У.Т.. ____________________Группы___ТОМД-17к-1

1. Тема: Построить модель прокатки квадратной стали в последнем проходе. Построить график усилия при прокатке и показать распределение температуры и деформации

2. Исходные данные: согласно утвержденным вариантам исходных данных ___________________________________________________

3. Содержание расчетно-пояснительной записки _____23 стр. _______

Перечень подлежащих разработке вопросов

1) Введение; 2) Общие сведения о компьютерном моделировании; 3) Исходные данные; 4) Создание геометрии модели; 5) Создание модели для расчета; 6) Результаты расчета модели; 7) Заключение

4. Перечень графического материала__-__________________

С точным указанием обязательных чертежей

5. Срок сдачи проекта руководителю____10.12,2020._____________________

6. Дата выдачи задания____________________________________

7. Руководитель проекта _____________________Панин Е.А.______________

8. Задание принял к исполнению________________________________



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ОМД

1.1 Сведения о программе DEFORM 3D

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

3. СОЗДАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ЗАГОТОВКИ И ИНСТРУМЕНТА

4. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА

5. РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

В последние годы все больше внимания уделяется моделированию различных технологических процессов, в том числе и процессов обработки металлов давлением (ОМД), для их реализации в производственных условиях. компьютерный моделирование давление заготовка

Разработка новых технологий, запуск нового оборудования, освоение новых видов продукции в производстве являются трудоемкими и затратными процедурами [1]. Моделирование же позволяет решать основную задачу промышленного производства - получение максимальной прибыли при минимальных затратах. При этом исследования и эксперименты в реальном производстве имеют следующие недостатки:

1) большие энергозатраты и риск получения некачественной продукции;

2) невозможность или высокая стоимость изменения параметров процесса в широких диапазонах;

3) вероятность аварии и поломки оборудования и др.

Поэтому внедрение процессов ОМД для получения новых видов продукции или же вообще новых видов деформационной обработки немыслимо без применения различных методов моделирования.

В связи с этим становится выгодно провести сначала эксперименты виртуально или в меньших масштабах и найти приемлемые границы изменения параметров или выйти на область параметров, которая бы приводила к достижению наилучшего соотношения затрат на исследования и полученной от внедрения прибыли.

Так же стоит отметить что немаловажным требованием к программному обеспечению для моделирования процессов ОМД является простота пользовательского интерфейса. Моделирование уже на протяжении 25 лет широко используется в различных научно исследовательских институтах и университетах во время научных исследований. Поэтому такие понятия, как размер элемента условия сходимости, граничные условия и т.д. исследователям знакомы и понятны.

Моделирование находи все более широкое применение не только в сфере образования, но и на предприятиях.



1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ОМД

Моделированием, как правило, называется представление объекта в некоторой форме, отличной от его реальных параметров [2]. Применение моделирования позволяет понять, как устроен реальный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром, научиться управлять объектом (или процессом), определять оптимальные способы управления им при заданных целях и критериях, а также прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект.

В процессе моделирования модель может быть представлена как копия объекта, выполненная из другого материала, в другом масштабе или с отсутствием некоторых деталей, а также выражена в абстрактной форме (математическая модель). Математическая модель выражает существенные черты объекта или процесса языком уравнений и других математических средств.

Для математического моделирования процесса штамповки изделий сложной формы необходимо учитывать его основные особенности:

-нестационарность поля скоростей течения металла на протяжении всего процесса (от начала деформирования исходной заготовки до получения готового изделия);

-нестационарность температурного поля;

-переменный характер кинематических, силовых и температурных граничных условий для краевых задач определения соответствующих величин.

Необходимо также учитывать максимально полный перечень факторов, определяющих получение регламентированной структуры и точность прогнозирования нсразрушаемости заготовки в заданных деформационных условиях.

Успехи в развитии численных методов и наличие современной вычислительной техники дают возможность строить математические модели, которые позволяют на основе оптимально выбранной совокупности экспериментальных данных достаточно полно описать процессы формоизменения, протекающие при штамповке.

Величины, характеризующие процесс, рассчитываются постадийно, с учетом совокупности условий, переходящих от стадии к стадии.

Каждая из них характеризуется совокупностью своих кинематических, динамических и температурных граничных условий. Конечные значения ряда величин (например: температуры, накопленной степени деформации сдвига), полученные на каждой стадии, используются как начальные при расчете процесса на следующей стадии.

Методика расчета процессов внутри каждой стадии, согласно работе, включает:

-отображение области течения на каноническую область с использованием аппарата теории аналитических функций;

-решение температурной задачи, построение полей скоростей и скоростей деформаций, вычисление распределения накопленной степени деформации в канонической области;

-перенос и фиксирование результатов решения в исходной области.

Для определения конфигурации области пластического течения на разных стадиях процесса предложена достаточно простая экспериментальная методика. Разработанные в настоящее время математические модели включают конформное отображение области формоизменения, которое осуществляется с помощью метода конечных элементов [2]. Температурная задача решается локально-одномерной схемой с возможностью точечного задания типа граничного условия Модули построения поля скоростей в канонической области реализованы на базе метода конечных элементов и обеспечивают возможность работы как со сжимаемыми, так и несжимаемыми средами. Предусмотрен обширный набор модулей, облегчающих подготовку исходных данных и обеспечивающих удобство и наглядность представления выходных данных расчета по модели.

В настоящее время для моделирования различных процессов обработки давлением широко применяются математические модели, основанные на методах конечных и граничных элементов, в которых учитываются нелинейности (нелинейные свойства материала и граничные условия).

Основы математического моделирования методом конечных элементов процессов обработки металлов давлением с использованием теории течения были заложены профессором Г.Я. Гуном и его сотрудниками в работах, выполненных в 70-80 годах в МИСиС Эти работы стали основой для разработки компьютерных программ моделирования.

За последние десять лет программы для моделирования претерпели качественные изменения. В середине 90-х годов точность результатов, получаемых конечно-элементным моделированием процессов течения металла при холодной и горячей объемной штамповке, достигла уровня, приемлемого для начата их промышленного применения В настоящее время конечно-элементные программы моделирования процессов объемной штамповки стали повседневным инструментом для оптимизации серийных и разработки новых технологий |4].

Основные требования, предъявляемые к современным программам моделирования процессов объемной штамповки, которые обеспечивают повышение выхода годного при штамповке и коэффициента использования материала, экономию электроэнергии и времени на разработку и оптимизацию технологии, можно сформулировать следующим образом:

-максимальная автоматизация процессов моделирования для оперативного решения технологических проблем, возникающих в производстве;

-графический интерфейс программы должен быть доступен и понятен пользователю любого уровня компетенции;

-минимальное влияние человеческого фактора на точность получаемых результатов;

-самые сложные конфигурации технологических инструментов должны легко импортироваться из большинства CAD систем.

Компьютерное моделирование позволяет проводить анализ технологического процесса штамповки на этапе се разработки и вносить необходимые корректировки для достижения требуемого качества заготовок. Моделирование помогает определить оптимальную предварительную форму поковки при многопереходной технологии с целью минимизации усилий и повышения стойкости штампов, оптимизировать количество переходов.

Адаптация программ компьютерного моделирования процессов обработки давлением к серийному производству позволяет посредством предварительного моделирования технологической цепочки определить, на каком оборудовании необходимо изготовлять заготовку, се оптимальную форму и массу, количество переходов по всем операциям технологического процесса - для достоверной оценки трудоемкости и стоимости изготовления заготовки. Программа также позволяет оценить производительность процесса и стойкость инструмента, что обеспечивает обоснованную оценку себестоимости производства.

1.1 Сведения о программе DEFORM 3D

DEFORM - специализированный инженерный программный комплекс, предназначенный для анализа процессов обработки металлов давлением, термической и механической обработки [3]. DEFORM позволяет проверить, отработать и оптимизировать технологические процессы непосредственно за компьютером, а не в ходе экспериментов на производстве методом проб и ошибок. Благодаря этому существенно сокращаются сроки выпуска продукции, повышается ее качество и снижается себестоимость. Разработан американской компанией Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC), являющейся лидером в области моделирования процессов обработки металлов давлением.

DEFORM позволяет моделировать практически все процессы, применяемые в обработке металлов давлением (ковка, штамповка, прокатка, прессование и др.), а также операции термической обработки (закалка, старение, отпуск и др.) и механообработки (фрезерование, сверление и др.).

DEFORM применяется по всему миру, как на промышленных предприятиях, так и в научно-исследовательских институтах и технических университетах, является самым распространенным программным комплексом для моделирования процессов обработки металлов давлением.

Преимущества DEFORM:

универсальность - программа DEFORM позволяет моделировать широкий круг технологических процессов, применяемых на производстве;

совместимость с большинством программных пакетов для создания геометрических моделей и генерации конечно-элементной сетки;

большие возможности по самостоятельной генерации конечно-элементной сетки;

возможность использования различных моделей пластичности материала;

большая база данных по характеристикам материалов и кузнечно-прессового оборудования, а так же широкие возможности по их редактированию и добавлению;

возможность моделирования различных условий трения между заготовкой и инструментом;

широкие возможности моделирования различных видов движения инструмента;

простой и удобный интерфейс;

Программный комплекс DEFORM имеет гибкую модульную структуру, позволяющую пользователю выбрать и приобрести оптимальный набор модулей под номенклатуру решаемых задач.

Основные модули DEFORM

DEFORM-3D - модуль, предназначенный для моделирования трехмерных процессов обработки металлов давлением;

DEFORM-2D - модуль, предназначенный для моделирования двумерных процессов обработки металлов давлением (осесимметричные и плоские задачи) ;

DEFORM-F3 - модуль, предназначенный для моделирования трехмерных процессов обработки металлов давлением. Является «облегченной» версией DEFORM 3D;

DEFORM-F2 - модуль, предназначенный для моделирования двумерных процессов обработки металлов давлением (осесимметричные и плоские задачи), «облегченная» версия DEFORM 2D;

DEFORM HT3 и DEFORM HT2 - модули, предназначенные для моделирования соответственно трехмерных и двухмерных (осесимметричные и плоские задачи) процессов термической обработки;

Дополнительные модули DEFORM:

Модуль DEFORM DOE - модуль планирования эксперимента - позволяет систематически исследовать технологический процесс путем варьирования одного или нескольких параметров, а так же проводить оптимизацию технологических процессов, находя такие технологические параметры, которые позволили бы минимизировать или максимизировать ту или иную целевую функцию.

После выбора пользователем технологических параметров процесса и задания интересующих его выходных параметров DEFORM в автоматическом режиме проводит необходимые расчеты.

Файл, с полученными данными визуализируется с помощью специального постпроцессора DEFORM DOE.

Ring Rolling 3D - модуль для моделирования процессов раскатки колец. Может работать как отдельный модуль, так и как приложение к модулю DEFORM-3D.

Алгоритмы решения оптимизированы под процесс раскатки колец. Генератор сеток модуля строит сетку из 8-узловых гексаэдров и при необходимости может автоматически перестаивать ее. Предоставляется полная информация о течении процесса раскатки с возможностью её визуализации.

Результаты решения с помощью модуля Ring Rolling 3D нескольких задачах в сравнении с экспериментальными данными Вы можете посмотреть здесь.

Cogging (3D) - приложение к модулю DEFORM-3D для моделирования процессов протяжки на молоте.

Модуль включает набор стандартных геометрий заготовок и манипулятор для протяжки. Параметрами процесса являются количество нагревов заготовки, очередность подачи и кантования, размер бойка, время между ударом и подачей. Предварительный просмотр моделируемой операции помогает предотвратить ошибки. Предоставляется полная информация о течении процесса раскатки с возможностью визуализации его.

Shape Rolling (3D) - приложение к модулю DEFORM-3D - моделирование процессов прокатки для предотвращения образования складок в материале, растяжек изгибов и т.д. Могут быть оптимизированы такие процессы как коэффициент формоизменения, характер движения количество и скорость валков. Простой, пошаговый интерфейс модуля, библиотека стандартных заготовок и валков позволяют легко вводить исходные данные для моделирования.

Inverse Property Extraction (2D или 3D) - приложение к модулям DEFORM-3D либо DEFORM-2D, определение коэффициент теплопередачи на границе заготовки. Простой, пошаговый интерфейс модуля помогает пользователю начиная от ввода исходных данных до получения конечного результата.

Simulation Queue - модуль, позволяющий реализовать пакетный режим обработки нескольких заданий

Microstructure 3D и Microstructure 2D - являются приложениями к модулям DEFORM-3D и DEFORM-2D соответственно, для моделирования трехмерных процессов термической обработки.

Функционально соответствуют модулям DEFORM HT3 и DEFORM HT2, но, кроме того, позволяют моделировать микроструктурные превращения в заготовке при ее деформировании.

Machining 3D и Machining 2D - приложения к модулям DEFORM-3D и DEFORM-2D соответственно, для моделирования процессов механообработки

DEFORM-TOOLS - модуль, предназначенный для увеличения графических возможностей и повышения производительности системы. Включает в себя:

менеджер задач, позволяющий поставить на расчет несколько задач;

редактор презентаций, позволяющий повысить качество презентационных материалов, применяемых для рабочих, учебных маркетинговых целей, и включает в себя инструмент для анимирования результатов расчетов;

дополнительный постпроцессор, позволяющий отобразить результаты 2-х мерных расчетов в трехмерном пространстве.

Для работы с дополнительными модулями необходимо обязательно иметь DEFORM-3D или DEFORM-2D, соответственно.



2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Индивидуальным заданием для построения модели, используемой в данной курсовой работе, послужила модель изготовления детали по системе ромб-квадрат.

Конечным продуктом послужил квадрат, стороной 17 мм. Данные о двух рассматриваемых проходах показаны в таблице 1

Таблица 1 - Исходные данные

Калибр	Размер, мм
	H	B	C	R`	R	C
Рб	20	31	-	3	3.1
Кв	24	24	17	2.55	2.55	1,85

Для того, чтобы определить высоту и ширину квадратного калибра, необходимо воспользоваться следующей формулой:

H=B = C · 1,41;

H=B = 17 · 1,41 = 24 мм.



3. СОЗДАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ЗАГОТОВКИ И ИНСТРУМЕНТА

Для того, чтобы создать геометрию заготовки, мною была использована система трехмерного моделирования КОМПАС.

В КОМПАС сначала мною была построена плоская модель инструмента и заготовки (рисунок 1), после чего, каждая деталь была подвержена инструментам, предназначенным для изготовления 3D моделей (рисунок 2).

Рисунок 1 - Плоская модель заготовки и инструмента

Рисунок 2 - 3D модель заготовки



Каждая модель, перенесенная в 3D была сохранена в отдельном файле с привязкой в точке начала координат.

Заготовка подверглась операции выдавливания, а валки вращению.



4. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА

После того, как все файлы были сохранены индивидуально в нужном формате, работа перешла в программу DEFORM для расчета созданной мною модели. Создав новый документ, мною были добавлены новые детали. Заготовка, верхний, нижний валки, а также пуансон, имеющий размеры поперечного сечения равные заготовки, но отличающийся в длине. Добавление объекта показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Добавление объектов в DEFORM

После того, как все объекты были добавлены, мною была создана сетка заготовки (рисунок 4). Количество элементов сетки - 32000.



Рисунок 4 - Генерация сетки заготовки

После того, как сетка была создана, мной был выбран материал заготовки (рисунок 5). Им стал свинец, а температура его 50 єС. По характеристикам выбранного материала, температура его не должна быть меньше 20 и не быть больше 300 єС. Заданный диапазон не был нарушен. Кроме того, тип объекта для заготовки был выбран пластичный, а для валков и пуансона жесткий.

Рисунок 5 - Выбор параметров заготовки



После вышеперечисленных действий, мною были выбраны кинематические параметры для валков и пуансона. Для валков было выбрано движение вращательного типа, для пуансона движение типа перемещения (рисунок 6).

Рисунок 6 - Добавление кинематических параметров на примере верхнего валка

Далее, необходимо задать параметры расчета. Мною был выбран параметр теплопередачи, число шагов расчета был равен 100-м, расчет сохранялся каждые 2 шага.

После задачи данных параметров стало возможным просмотр примера движения всего процесса, что и было сделано мною (рисунок 7).

После чего, мною были заданы параметры контакта заготовки и инструмента. В окне взаимодействия объектов мною были заданы параметры, указанные на рисунке 8. Параметры были добавлены для всех связей, была высчитана погрешность, а после все это подверглось генерации.

Конечным этапом настройки параметров расчета модели в препроцессоре, стало создание базы данных. После проверки возможности создания базы, программа не нашла никаких ошибок, следовательно, база данных была создана и расчет был запущен.

Рисунок 7 - Проверка кинематики

Рисунок 8 - Задача связей между объектами модели



5. РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА

Этапы прокатки, на которых заготовка постепенно подвергается деформированию показаны на рисунках 9,10,11. График усилия показан на рисунке 12.

Рисунок 9 - 1-й шаг деформирования заготовки

Рисунок 10 - 50-й шаг деформирования



Рисунок 11 - 66-й шаг деформирования заготовки

На рисунках 12,13,14 показаны картины распределения энергосиловых параметров деформирования заготовки.

Рисунок 12 - Распределение температуры на 50-м шаге деформации



Рисунок 13 - Распределение температуры на 70-м шаге деформации

Рисунок 14 - Критерий разрушения



Рисунок 12 - График усилия



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью данной курсовой работы являлось моделирование объемной задачи деформирования образца, в качестве которого был продукт, в конце прокатки должен был получить сечение квадратной формы, стороной 17 мм (hxb = 24 мм).

Мною были приведены сведения о математическом моделировании процессов ОМД, разобрана программа DEFORM, в программе КОМПАС была построена плоская модель требуемого процесса, после чего, получивший объемный вид. В программе DEFORM были перенесены все детали, которые были сохранены по отдельности. Были заданы необходимые параметры, как инструменту, так и заготовки: скорость валков и пуансона, температура и материал заготовки, шаги расчета, сетка детали и т.д.

А в конце были построены график усилия деформирования образца, а также показано изменение энергосиловых параметров.

Сведения о рассматриваемом стане были взяты из справочнике станов Антипина [4]



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Рыбин Ю.И. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. - СПб: СПбГПУ, 2004. - 642с.

2. Математическое моделирование процессов обработкаи давлением/Иванов К.М., Лясников А.В., Новиков Л.А и др. - СПб: Инвентекс, 1997 - 268 с.

3. Общее руководство по работе с инженерным программным комплексом DEFORM/Таупек И.М., Кабулова Е.Г., Положенцев К.А. и др. - Учебное пособие. - Старый Оскол, 2015. - 217с.

4. Прокатные станы/Антипин В.Г., Тимофеев С.В, Нестеров Д.К. и д.р. - Обжимные, заготовочные и сортовые станы. Справочник. В 3-х томах. 2-е изд., перераб. И доп. - М. Металлургия, 1992. - 429с.

Размещено на Allbest.ru