Моделирование. УММ_МодПиОвМ. Краткое содержание 1 Введение. Основные определения и понятия
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
Раздел 5. Моделирование процессов обработки металлов давлением DEFORM – специализированный инженерный программный комплекс, предназначенный для анализа процессов обработки металлов давлением, термической и механической обработки. DEFORM позволяет моделировать практически все процессы, применяемые в обработке металлов давлением (ковка, штамповка, прокатка, волочение, прессование и др.), а также операции термической обработки (закалка, старение, отпуск и др.) и механообработки (фрезерование, сверление и др.). 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 процессов термической обработки ; − DEFORM-Tools – модуль, предназначенный для создания анимаций и презентаций. Дополнительные модули DEFORM: − Ring Rolling 3D – модуль для моделирования процессов раскатки колец; − Cogging 3D – моделирование процессов протяжки на молоте; − Shape Rolling 3D – моделирование процессов прокатки; − Inverse Нeat – определение коэффициента теплопередачи на границе заготовки; − Simulation Queue – модуль, позволяющий реализовать пакетный режим обработки нескольких заданий; − Microstructure – моделирование трехмерных процессов термической обработки; − Machining– моделирование процессов механообработки. Этапы моделирования теплового процесса. 1 С о з д а н и е н о в о й з а д а ч и . После запуска программы открывается главное окно DEFORM-3D (рис. 1). Нажмите кнопку New Problem (Новая задача) для создания новой задачи. Примените установки по умолчанию (путь сохранения C:\DEFORM-3D\PROBLEM), нажав кнопку Next (Далее). В поле Problem Name (Название Задачи), введите имя, например Transfer from Furnace (Перенос от печи), и нажмите кнопку Finish. Будет запущен препроцессор DEFORM-3D. 36 Рис. 1. Главное окно DEFORM-3D 2 В в о д и с х о д н ы х д а н н ы х в п р е п р о ц е с с о р . Окно препроцессора показано на рис. 2. Рис. 2. Окно препроцессора DEFORM-3D Установка параметров расчета. Нажмите кнопку Simulation Controls (Настройки задачи) для открытия одноименного окна. Убедитесь, что Units (Единицы) установлены как SI (СИ) и активирована опция Heat Transfer (Теплопередача). В работе анализируется передача тепла, поэтому шаги будут определяться как функция от времени. Например, время движения сляба от печи №1 до вертикального окалиноломателя 16 с. Примем, что каждый шаг будет длиться 0,5 с, тогда общее число шагов будет равно 32. Нажмите кнопку Step (Шаг) для просмотра управления шагами. Установите Number of Simulation Steps (Число шагов расчета) 32; Step Increment to Save (Через сколько шагов сохранять)2. Измените 37 Solution Step Definition (Задание шагов решения) на With Time Increment (С постоянным временным шагом) 0,5 с. Далее нажмите кнопку OK. Определение свойств объекта исследования. В препроцессоре после запуска в дереве объектов есть объект с именем Workpeace (Заготовка). Нажмите кнопку General (Общие свойства) и задайте Object Type (Тип объекта) – Plastic (Пластичный), температуру заготовки – кнопка Assign temperature, материал заготовки – кнопка Load material from library. Нажмите кнопку Geometry (Геометрия) и затем кнопку Geo Primitive (Геометрия объекта). В открывшемся окне задайте размеры заготовки, например для сляба сечением 1320х250 мм: тип объекта Box (Ящик), ширина (Width) 660 мм (при моделировании будет использована плоскость симметрии, соответствующая ½ сляба в продольном направлении), высота (Height) 250 мм; длина (Length) 1100 мм. Использование симметрии и уменьшение длины сляба экономит время расчета и увеличивает точность решения. Создайте сеточную модель сляба – кнопка Mesh (Сетка). В DEFORM существует два способа определения сетки: – относительная сетка (Relative mesh) – пользователь определяет количество создаваемых твердотельных элементов. Независимо от того какие изменения происходят с заготовкой, число элементов останется постоянным; – абсолютная сетка (Absolute mesh) –пользователь определяет минимальный размер элемента сетки, а система определяет требуемое количество элементов. В процессе моделирования с изменением формы заготовки увеличивается количество элементов для лучшего описания ее поверхности. Этот способ позволяет получить более точный результат моделирования, так как заданное разрешение сетки постоянно в ходе расчета. С другой стороны он требует больших затрат машинного времени при моделировании. Выберите тип сетки – Relative mesh и задайте число элементов 50000. Определение граничных условий теплопередачи. Нажмите кнопку Bndry. Cnd. (Граничные условия), выберите условие Heat Exchange with Environment (Теплообмен cо cредой) и укажите грани сляба, находящиеся в контакте с окружающей средой. Заготовка моделируется 1/2 частью, и одна плоскость – плоскость симметрии не находится в контакте с окружающей средой. Кнопка Environment используется для задания температуры окружающей среды и коэффициента теплоотдачи. Сохранение задачи. Выберете File (Файл) Save (Сохранить). Данные задачи будут сохранены в файл .KEY. Далее, нажмите кнопку Database Generation (Генерация базы данных). В открывшемся одноименном окне запустите кнопку Check (Проверить) для того, чтобы убедиться в правильности ввода данных в задачу. Далее нажмите кнопку Generate для создания базы данных задачи. Закройте препроцессор. 2 З а п у с к р а с ч е т а . Запустите расчет, нажав Run (Старт) в списке Simulator (Решатель) главного окна DEFORM-3D (рис. 1). Наблюдайте за ходом решения, например, просматривая решение по шагам в 3D, – пункт Simulation Graphics в списке Simulator (Решатель). 3 А н а л и з р е з у л ь т а т о в м о д е л и р о в а н и я в п о с т п р о ц е с с о р е . После окончания расчета, нажмите кнопку Post Processor главного окна DEFORM-3D (рис. 1). Будет запушен постпроцессор DEFORM-3D. Нажмите кнопку State Variable (Параметры) и выберите Температура (Temperature). Переходите по шагам расчета и наблюдайте, как меняется температура сляба. Исследуйте изменение температуры отдельных точек сляба, используя кнопку Point Tracking (Слежение за точкой), и постройте графики изменения температуры в зависимости от времени. Создайте разрезы сляба – кнопка Slicing (Разрез) и оцените температуру. Этапы моделирования процесса прокатки. 1 О т к р ы т и е б а з ы д а н н ы х . Запустите препроцессор, выбрав базу данных работы 1, и нажав DEFORM-3D Pre в списке Pre Processor главного окна DEFORM-3D 38 (рис. 1). В открывшемся окне Select Database Step выберите последний шаг моделирования теплообмена. 2 В в о д и с х о д н ы х д а н н ы х . Установка параметров расчета. Нажмите кнопку Simulation Controls (Настройки задачи) для открытия одноименного окна. Измените Operation Name (Название операции) на Hot Rolling 1 и Номер операции на 2. Включите опции Deformation (Деформирование) и Heat Transfer (Теплопередача). Число шагов будет определяться как функция от времени, и будет зависеть от длины прокатываемой части сляба и скорости прокатки. Определение свойств объекта исследования. Свойства сляба были заданы в работе 1. В этой работе добавляется деформирование сляба, поэтому задайте плоскость симметрии сляба, нажав кнопку Bndry. Cnd. (Граничные условия), выбрав условие Symmetry plane (Плоскость симметрии) и укажите требуемую грань сляба. Нажмите кнопку Properties (Свойства) сляба и установите активным Target Volume (Целевой Объем). Использование объема сетки в качестве целевого позволит сохранять постоянный объем обрабатываемой заготовки. Добавление инструментов и определение их свойств. Внизу дерева объектов(рис. 2), нажмите дважды кнопку Insert Object (Добавить объект). В дерево объектов будут добавлены два объекта – Top Die (Верхний инструмент) и Bottom Die (Нижний инструмент). В качестве верхнего инструмента будет вертикальный валок клети, нижнего – толкатель, обеспечивающий вход сляба в клеть с требуемой скоростью. Рис. 3. Трехмерная расчетная модель прокатки сляба в вертикальной клети: размер сляба 660х250х1100 мм; валка – диаметр 1200 мм, высота 650 мм; толкателя – 660х250х100 мм; обжатие ∆b = 30 мм В дереве объектов выберите инструмент Top Die (Верхний инструмент), нажмите кнопку General (Общие свойства) и задайте Object Type (Тип объекта) – Rigid (Жесткий), температуру – кнопка Assign temperature. Аналогично задайте тип объекта и температуру для Bottom Die (Нижний инструмент). Для определения геометрии вертикального валка нажмите кнопку Geometry (Геометрия) и затем кнопку Geo Primitive (Геометрия объекта). В открывшемся окне задайте тип объекта – Cylinder (Цилиндр), размеры валка – радиус (Radius) и высоту (Height). Аналогично создайте геометрию толкателя, тип и размеры задав самостоятельно, исходя из 39 размеров сляба. При необходимости использования сложной геометрии, воспользуйтесь возможностью импорта из систем 3D-моделирования (кнопка Import Geo) в форматах .stl или .igs. Позиционирование инструментов. Нажмите кнопку Object Positioning (Позиционирование объектов) для задания начального положения сляба валка. В открывшемся окне воспользуйтесь кнопками: – Offset (Смещение) – объекты могут быть перемещены в заданном направлении на заданное расстояние или перемещены путем задания начальной и конечной точками; – Interference (Вмешательство) – объекты перемещаются в заданных направлениях так, чтобы они гарантировано пересекались. На рис. 3 показано размещение объектов в начале моделирования: сляб располагается по середине бочки валка. Определение характера взаимодействия между объектами. Нажмите кнопку Inter- object (Взаимодействие объектов). Появится одноименное окно с двумя связями: Top Die – Workpeace и Bottom Die – Workpeace. Связи в DEFORM определяются в отношении «главный – подчиненный объект». В этом расчете, инструменты – главные объекты, а деформируемая заготовка – подчиненный объект. Для каждого отношения может быть определен ряд свойств (коэффициент трения и коэффициент теплопередачи). Выделите первое отношение и нажмите кнопку Edit (Изменить), укажите выберите тип трения Shear (Сдвиговое) и введите значение (для горячей прокатки без смазки DEFORM рекомендует значение коэффициента трения, равное 0,7-0,9), в зоне Thermal (Температурные данные) задайте значение коэффициента теплообмена (Heat Transfer Coefficient), используя выпадающий список и выбирая Forming (Формовка). Для создания контактной поверхности между объектами воспользуйтесь кнопкой Tolerance (Погрешность) для определения подходящей погрешности и нажмите кнопку Generate (Сгенерировать) для создания контакта, при этом узлы деформируемого объекта с определенной погрешностью помещаются на поверхность инструмента. Задание движений инструментов. В дереве объектов выберите инструмент и нажмите кнопку Movement (Движение). Во вкладке Translation задается поступательное движение в мм/с вдоль направлений осей X, Y, Z, во вкладке Rotation – вращательное движение (рад/с) вокруг осей X, Y, Z. Зная скорость прокатки, определите вращательное движение вертикального валка и поступательное движение толкателя. Сохранение задачи. Выберете File (Файл) Save (Сохранить). Данные задачи будут сохранены в файл .KEY. Далее, нажмите кнопку Database Generation (Генерация базы данных). В открывшемся одноименном окне запустите кнопку Check (Проверить) для того, чтобы убедиться в правильности ввода данных в задачу. Далее нажмите кнопку Generate для создания базы данных задачи. Закройте препроцессор. 3 З а п у с к р а с ч е т а . Запустите расчет, нажав Run (Старт) в списке Simulator (Решатель) главного окна DEFORM-3D (рис. 1). Наблюдайте за ходом решения, например, просматривая решение по шагам в 3D, – пункт Simulation Graphics в списке Simulator (Решатель). 3 А н а л и з р е з у л ь т а т о в м о д е л и р о в а н и я в п о с т п р о ц е с с о р е . После окончания расчета, нажмите кнопку Post Processor главного окна DEFORM-3D (рис. 1). Будет запушен постпроцессор DEFORM-3D. Нажмите кнопку State Variable (Параметры), выбирайте различные параметры (температуру, напряжения, деформации), переходите по шагам расчета и наблюдайте, как они изменяются. Исследуйте изменение формы сляба после прокатки в вертикальных валках, задав точки на поверхности исходной модели в средней части сляба и определяя координаты X, Y, Z точек до и после моделирования. Используя кнопку Graph, определите усилие прокатки, действующее на инструмент, в функции времени процесса. 40 Вопросы для самоконтроля 1. Перечислите возможности программного комплекса DEFORM-3D. 2. Перечислите исходные данные, необходимые для создания модели теплового процесса в DEFORM-3D. 3. Как определяется шаг моделирования в DEFORM-3D? Опишите методику выбора шага моделирования. 4. Как определяются граничные условия в DEFORM-3D? 5. Перечислите исходные данные, необходимые для создания модели горячей прокатки в клети с использование DEFORM-3D. Литература 1 Болобанова Н.Л. Компьютерное моделирование процессов и оборудования металлургического производства: учебное пособие для вузов / Н. Л. Болобанова - Череповец: ФГБОУ ВПО ЧГУ, 2014. - 91 с. https://edu.chsu.ru/portal/site/74edcf4e-9ae2-41c9-8cb8- f4510def399f/page/6eaa4bda-e675-4c77-8c04-6bf15c220d42 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ 3.1 Тематика практических занятий 3.2 Методические указания к выполнению практических работ Практическая работа 1. Построение математического описания объекта исследования по заданию преподавателя Цель работы: приобрести навыки по построению математического описания объекта исследования. Задание 1. С использованием материала [1], а также дополнительной литературы по теории и технологии прокатного производства привести математическое описание следующих элементов расчета горячей и холодной прокатки широких полос: - Очаг деформации. - Сопротивление деформации. Оформление материала должно соответствовать требованиям к оформлению научно- исследовательских работ (ГОСТ 7.32-2017). Задание 2. С использованием материала [1], а также дополнительной литературы по теории и технологии прокатного производства привести математическое описание следующих элементов расчета горячей и холодной прокатки широких полос: 1 Трение в очаге деформации. 2 Температурные параметры процесса. Оформление материала должно соответствовать требованиям к оформлению научно- исследовательских работ (ГОСТ 7.32-2017). № раздела (модуля) Тема практического занятия 2 Построение математического описания объекта исследования по заданию преподавателя. 2 Компьютерное исследование модели. 4, 5 Построение модели технологического процесса в модуле «Препроцессор» программного комплекса DEFORM-3D. 3 Одномерная линейная регрессия и корреляция. 41 Задание 3. С использованием материала [1], а также дополнительной литературы по теории и технологии прокатного производства привести математическое описание расчета силовых и энергетических параметров горячей прокатки широких полос. Оформление материала должно соответствовать требованиям к оформлению научно- исследовательских работ (ГОСТ 7.32-2017). Задание 4. С использованием материала [1], а также дополнительной литературы по теории и технологии прокатного производства привести математическое описание расчета силовых и энергетических параметров холодной прокатки широких полос. Оформление материала должно соответствовать требованиям к оформлению научно- исследовательских работ (ГОСТ 7.32-2017). Литература 1 Гарбер, Э. Теория прокатки: учебник для студентов вузов / Э. Гарбер, И. Кожевникова. - Череповец: ЧГУ; Москва: Теплотехник, 2013. - 306 с.- [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=434761 2 Рудской, А.И. Теория и технология прокатного производства / А.И. Рудской, В.А. Лунев; Федеральное агентство по образованию, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - СПб.: Наука, 2008. - 527 с. : схем., ил., табл. - Библиогр. в кн. - ISBN 978-5-02-025302-5; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=363045 Практическая работа 2. Компьютерное исследование модели. Цель работы: овладеть навыками моделирования технических объектов и технологических процессов с целью их улучшения. На кафедре металлургии, машиностроения и металлургического оборудования Череповецкого государственного университета на основе математического описания процессов горячей и холодной прокатки, изложенного в работе [1], разработана программа «Supreme Technology». Она позволяет рассчитывать параметры процессов горячей и холодной прокатки и позволяет проектировать технологические режимы горячей и холодной прокатки. В ней реализована возможность адаптации коэффициентов кривых сопротивления деформации, а также плеча усилия прокатки реальным промышленным данным. На рис. 1 – 3 представлены вводимые пользователем параметры для расчета и исследования технологических режимов на примере холодной прокатки. Форма результатов расчета представлена на рис. 4. 42 Рис. 1. Ввод параметров прокатного стана и материала стали Рис. 2. Ввод технологических параметров 43 Рис. 3. Ввод фактических энергосиловых параметров Рис. 4. Форма программы при расчете режима холодной прокатки Задание 1. Исследовать соотношение кинематических зон в очаге деформации при холодной прокатке высокопрочной марки стали Страп960 (табл. 1) и разных значениях переднего и заднего натяжений полосы путем отслеживания положения нейтрального сечения. Задание 2. Исследовать влияние температуры начала и конца прокатки на силовые и энергетические параметры режима прокатки высокопрочной марки стали Страп960 (табл. 2). 44 Таблица 1 Режим прокатки полосы 0,98х1184 мм из марки стали Страп960 (удельное натяжение перед станом σ 0 = 48 МПа) № клети Скорость прокатки υ i ,м/с Толщина полосы на входе в клеть h i-1 , мм Толщина полосы на выходе из клети h i , мм Переднее удельное натяжение полосы σ i , МПа Относительное обжатие в клети ε i , % Усилие прокатки P i , МН Мощность двигателей N двi , МВт 1 4,06 2,98 2,23 155 22,3 15,5 1,12 2 5,52 2,23 1,17 171 23,8 14,5 3,23 3 7,2 1,17 1,31 176 22,9 14,43 2,87 4 9,59 1,31 1 186 23,7 13,68 2,73 5 9,99 1 0,98 42 2 13,64 1,89 Таблица 2 Режим прокатки полосы 2,92х1195 мм из марки стали Страп960 при температуре подката t 0 = 980°C и температуре конца прокатки t k = 860°C № клети Скорость прокатки υ i ,м/с Толщина полосы на входе в клеть h i-1 , мм Толщина полосы на выходе из клети h i , мм Переднее удельное натяжение полосы σ i , МПа Относительное обжатие в клети ε i , % Усилие прокатки P i , МН Мощность двигателей N двi , МВт 6 1,63 33,5 17,21 8 48,63 26,54 7,05 7 2,65 17,21 10,6 15 38,41 23,23 6,67 8 4,03 10,6 6,94 30 34,53 21,58 7,33 9 5,72 6,94 5,05 35 27,23 18,56 7,1 10 7,57 5,05 3,89 40 22,97 17,8 7,52 11 9,26 3,89 3,2 50 17,53 16,47 6,63 12 10,39 3,2 2,92 0 8,75 10,5 5,15 |