Моделирование. УММ_МодПиОвМ. Краткое содержание 1 Введение. Основные определения и понятия
 Скачать 1.79 Mb.
|
|
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 Практическая работа 3. Построение модели технологического процесса в модуле «Препроцессор» программного комплекса DEFORM-3D Цель работы: овладеть навыками численного моделирования технических объектов и технологических процессов. Задание. Построить модель 3D-процесса горячей ковки с использованием симметрии 1/4 части заготовки и инструмента. 1 операция – перенос заготовки от печи к штампу (10 с). 45 2 операция – заготовка находится на нижнем штампе перед операцией ковки (2 с). 3 операция – первый ковочный удар. Верхний штамп должен сжать заготовку на 20 мм. 4 операция – замена верхнего штампа и второй ковочный удар. Штамп должен сжать заготовку на 8 мм. 1 операция 2 операция 3 операция 4 операция Размеры заготовки и инструментов: Заготовка Нижний штамп 46 Верхний штамп 1 Верхний штамп 2 1 операция Температура нагрева заготовки t = 1090 °C; марка стали (Сталь 25). Геометрия – импорт формата .STL. Для определения сетки должен использоваться наименьший размер инструмента в любой операции, а минимальный размер элементов заготовки должен быть равен приблизительно половине этого размера. Тип сетки – Absolute (Абсолютная), Min Element Size (Минимальный размер элемента) 1 мм и Size Ratio (Коэффициент отношения) 3. Общее время переноса до штампа 10 секунд. Примем, что каждый шаг будет длиться 0,2 с. 2 операция Задержка заготовки на нижнем штампе. Температура нижнего штампа t = 150 °C; марка стали AISI-H-13machining. Геометрия – импорт формата .STL. Температура штампа будет изменяться в ходе расчета. Для этого следует создать КЭ модель штампа с настройками по умолчанию. Взаимодействие объектов: Heat Transfer Coefficient (Коэффициент теплопередачи) – Free resting 1. Граничные условия для штампа – указать грани, контактирующие с окружающей средой. Время задержки заготовки на штампе 2 с. Шаг – 0,2 с. 3 операция Первая ковочная операция – используется верхний штамп 1. Верхний штамп должен сжать заготовку на 20 мм. Ход штампа должен составлять примерно 1/3-1/2 от значения наименьшего размера элемента или примерно 0,5 мм. Шаги определяются как функция от перемещения. Скорость 50 мм/с. Температура нижнего штампа t = 150 °C; марка стали AISI-H-13machining. Геометрия – импорт формата .STL. Температура штампа будет изменяться в ходе расчета. Для этого следует создать КЭ модель штампа с настройками по умолчанию. 47 Взаимодействие объектов: Friction (Трение) – Shear (Сдвиговое) 0,3; Heat Transfer Coefficient (Коэффициент теплопередачи) –Forming 11. Задать перемещение верхнего штампа. Граничные условия для штампа – указать грани, контактирующие с окружающей средой. Для заготовки и двух штампов задать плоскости симметрии в граничных условиях. 4 операция Замена верхнего штампа и второй удар. Вторая ковочная операция – используется верхний штамп 2. Он должен сжать заготовку на 8 мм. Скорость 50 мм/с. Сначала следует удалить сетку у верхнего штампа 1, затем удалить его геометрию, импортировать новую геометрия и произвести настройку задачи. Практическая работа 4. Одномерная линейная регрессия и корреляция Цель работы: нахождение численных оценок коэффициентов линейного уравнения регрессии и вычисление коэффициента корреляции между переменными х и у = f (х). Задание. Необходимо оценить тесноту линейной корреляционной связи между содержанием никеля или фосфора (X) и твердостью чугуна или ударной вязкостью стали (Y); определить коэффициенты уравнения линейной регрессии, их погрешность и статистическую значимость; оценить качество аппроксимации экспериментальных данных полученным линейным уравнением регрессии по диаграмме рассеяния. Для выполнения работы следует использовать теоретический материал, изложенный в разделе 3 курса лекций. Вариант 1. Из легированного чугуна с шаровидным графитом отлита партия п = 20 валов с диаметром бочки 400–600 мм. В качестве основного легирующего элемента для регулирования твердости рабочего слоя валов применяли никель. Результаты измерения твердости рабочего слоя (в единицах Шора) на глубине 5 мм от литой поверхности и содержание никеля в чугуне этих валов следующие: Ni,% 3,68 3,7 3,44 3,52 2,95 3,94 4,22 3,0 3,32 3,36 HSh, ед. 76 77 75 73 74 77 80 71 72 74 Ni,% 2,95 3,6 3,56 3,94 3,9 3,18 2,95 4,64 3,12 3,34 HSh, ед. 71 80 73 82 77 74 68 83 76 78 Вариант 2. Исследуются статистические данные зависимости между содержанием в стали фосфора Р, %, и ее ударной вязкостью а н , Дж/см 2 . Эти данные для п = 15 представлены в таблице: P, % 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 0,022 0,024 0,026 0,019 0,021 0,023 0,025 0,021 а н , Дж/см 2 70 66,67 63,33 56,67 50 46,67 43,33 40 33,33 30 45,97 44,11 40,1 33,34 30,2 Вариант 3. Из легированного чугуна с шаровидным графитом отлита партия п = 14 валов с диаметром бочки 400 – 600 мм. В качестве основного легирующего элемента для регулирования твердости рабочего слоя валов применяли никель. Результаты измерения твердости рабочего слоя (в единицах Шора) на глубине 5 мм от литой поверхности и содержание никеля в чугуне этих валов следующие: 48 Ni,% 3,68 3,7 3,44 3,48 2,16 2,25 3,34 3,36 2,95 2,61 3,6 3,52 3,94 3,0 HSh, ед. 78 77 75 79 70 69 78 79 74 68 80 73 77 67 4. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 4.1 Тематика лабораторных работ № раздела (модуля) Тема лабораторной работы 4 Моделирование прокатки сляба в 1-ой вертикальной клети. 4 Моделирование прокатки во 2-ой клети черновой группы стана 2000 – двухвалковой горизонтальной клети. 4.2 Методические рекомендации для выполнения лабораторных работ Лабораторная работа 1. Моделирование прокатки сляба в 1-ой вертикальной клети. Цели работы: познакомиться с возможностями моделирования горячей прокатки в DEFORM-3D и исследовать влияние коэффициента трения на пластическое формоизменение металла в вертикальной клети, научиться применять численные методы моделирования технологических процессов. Исходные данные: марка стали; размер и температура нагрева сляба; температура окружающей среды; коэффициент теплоотдачи, размеры и температура валка вертикальной клети, величина обжатия в вертикальной клети; скорость прокатки, коэффициенты трения и теплообмена между валком и слябом. Описание работы 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 1. 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. 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 49 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. 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. 1), 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. 1. 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 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; 50 – 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. 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. Порядок выполнения работы 1 Получить вариант задания от преподавателя, включающий размеры и температуру валка вертикальной клети, величину обжатия в вертикальной клети; скорость прокатки, коэффициенты трения и теплообмена между валком и слябом; диапазон изменения коэффициента трения. 2 Вести исходные данные в препроцессор. Сохранить базу исходных данных. 3 Запустить решатель. Сохранить базу данных решения. 4 Запустить постпроцессор и оценить форму сляба после прокатки в вертикальных валках. Определить усилие, действующее на валки в процессе прокатки. 51 5 Открыть базу исходных данных в препроцессоре. Изменить коэффициент трения в соответствии с заданием. Сохранить базу исходных данных под другим именем. Повторить выполнение п. 4 и п.5 порядка работы. Содержание отчета 1 Цель работы. 2 Исходные данные. 3 Формы разрезов сляба до и после прокатки в вертикальной клети, построенные по координатам точек, полученным до и после моделирования, с разными значениями коэффициента трения. 4 Графики изменения усилия прокатки в функции времени процесса. 5 Выводы по работе. Контрольные вопросы 1 Перечислите исходные данные, необходимые для создания модели вертикальной горячей прокатки в DEFORM-3D. 2 Какие особенности необходимо учитывать при создании трехмерной расчетной модели процесса? 3 Как определяется взаимодействие между объектами при моделировании процесса методом конечных элементов? 4 Как влияет коэффициент трения на форму сляба после вертикальной прокатки? 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 2 Моделирование и оптимизация технологических процессов: лабораторный практикум: учебно-методическое пособие по направлению: 150400.68 Металлургия / сост. Н.Л. Болобанова. - Череповец: ФГБОУ ВПО ЧГУ, 2011. - 31 с. – URL: https://edu.chsu.ru/portal/site/71012c90-151b-478d-aee8-c9ab0b0c5bea/page/3ddbfedf-a2d3-49d9- a9d5-4f15d621a7e8 Лабораторная работа 2. Моделирование прокатки во 2-ой клети черновой группы стана 2000 – двухвалковой горизонтальной клети. Цели работы: познакомиться с возможностями моделирования горячей прокатки в горизонтальной клети в DEFORM-3D и исследовать пластическое формоизменение металла в клети, научиться применять численные методы моделирования технологических процессов. Исходные данные: база данных моделирования, созданная в работе 1, размеры и температура валков горизонтальной клети, величина обжатия в клети; скорость прокатки, коэффициенты трения и теплообмена между валком и раскатом. Описание работы В работе моделируются прокатка в двухвалковой клети. Этапы моделирования аналогичны этапам моделирования работы 1. Расчетная схема прокатки в горизонтальной клети представлена на рис. 1. 52 Рис.1. Трехмерная расчетная модель прокатки сляба в клети «дуо»: размер сляба 660х250х1100 мм; валка – диаметр 1400 мм, высота 1000 мм; толкателя – 660х250х100 мм; обжатие ∆h= 60 мм Порядок выполнения работы 1 Получить вариант задания от преподавателя, включающий размеры и температуру валка горизонтальной клети, величину обжатия в клети; скорость прокатки, коэффициенты трения и теплообмена между валком и слябом; диапазон изменения коэффициента трения. 2 Открыть базу данных моделирования, созданную в работе 1. 3 Вести исходные данные для моделирования прокатки в клети «дуо» в препроцессор. Сохранить базу исходных данных. 4 Запустить решатель. Сохранить базу данных решения. 5 Запустить постпроцессор и оценить форму сляба после прокатки в горизонтальных валках. Определить усилие, действующее на валки в процессе прокатки. |