Файл: Краткое содержание 1 Введение. Основные определения и понятия.pdf

34
− интегрированные CAD/CAE-системы;
− универсальные CAE-системы;
− специализированные программы анализа.
Первая группа программ органически объединяет в себе процессы конструирования и анализа. К числу самых известных относятся CATIA (Dassault Systemes, Франция), NX
(Siemens PLM Software, Германия), Pro/Engineer (Parametric Technology Corporation, США).
Во вторую группу программ входят универсальные программы анализа. Лидирующие позиции в мире в области разработки таких программных продуктов занимают ANSYS
(ANSYS, Inc., США), Simulia Abaqus (Abaqus, Inc., США и Dassault Systemes, Франция), MD
Solutions (MSC Software Corporation, США).
В универсальных программах наиболее полно разработаны различные виды инженерного анализа: статический и динамический анализы, анализ устойчивости, нелинейный температурный анализ, структурная оптимизация, анализ упругих механизмов, расчет усталостных разрушений, анализ явлений вязкопластичности, анализ прочности при тепловом нагружении. Эти программы позволяют учитывать разнообразные конструктивные нелинейности и наличие больших деформаций.
Поскольку все современные универсальные САЕ-системы реализуют единообразный математический аппарат, то не имеет существенного значения, какой из перечисленных выше пакетов программ можно использовать, чтобы произвести набор типовых расчетов по
МКЭ, и главным критерием выбора конкретного программного обеспечения, чаще всего, представляется не вычислительная эффективность программ, а личные предпочтения, практический опыт и удобство работы пользователя.
Третью группу составляют многочисленные специализированные программы, разрабатываемые как зарубежными, так и российскими фирмами. Среди них можно отметить следующие пакеты:
DEFORM
(Scientific
Forming
Technologies
Corporation
(SFTC),
США) – специализированный инженерный программный комплекс, предназначенный для анализа процессов обработки металлов давлением, термической и механической обработки;
FlowVision – моделирование трехмерных течений жидкости и газа (инжиниринговая компании ТЕСИС, Россия);
AutoForm – проектирование штампов и моделирование листовой штамповки
(AutoForm, Щвейцария);
QForm – моделирование процессов штамповки, прокатки и прессования (ООО
«КванторФорм», Россия).
Вопросы для самоконтроля
1
Что такое МКЭ?
2
Каково место и роль МКЭ?
3
Что такое конечный элемент?
4
Какие бывают типы конечных элементов? Что означат порядок конечного элемента?
5
Что такое матрица жесткости?
6
Напишите матричное соотношение для узловых сил и перемещений.
7
Опишите алгоритм формирования и расчета конечно-элементной модели.
8
Какие особенности необходимо учитывать при создании трехмерной расчетной модели объекта?
9
Перечислите методы создания сеточной модели при моделировании НДС конструкций.
10 Назовите особенности построения динамической сетки для моделирования процессов ОМД.
11 Какие ошибки могут возникать на стадиях конечно-элементного анализа?

35 12 Как оценивается адекватность модели, созданной в системе инженерного анализа, реальному объекту?
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

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.