Моделирование технологических процессов в САЕ-пакете ANSYS 7
Обзор новых возможностей версии ANSYS
7
Компьютерная система инженерного анализа ANSYS позволяет проводить сложные междисциплинарные расчеты с учетом нелинейных и высокоскоростных процессов. Полный набор функций и алгоритмов системы позволяет пользователю преодолеть пределы оценочных конструкторских расчетов, предоставляя возможность, в частности, моделировать многие технологические процессы в машиностроении. В качестве примера можно привести моделирование процессов упругопластической деформации цилиндрических оболочек обкаткой.
В современной технике существует значительное количество технологических процессов, связанных с профилированием оболочек накаткой, например получение резьб на полых деталях, профилирование червяков червячных передач, получение сильфонов и профильно-витых труб теплотехнического назначения. Подобные технологии имеют как плюсы, обусловленные возможностью быстрой перенастройки с одного профилеразмера на другой, так и минусы, связанные с недостаточной предсказуемостью процесса (например, с потерей профилем устойчивости) и малой стойкостью профилирующего инструмента, что особенно важно в случае толстостенных трубчатых деталей.
Большинство современных теорий пластической деформации основано на анализе
упрощенных двумерных моделей процесса пластического деформирования металла.
Существующие аналитические методы решения плоских задач позволяют определять
локальные характеристики напряженно-деформированного состояния в любой точке
очага деформации. Однако практические возможности этих методов лимитированы
ограничениями принятых гипотез и допущений. Так, при попытке решения объемной
задачи деформирования, как правило, удается вычислить только интегральные параметры
напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации (силы, моменты
профилирования, вытяжки, уширения), при этом невозможно точно определить геометрию
готовой поверхности, распределение напряжений внутри заготовки и на ее поверхности,
фактические размеры очага деформации. Решение ряда практических вопросов по
технологии профилирования требует более полной и достоверной информации о неоднородности
напряженно-деформированного состояния металла по сравнению с той, которую дает
аналитический расчет двумерных моделей. 
Система ANSYS позволяет решать нелинейную задачу профилирования оболочек дискретно, методом конечных элементов на основе трехмерной, объемной модели, адекватно отражающей нагрузки, действующие на трубную заготовку, а также взаимодействие инструмента и заготовки в процессе деформации.
Интерес представляет задача о профилировании трубных заготовок из различных материалов (сталь 20, сталь 12Х18Н10Т, латунь Л68 и титановый сплав ВТ 1-0) тремя планетарно движущимися роликами, имеющими регулируемое угловое положение для получения требуемого угла подъема винтовой линии. Решение задачи было разбито на три этапа, два из которых отражают ход процесса деформации, а именно: начальное вдавливание ролика в заготовку и собственно профилирование на участке трубной заготовки. На третьем этапе была создана контактная модель для получения картины распределения контактных давлений по поверхности контакта ролика и трубы. Для деформируемых материалов выбрано упруго-пластическое поведение, учитывающее упругую отдачу трубы при профилировании, и заданы мультилинейные изотропные кривые упрочнения в виде табличных функций. Предполагалось, что ролик не деформируется, что близко к действительности, поскольку обычно ролики изготавливаются из закаленной стали ШХ15 или иного твердого сплава и действительно при технологических нагрузках не деформируются.
Результатами решения задачи на первом и втором этапах являются величины гидростатического давления, интенсивности напряжений (см. рисунок) и пластических деформаций, а также трех главных напряжений в наиболее опасной точке возможного разрушения, находящейся на внутренней поверхности трубного профиля под роликом. Найденные величины позволяют в последующих расчетах определить степень использования ресурса пластичности материала трубы с целью выявления трещин в зоне деформации. Анализ расчетных результатов на третьем этапе показывает, что использование роликов с торообразной (закругленной) катающей поверхностью позволяет уменьшить контактные давления при той же глубине вдавливания и тем самым повысить стойкость инструмента.
Кроме того, были рассчитаны зависимости ресурса пластичности материала в характерных точках очага деформации от глубины вдавливания, диаметра профилирующего ролика и материала профилируемой детали. Компьютерные расчеты сопоставлены с экспериментальными данными — их расхождение составляет не более 5%, что подтверждает надежность разработанных алгоритмов и моделей.
Расчетные возможности САЕ-системы ANSYS могут быть использованы для совершенствования существующих технологий и установок, а также для разработки новых технологий и выбора оптимального инструмента.
