7 - 2000

Программа MSC.SuperForge как один из элементов системы виртуального производства и управления качеством изделий

Андрей Солдаткин, Юрий Голенков, Виталий Кононов, Игорь Караулов

Новая компьютерная технология для получения изделий ковкой и штамповкой

Отличительные особенности системы MSC.SuperForge

Функции и возможности MSC.SuperForge

Примеры применения MSC.SuperForge в промышленности

    Моделирование процесса изготовления атунов в автомобильной промышленности методом горячей объемной штамповки

    Изготовление шатунов по одному

    Моделирование изготовления двух шатунов

    Изготовление коленчатого вала автомобиля Nissan

В статье об AutoPOL фирмы FCC Software мы уже писали о возможностях программы для получения изделий с использованием процесса обработки металлов давлением. Мы подробно говорили о программе для получения изделий из листового металла, работающей в среде AutoCAD и Mechanical Desktop фирмы Autodesk, Inc. В настоящей статье мы хотим рассказать о другом виде обработки металлов давлением, об объемной штамповке и соответственно о другой программе, которая позволяет моделировать этот процесс, управлять качеством кованых изделий и получать детали заданного свойства. Как и программа AutoPOL фирмы FCC Software, программа MSC.SuperForge является одной из составных частей процесса виртуального производства изделий, машин и механизмов. Идея организации виртуального производства в настоящее время является самой революционной в области САПР. Система виртуального производства изделий позволяет при наличии трехмерной модели изделия, а также данных о будущих эксплуатационных качествах этого изделия, основываясь на имеющихся технологических возможностях предприятия и его субподрядчиков, подобрать оптимальные способы получения всех деталей, входящих в данное изделие, смоделировать технологический процесс получения всех этих деталей, определив при этом оптимальные технические режимы для получения деталей заданного качества. Все это делается виртуально для того, чтобы с минимальными затратами и в сравнительно короткие сроки получить изделие с заданными свойствами. При этом значительно сокращаются затраты на производство опытных образцов изделия, на натурные испытания изделия, доводку инструмента и других технологических приспособлений, на анализ и определение оптимальных технологических режимов и многое другое. Самое главное, что виртуальное производство экономит массу средств производителя и разработчика в связи с тем, что весь процесс отработки технологии изготовления годного изделия с заданными свойствами производится на компьютере с помощью специального инструментария. Одним из инструментов для организации виртуального производства кованых изделий является программа MSC.SuperForge. В данной статье мы не ставили перед собой задачи рассмотреть все возможности программы в системе виртуального производства. Мы хотим показать вам возможности программы MSC.SuperForge на примере получения изделий объемной штамповкой.

В начало В начало

Новая компьютерная технология для получения изделий ковкой и штамповкой

В настоящее время проектирование инструмента (пуансонов и матриц) и выбор режимов для выполнения операций ковки и штамповки все еще в большинстве случаев проводится методом проб и ошибок. С точки зрения получения изделия заданного качества такой метод зачастую не является ни оптимальным, ни экономичным. Однако в настоящее время существует и альтернативный метод моделирования процессов ковки и штамповки с целью получения изделий с заданными эксплуатационными характеристиками — это метод численного моделирования процессов обработки металлов давлением, позволяющий рассмотреть весь процесс обработки заготовки от начала и до принятия окончательного решения по технологической оснастке и организации самого процесса получения изделия. Использование этого метода дает производителям значительные преимущества в плане экономии времени и затрат.

MSC.SuperForge представляет собой новую современную компьютерную систему для моделирования процессов получения изделий ковкой или штамповкой, которая уже нашла успешное применение во многих областях промышленного производства. Этот программный продукт может быть эффективно использован для оценки влияния выбора инструмента и режима обработки заготовки на типичные характеристики процесса, такие как пластические деформации материала, окончательная геометрическая форма изделия и его свойства. Эффективность трехмерного моделирования процессов ковки и штамповки подтверждает опыт нескольких ведущих промышленных компаний Японии, включая Sumitomo Heavy Industries, Toyota Motor Co и DENSO.

В начало В начало

Отличительные особенности системы MSC.SuperForge

По своей физической природе объемная штамповка — это высоконелинейный переходный динамический процесс. Как правило, этот процесс характеризуется большой объемной деформацией материала и постоянно изменяющимися граничными условиями. В большинстве случаев исходная форма заготовки сравнительно проста, но конечный продукт представляет собой сложное геометрическое тело, которое можно получить лишь с помощью нескольких стадий обработки с использованием нескольких инструментов. Именно по этим причинам при разработке MSC.SuperForge за основу был взят эйлеров подход, а не традиционная конечноэлементная технология. В отличие от обычной конечноэлементной сетки, которая изменяется в соответствии с деформациями материала, сетка в MSC.SuperForge представляет собой неподвижную систему отсчета, и материал просто «протекает» сквозь ячейки сетки Эйлера. Благодаря такой особенности программа MSC.SuperForge в наибольшей степени приспособлена для моделирования больших деформаций материала, возникающих в процессе объемной штамповки, и полностью исключает необходимость применения различных способов регенерации сетки, которые считаются основным «узким местом» в системах трехмерного моделирования процесса объемной штамповки, основанных на традиционном методе конечных элементов.

В процессе объемной штамповки решающее значение всегда имеет форма обрабатываемой детали. Для точного отслеживания поверхности обрабатываемой детали в ходе всего процесса моделирования в MSC.SuperForge применяется концепция фасеточной (многогранной) поверхности (facet surface). При этом материал, текущий сквозь сетку Эйлера, автоматически ограничивается геометрической поверхностью, состоящей из треугольных граней. Эти грани представляют собой не конечные элементы, а геометрические объекты, которые в совокупности обеспечивают удобный механизм отслеживания формы поверхности моделируемой детали. Движение этой фасеточной поверхности ограничивается свойствами заключенного в ней материала. Тем самым обеспечивается возможность точного приложения граничных условий как при воздействии инструмента, так и в случае свободной поверхности самой детали.

Система MSC.SuperForge имеет также возможность автоматического повышения точности представления фасеточной поверхности в процессе моделирования с помощью нового алгоритма, который называется Resolution Enhancement Technology (RET). Применение этого алгоритма очень важно, поскольку в большинстве случаев постоянное повышение точности отображения многогранной поверхности необходимо для того, чтобы адекватно отслеживать изменяющуюся в сторону усложнения геометрию детали. Другими словами, алгоритм RET позволяет использовать сравнительно грубую первоначальную фасеточную поверхность для представления простой геометрии заготовки, а затем, на протяжении всего процесса моделирования, улучшать это представление таким образом, чтобы в процессе деформации обрабатываемой детали всегда адекватно отображались все особенности ее усложняющейся геометрии.

Алгоритм RET имеет принципиальное отличие от алгоритмов регенерации сетки, которые используются в конечноэлементных системах моделирования процессов объемной штамповки: его применение не сопряжено ни с численными проблемами, ни с появлением нестабильностей в процессе решения. Кроме того, в этом случае отсутствуют ограничения степени повышения точности отображения поверхности, поскольку грани представляют собой не конечные элементы, а геометрические объекты. Таким образом, MSC.SuperForge полностью снимает типичные проблемы, связанные с основанными на конечных элементах алгоритмами регенерации сетки — такими как деградация решения вследствие резких искажений элементов и чрезмерно большого временного интервала, необходимого центральному процессору для обработки данных.

Наконец, надежность и сравнительная эффективность MSC.SuperForge превращают этот продукт в идеальное инструментальное средство для трехмерного моделирования процесса объемной штамповки, в котором важную роль играет высокая точность моделирования течения материала и приемлемое время, необходимое центральному процессору для обработки данных и визуализации расчетов.

В начало В начало

Функции и возможности MSC.SuperForge

Применяемая в пакете MSC.SuperForge эйлерова технология (Eulerean technology) была недавно разработана в MSC в сотрудничестве с японскими специалистами — участниками проекта National Forging Project. И хотя она базируется на технологии Эйлера-Лагранжа, уже реализованной в MSC/DYTRAN (коммерческий пакет MSC, предназначенный для решения сложных проблем динамического взаимодействия конструкций и жидкости), следует отметить, что технология MSC.SuperForge была специально разработана для применения в отраслях промышленности, использующих технологические процессы ковки и штамповки.

MSC.SuperForge представляет собой самодостаточный продукт, имеющий свои собственные графические пре- и постпроцессорные функции для подготовки модели, а также для визуализации результатов моделирования. В MSC.SuperForge инструмент представляется жестким (недеформируемым). Как правило, генерируемая для него сетка состоит из треугольных граней, непосредственно импортируемых в MSC.SuperForge из CAD-систем (формат стереолитографии), в которых инструмент был спроектирован. Форма исходной заготовки описывается многогранной поверхностью. В зависимости от степени разрешения, необходимой для отслеживания течения материала в штампе и в зонах образования облоя, на протяжении всего процесса моделирования точность отображения многогранной поверхности автоматически повышается. Это достигается с помощью алгоритма RET без какого-либо вмешательства со стороны пользователя.

Взаимодействие между жестким инструментом (штампом) и деформируемым материалом заготовки моделируется с помощью контактных поверхностей, которые описывают контактные условия между поверхностями инструмента и поверхностью заготовки. В процессе моделирования контактные условия постоянно обновляются, отражая движение инструмента и деформацию материала, что позволяет моделировать скольжение между пуансоном, матрицей и материалом обрабатываемой заготовки. Контакт между инструментом и заготовкой обрабатываемой детали может быть смоделирован исходя из трех типов условий по трению: нулевое трение, трение по Кулону и трение с учетом пластических касательных напряжений.

Для моделирования пластичности материала заготовки предусмотрено несколько основных моделей, в числе которых упруго-пластическая модель Мизеса или Джонсона и Кука, а также модели для конкретных материалов, применяемые для операций как холодной, так и горячей объемной штамповки. Параметры деформационного упрочнения, входящие в модели, описывающие течение материала для процесса холодной объемной штамповки, зависят от температур и эффективных скоростей деформаций, а в случае горячей объемной штамповки — от температур и деформаций. Используемая технология конечных объемов позволила полностью автоматизировать процесс подготовки модели, избавив технолога от необходимости задавать расчетные сетки. Пользовательский интерфейс MSC.SuperForge версии 3.0 внешне смотрится как стандартный интерфейс любого Windows-приложения. Пользователь, манипулируя мышью, составляет дерево обработки, используя библиотеки, выбирает материал, указывает начальные характеристики и параметры процесса, а также задает тип необходимого оборудования. Программа самостоятельно генерирует данные для расчета, избавляя пользователя от рутинной работы по подготовке расчетной модели. У пользователя нет никаких проблем с построением заданий для многопереходных процессов, легко решаются вопросы позиционирования, которые выполняются автоматически, а также вопросы с получением 2D-моделей для отработки осесимметричных и двухмерных задач. Процесс подготовки одного расчетного варианта занимает у пользователя от 5 до 20 минут. После этого данные могут быть отправлены на расчет. Даже для самых сложных процессов сегодня можно получить результаты на персональном компьютере с самой доступной конфигурацией всего за одну ночь.

В начало В начало

Примеры применения MSC.SuperForge в промышленности

Моделирование процесса изготовления атунов в автомобильной промышленности методом горячей объемной штамповки

Как уже отмечалось выше, несмотря на то что программа MSC.SuperForge совсем недавно появилась на рынке САПР, она уже начала активно применяться в качестве составной части в моделях виртуального производства изделий крупнейших мировых компаний. Ниже приводится несколько примеров моделирования процесса объемной штамповки в рамках японского проекта National Forging Project, реализация которого координируется Министерством внешней торговли и промышленности Японии. Цель проекта — во-первых, оценить современное состояние трехмерного моделирования процессов ковки и штамповки и, во-вторых, разработать промышленное инструментальное средство для трехмерного моделирования этого процесса, которое позволяло бы прогнозировать конечную геометрическую конфигурацию (включая участки образования облоя) изделия, которую обрабатываемая заготовка получает после нескольких стадий воздействия на нее с помощью штампа. К участию в проекте были привлечены такие фирмы, как Sumitomo Heavy Industries (SHI), Hitachi Zosem Systems и MSC Software Corp. В рамках этого проекта и был создан пакет MSC.SuperForge. Эксперименты по оценке пакета проводились на кривошипном прессе фирмы SHI.

В обоих примерах процесс объемной штамповки шатуна автомобильного двигателя состоит из нескольких стадий. Соответствующие свойства материала, такие как эффективное пластическое напряжение, в процессе моделирования автоматически передаются из одной стадии в другую. Хотя оба примера представляют собой операции горячей объемной штамповки, моделирование проводится в изотермальных условиях. Поведение материала зависит от скорости деформации. Параметры движения задаются для верхнего штампа. Как правило, при горячей объемной штамповке смазка инструмента бывает недостаточной, поэтому при моделировании учитывалось трение прилипания.

В начало В начало

Изготовление шатунов по одному

В этом примере изготавливается один шатун. Процесс объемной штамповки состоит из предварительной и окончательной стадий. В начале предварительной стадии заготовка лежит на поверхности штампа, как показано на рис. 1.

Движение верхнего пуансона вниз заставляет материал растекаться по полостям штампа; при этом, как показано на рис. 2 и 3, постепенно формируются детали поверхности шатуна. В момент, когда верхний пуансон проходит порядка 90% своего хода (см. рис. 2), излишки материала выдавливаются наружу через каналы выпрессовки. До того момента, пока малые полости штампа более сложной конфигурации заполнены менее чем наполовину, усилия сравнительно низки. Но по мере сближения матрицы и пуансона слой выпрессовки становится тоньше, растекание материала за пределы формы в заусенечные канавки замедляется, что позволяет завершить полное заполнение полостей штампа (см. рис. 3). В точке полного заполнения полостей формы усилие резко возрастает.

Моделирование начинается с создания многогранной поверхности заготовки, которая сначала является грубой, но затем на протяжении всего процесса моделирования автоматически уточняется с использованием алгоритма RET. На момент завершения предварительной стадии число граней поверхности увеличивается в три раза с тем, чтобы точно соответствовать необходимому геометрическому разрешению. Моделирование предварительной стадии заняло 11 часов процессорного времени на рабочей станции.

Окончательную форму шатун приобретает после завершающей стадии обработки. В отличие от предварительной стадии, завершающая стадия позволяет получить все геометрические детали, которые должен иметь шатун в своей окончательной форме.

Хотя моделирование показывает почти полное заполнение полости штампа, некоторые незначительные детали на модели остаются незаполненными в отличие от шатуна, полученного в ходе эксперимента. Участки выпрессовки на модели вполне соответствуют таким участкам экспериментального изделия, если не считать характерных для этих участков модели острых углов. Дело в том, что на практике в участках выпрессовки проявляется эффект термического упрочнения, однако при моделировании это явление не учитывалось, так как моделирование проводилось в изотермальных условиях.

В начало В начало

Моделирование изготовления двух шатунов

В этом примере из одной заготовки получается сразу два шатуна. Процесс ковки состоит из стадии формирования заготовки, предварительной и завершающей стадий. Сначала круглую болванку заготовки осаживают в ходе операции формирования заготовки. Она становится шире, приобретая таким образом форму, необходимую для последующего использования (рис. 4).

В отличие от предварительной и окончательной стадий, стадия формирования заготовки не требует высокого разрешения при отображении течения материала, поскольку при завершении этой стадии материал все еще имеет довольно простую форму. Поэтому на этой стадии алгоритм RET не применяется. В начале предварительной стадии многогранная поверхность отображается сравнительно грубо (как и многогранная поверхность, использованная для отображения круглой болванки на стадии формирования заготовки). Однако на протяжении всей предварительной стадии отображение этой поверхности автоматически улучшается с помощью алгоритма RET, так что в конце этой стадии число граней этой многогранной поверхности увеличивается пятикратно, что дает точное соответствие необходимому геометрическому разрешению. На рабочей станции моделирование такой стадии заняло 12 часов процессорного времени. На рис. 5 показано промежуточное и финальное состояние заготовки на предварительной стадии. Часть материала заготовки выдавливается в область заусенечных канавок, и уже заметны очертания шатунов.

На рис. 6 представлена окончательная форма шатунов после завершения последней стадии обработки. Здесь явно различимы детали геометрии, а также острые углы головок шатунов. Для отслеживания этих деталей геометрии отображение многогранной поверхности автоматически уточняется с помощью алгоритма RET, так что в ходе окончательной операции число граней увеличивается в четыре раза. Модель показывает, что все части штампа полностью заполнены. Окончательная высота обеих головок составляет около 40 мм, тогда как толщина зоны выпрессовки — около 33 мм.

В начало В начало

Изготовление коленчатого вала автомобиля Nissan

В этом примере показан процесс изготовления коленчатого вала для модели автомобиля компании Nissan Motor Company. Показана промежуточная стадия многостадийного процесса объемной штамповки. Коленчатый вал весом 32 кг получают из прямоугольной стальной заготовки 92×92×520 мм (рис. 7).

Хотя в примере представлена операция горячей объемной штамповки, моделирование проводится в изотермальных условиях. Поскольку модель симметрична, в ходе моделирования рассматривается лишь половина заготовки. При этом считается, что свойства материала зависят от скорости деформации. Реально процесс объемной штамповки проводился на кривошипном прессе, поэтому пуансону сообщается постоянная скорость. Течение металла в ходе всего процесса моделирования изготовления коленчатого вала показано на рис. 8. В конце этой стадии алгоритм RET автоматически улучшил отображение граней поверхности в три раза для того, чтобы обеспечить необходимый уровень геометрического разрешения и визуализации результатов. На рабочей станции моделирование этой стадии заняло 12 часов процессорного времени.

«САПР и графика» 7'2000