9 - 2001

Разработка и применение программы моделирования трехмерной объемной штамповки QForm 2D/3D

Николай Биба

Новый подход к трехмерному моделированию штамповки

Применение и практические результаты

Эффективность применения моделирования штамповки основывается на возможности практического решения широкого круга технических проблем, встречающихся при разработке и оптимизации технологии и инструмента. К таким проблемам относятся оптимизация течения металла, экономия металла и энергии, повышение стойкости инструмента. Крайне важно также точное предсказание штамповочных дефектов и определение путей их исправления.

В последние десять лет программы моделирования демонстрируют качественный прогресс в своем развитии. К настоящему времени точность результатов, получаемых конечно-элементным моделированием двухмерного течения металла в процессах холодной и горячей объемной штамповки, достигла уровня, приемлемого для промышленного использования этих данных, и конечно-элементные программы перешли в разряд повседневных инструментов для развития технологии.

В то же время моделирование трехмерной деформации остается достаточно сложной и до конца не решенной задачей. Количество представленных на рынке трехмерных программ моделирования штамповки невелико, и все они обладают существенными ограничениями. С одной стороны, расчет требует длительного времени, с другой — достижение приемлемой с точки зрения производства точности требует от пользователя высокой квалификации и работа по подготовке и проведению расчета в существующих программах остается крайне трудоемкой.

Новый подход к трехмерному моделированию штамповки

В этом году российская компания «Квантор-Софт» выпустила новую версию программы моделирования штамповки QForm, которая давно и широко используется на промышленных предприятиях в России и за рубежом (см. «Моделирование холодной и горячей объемной штамповки в QForm», «САПР и графика» № 8’2000). Новая версия QForm 3.0 получила еще одно название — QForm 2D/3D, поскольку принципиально отличается от предшествующих версий возможностью моделирования трехмерного течения металла.

При разработке программы важно было сохранить основные достоинства QForm. Это прежде всего простота использования, возможность подготовки всех данных для расчета в течение нескольких минут, проведение расчета от начала до конца в полностью автоматическом режиме без вмешательства пользователя и получение гарантированно точного результата даже при отсутствии у пользователя специальных знаний в области теории конечно-элементного моделирования.

Для достижения этой цели было разработано и применено несколько совершенно новых решений и подходов к разработке общей структуры программы и алгоритмов. Основные из них рассмотрены ниже.

QForm 2D/3D объединяет двухмерное и трехмерное моделирование в одной программе. С точки зрения пользователя это огромное преимущество. Программа полностью унаследовала широчайшую функциональность, простой и привычный интерфейс своей двухмерной предшественницы. Для перехода к трехмерному моделированию необходимо лишь выбрать в качестве исходной геометрической информации не двухмерные контуры поперечных сечений, а твердотельные модели штампов и заготовки. Все остальные данные задаются так же, как и для двухмерного расчета с использованием удобного и наглядного мастера подготовки данных (Data Preparation Wizard), сводящего к минимуму возможность случайных ошибок.

Интеграция двухмерного и трехмерного моделирования в одной программе дает уникальную возможность эффективно моделировать технологические цепочки, состоящие из нескольких штамповочных переходов, первые из которых обладают осевой симметрией и могут быть быстро решены в двухмерной постановке (например, осадка и предварительные переходы), а последующие требуют полномасштабного трехмерного моделирования. Объектно-ориентированная структура программы создает весьма комфортную и полностью интегрированную пользовательскую среду. Подготовка данных происходит параллельно с их отображением для визуального контроля, а расчет сопровождается одновременным графическим выводом результатов (рис. 1). Таким образом, программа является эффективным инструментом для компьютерных экспериментов с технологическим процессом — значительно более быстрых и дешевых, чем натурные эксперименты.

Эффективный импорт геометрической информации обеспечен прямым интерфейсом с наиболее распространенными системами твердотельного моделирования, что исключает потерю точности и значительно ускоряет работу. В настоящее время QForm 2D/3D имеет прямой интерфейс с Pro/ENGINEER (PTC), SolidWorks, T-FLEX CAD («Топ Системы»), Solid Edge (Unigraphics Solutions) и Mechanical Desktop (Autodesk). Список CAD-систем, для которых доступна прямая передача данных в QForm, постоянно расширяется. Кроме того, QForm 2D/3D поддерживает импорт IGES- и STL-файлов, хотя в последнем случае качество решения снижается из-за потери точности передачи геометрической информации.

Использование в качестве исходных данных полной и точной геометрии штампов и заготовки, а также опыт применения нелинейной аппроксимации при решении двухмерных задач позволили впервые среди коммерческих программ применить в QForm 2D/3D квадратичную аппроксимацию для решения трехмерных задач. Это дало возможность существенно повысить точность решения, снизить потерю объема заготовки при расчете и добиться высокой надежности решения и достоверности предсказания дефектов штамповки. Описание поверхностей нелинейной конечно-элементной моделью позволяет производить перестройку сетки так часто, как это необходимо, без «подрезания» поверхности в местах высокой кривизны, что характерно для линейных элементов.

Программа автоматически строит конечно-элементную сетку на поверхности и в объеме штампов и заготовки, а также перестраивает ее в процессе решения по мере необходимости. Поскольку в основе лежит нелинейная аппроксимация, это позволяет применять наиболее сложные и эффективные полностью автоматические адаптивные алгоритмы построения сеток. Сетка сгущается в местах наибольшей кривизны поверхности и высоких градиентов решения и максимально разрежена там, где течение металла неинтенсивно (жесткие зоны), в целях экономии вычислительных ресурсов (рис. 2). В конечном итоге автоматически построенная сетка гарантирует высокое качество решения независимо от квалификации пользователя.

В начало В начало

Применение и практические результаты

В качестве примера компьютерной разработки технологии с трехмерным течением металла на рис. 3 приведены результаты моделирования штамповки шатуна на механическом прессе из заготовки, предварительно сформованной в вальцах. После предварительного анализа распределения объема металла вдоль оси поковки формируется профиль круглой заготовки для формовки в вальцах. Однако насколько эта форма эффективна с точки зрения гарантированного заполнения гравюры штампа и минимального отхода металла в облой, можно установить лишь путем дорогостоящих натурных экспериментов или компьютерного моделирования при помощи QForm 2D/3D. В случае трехмерного течения металла моделирование значительно облегчает подбор оптимальной формы заготовки. При этом программа производит расчет напряженно-деформированного состояния штампов, что позволяет оценить их стойкость и путем соответствующей модификации технологии и конструкции штампов значительно повысить срок их службы.

QForm 2D/3D уже прошла тестирование и поставляется пользователям. Подробнее о программе можно узнать в офисе «Квантор-Софт» или на его стенде на выставке «CAD-экспо» в рамках SofTool’2001.

«САПР и графика» 9'2001