МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТА ОПЕРАЦИИ ГЛУБОКОЙ ШТАМПОВКИ В ANSYS

​METHOD OF CALCULATION OF DEEP FORMING OPERATION IN ANSYS

Anastasia Kondrashova

Master student, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of the Nizhny Novgorod State Technical University. R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

Oksana Melnikova

scientific adviser, Candidate of Economic Sciences, Associate Professor, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of the Nizhny Novgorod State Technical University. R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается методика проведения расчета операции глубокой штамповки листового металла на примере детали «Кассета» в программном обеспечении Ansys.

ABSTRACT

This article discusses the methodology for calculating the operation of deep stamping of sheet metal using the example of the "Cassette" part in the Ansys software.

Ключевые слова: Ansys, глубокая штамповка, листовой металл, программное обеспечение, метод конечных элементов.

Keywords: Ansys, deep stamping, sheet metal, software, finite element method.

Современные методы компьютерного моделирования позволяют выполнять расчеты сложных технологических операций, таких как – глубокое формование листового металла, штамповка и т.д. Основная проблема заключается в отсутствии методики проведения таких расчетов. Каждое исследование подразумевает изучение множества литературных и иных источников для задания необходимых характеристик и параметров расчету. Современный инженер-конструктор и инженер-технолог должен обладать необходимыми компетенциями для принятия решения о производстве разрабатываемой конструкции [1]. В данной статье рассматривается методика проведения расчета глубокого штампования с использованием программного обеспечения Ansys.

Для проведения расчета по глубокой штамповке детали «Кассета» на второй операции формообразования необходимо использовать упрощенную расчетную модель для снижения вычислительных мощностей рабочей станции и приближения методики расчета к известным алгоритмам, используемым в программе Ansys. Расчетная модель представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Расчетная модель

Для проведения расчета первоначально необходимо сконфигурировать статическое исследование Static Structural (см. рисунок 2) [2].

Рисунок 2. Статическое исследование

Следующим этапом является выбор материала для штампуемой детали. Так как формование происходит уже за пределами упругости, то необходимо выбирать материалы с характеристиками в нелинейной зоне. В качестве материала для детали «Кассета» целесообразно использовать Structural Steel NL (см. рисунок 3) [2].

Рисунок 3. Характеристики материала Structural Steel NL

После конфигурирования базы материалов необходимо загрузить расчетную модель (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Загрузка расчетной модели

Для детали «Кассета» необходимо выбрать добавленный ранее материал Structural Steel NL (см. рисунок 5)

Рисунок 5. Выбор материала для детали «Кассета»

Для операции формования целесообразно использовать абсолютно твердые недеформируемые объемы тел матрицы, пуансона и прижимов. Для этого необходимо придать им опцию Rigid (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Задание характеристик абсолютно твердых тел (матрица, пуансон, прижимы)

Одним из самых важных этапов по моделированию глубокой штамповки является правильное создание контактов между телами. В нашем случае целесообразно использовать контакты Frictional. Характеристики контактов представлены на рисунках 7,8,9,10.

Рисунок 7. Характеристики контакта Frictional между пуансоном и разверткой детали

Рисунок 8. Характеристики контакта Frictional между матрицей и разверткой детали

Рисунок 9. Характеристики контакта Frictional между правым прижимом и разверткой детали

Рисунок 10. Характеристики контакта Frictional между левым прижимом и разверткой детали

Для точного решения и получения результатов при глубоком формовании необходимо сконфигурировать сетку конечных элементов с использованием следующих методов: Body Sizing, Face Meshing, MultiZone, Automatic Method.

На рисунках 11,12,13,14 представлены операции по генерацию сетки для развертки детали.

Рисунок 11. Параметры операции Body Sizing для развертки

Рисунок 12. Параметры операции Face Meshing для развертки

Рисунок 13. Параметры операции MultiZone для развертки

Рисунок 14. Параметры операции Automatic Method для развертки

Аналогичные параметры по генерации сетки конечных элементов задаются для остальных деталей. Необходимо отметить, что оператор MultiZone используется только для развертки.

Сгенерированная сетка конечных элементов для операции глубокой штамповки представлена на рисунке 15.

Рисунок 15. Сгенерированная сетка конечных элементов

После задания параметров контактирования, генерации сетки необходимо сконфигурировать решатель. Параметры решателя представлены на рисунке 16.

Рисунок 16. Параметры решателя программы

Согласно заданных параметров решателя можно сказать, что процесс штампования происходит за 1 секунду, которая разбита на 10 шагов. Активирована опция автоматического времени перемещения с подшагами. Так же активирована функция больших деформаций.

Для определения параметров закрепления и перемещений используется функция Remote Displacement. Для матрицы и прижимов параметры Remote Displacement одинаковы, так как эти детали жестко зафиксированы в пространстве и не перемещаются (перемещения по всем шести степеням свободы отсутсвуют). Характеристики Remote Displacement для матрицы представлены на рисунке 17.

Рисунок 17. Характеристики Remote Displacement для матрицы

Для пуансона, так как он подвижен, характеристики Remote Displacement отличаются от вышеуказанных. Характеристики Remote Displacement представлены на рисунке 18.

Рисунок 18. Характеристики Remote Displacement для пуансона

Необходимо отметить, что перемещения для пуансона определяются табличными данными Tabular Data (см. рисунок 19).

Рисунок 19. Tabular Data для Remote Displacement пуансона

После конфигурирования решателя и задания ограничений и перемещений деталей расчетной модели необходимо выполнить расчет. В процессе расчета по итерациям и времени будет строиться график сходимости по силе (см. рисунок 20).

Рисунок 20. График сходимости Force Convergence

Рассмотрим эпюру напряжений, которые возникают в развертке детали «Кассета» в процессе формования (см. рисунок 21).

Рисунок 21. Эпюра распределения напряжений в развертке на последнем шагу формообразования

Полученные значения будут оформляться в виде графической зависимости напряжения от шагов (времени). График напряжений представлен на рисунке 22.

Рисунок 22. График распределения напряжений в процессе формования

По данной эпюре видно, что максимальное напряжение равно 568,38 МПа, оно возникает в период времени 0,98 секунды после начала формования. Данное напряжение выходит за предел текучести материала детали «Кассета». Таким образом, формование будет точно оформлено. Необходимо отметить, что в местах отсутствия смыкания матрицы и пуансона напряжения меньше предела текучести материала, что говорит о том, что данные зоны будут вызывать эффект распружинивания детали (см. рисунок 23). Напряжения в данных зонах равно 160…180 МПа.

Рисунок 23. Объем развертки, вызывающий эффект пружинения

Таким образом, для исключения эффекта распружинения детали необходимо исключить данный объем из развертки, сделав технологические прорези.

Эпюра формования представлена на рисунке 23. По данной эпюре видно, что для формования детали «Кассета» необходим пресс, который обеспечит силу смыкания в 172300 Н.

В результате рассмотренной в статье методики проведения виртуального исследования операции глубокого формования в программе Ansys, было определено, что процесс формования детали «Кассеты» возможен, имеются зоны, вызывающие эффект распружинения, которые при конструктивной возможности должны быть исключены. Для проведения формования определено усилие смыкания для выбора марки пресса. Рассмотренная методика может быть распространена на иные детали, которые изготавливаются методом глубокого формования.

Рисунок 23. Эпюра силы формования

Список литературы:

1. Рудман, Л.И. Справочник конструктора штампов: листовая штамповка/ Под общ.ред. Л.И.Рудмана. - М.: Машиностроение, 1988. — 496 с.
2. DEEP DRAWING PROCESS. – URL: https://www.reddit.com/r/ANSYS/comments/owdew5/deep_drawing_process_ansys_workbench/ (дата обращения: 12.04.2023)