• آموزش, خدمات, ماشین سازی

تماس مستقیم

انواع روش های شبیه سازی ماشین کاری با آباکوس ، انسیس و ال اس داینا

نقش شبیه سازی عددی در ماشین کاری و قطعه سازی

استفاده از تکنیک‌های محاسباتی در مدل‌سازی فرآیند‌های ساخت و تولید روز‌به‌روز افزایش می‌یابد. مدل‌سازی فرایند و بهینه‌سازی به کمک رایانه می‌تواند استفاده از آزمایش‌های تجربی زمان‌بر و هزینه‌بر را بطور چشمگیری کاهش دهد. شکل‌دهی فلزات و ماشین‌کاری دو فرایند عمده در تکنولوژی ساخت و تولید می‌باشند.

هر دوی این فرایندها تغییر شکل‌های زیادی را در مواد الاستو-پلاستیک به سبب بارهای وارده، ایجاد می‌کنند. در شکل‌دهی فلزات ماده بصورت پلاستیک تغییر شکل‌های زیادی را تجربه می‌کند، اما گسیخته نمی‌شود. از طرف دیگر در فرایند ماشین‌کاری، علاوه بر ایجاد تغییر شکل‌های زیاد، در نهایت ماده گسیخته شده و به شکل براده جدا می‌شود.

بمنظور درک فیزیک فرآیندهای شکل‌دهی و ماشین‌کاری، نیاز است سینماتیک تغییر شکل‌های بزرگ و نیز رفتار ساختاری مواد درک و فهمیده شوند.

پس از درک فیزیک فرایند، نیاز است این پدیده‌ها به شکل معادلات دیفرانسیل به روابط ریاضی تبدیل شوند. همچنین می‌بایست اثر متقابل قطعه‌کار با ابزار (ابزار برشی/قالب) و سایر عوامل محیطی (که بعنوان شرایط مرزی و اولیه شناخته می‌شوند) بصورت ریاضی بیان شوند. در این مطلب در مورد انواع روش‌های شبیه‌سازی ماشین‌کاری با آباکوس ، انسیس و ال اس داینا صحبت می‌کنیم.

مدل سازی فرآیند

ماشین‌کاری فلزات یکی از پرکاربردترین روش‌ها در تکنولوژی ساخت و تولید می‌باشد و در صنعت و همینطور در حوزه‌ی آکادمیک کارهای زیادی در زمینه شبیه‌سازی این فرایند صورت گرفته است. مواردی که بطور عمده توجه تحقیقات را به خود جلب نموده است شامل دما در ناحیه ماشین‌کاری، نیروهای برش، توزیع تنش، ریخت‌شناسی براده و تاثیر پارامترهای نرخ پیشروی، سرعت برشی، عمق برش و هندسه ابزار بر این خروجی‌ها می‌باشد.

در ادامه توضیحات جامعی در رابطه با شبیه سازی ماشین‌کاری با آباکوس و سایر نرم‌افزار های CAE ارائه شده است:

رویکردهای شبیه سازی ماشین کاری با آباکوس و نرم افزارهای مهندسی

در زمینه شبیه‌سازی این نوع فرایند، از رویکرد‌های لاگرانژی(Lagrangian) ، لاگرانژی-اویلری اختیاری(ALE) ، کوپل اویلر و لاگرانژی (CEL) و SPH  بمنظور توصیف حرکت در مدل برش استفاده می‌شود.

در میان این روش‌ها فرمولاسیون لاگرانژی به این دلیل که ریخت‌شناسی و هندسه براده را با صحت خوبی پیش‌بینی می‌کند، کاربرد بیشتری دارد. اگرچه در این روش بهم‌ریختگی و اعوجاج مش المان محدود مشاهده می‌شود.

به طور کل این مساله به دلیل ماهیت تغییرشکل بزرگی که دارد، تحقیقات زیادی در مورد استفاده از روش های بهتر جهت کاهش مشکلات اعوجاج در جریان است.

شبیه‌سازی ماشین‌کاری با آباکوس و نرم‌افزار‌های مهندسی دیگر مثل LS-Dyna به راحتی قابل انجام است و امکانات خوبی در این نرم‌افزار‌های برای حل این مسائل وجود دارد. در این میان نرم‌افزار LS-Dyna به دلیل کاربرد صنعتی بیشتری که دارد هموارد سعی کرده است بهترین و بروزترین امکانات محاسباتی را در این نرم افزار بگنجاند.

مدل سازی فرآیند تراشکاری با روش لاگرانژی

در فرمولاسیون لاگرانژی مش المان محدود به ماده متصل بوده و همراه با ماده تغییرشکل می‌دهد. یک نمونه شبیه‌سازی ماشین‌کاری با آباکوس با روش لاگرانژی در زیر نشان داده شده است. مشابه این برای نرم‌افزار LS-Dyna و انسیس هم در فضای اینترنت قابل مشاهده است.

مدل سازی فرآیند تراشکاری با روش ALE

در فرمولاسیون ALE هر مرحله از محاسبات به دو قسمت لاگرانژی و اویلری تقسیم می‌شود که به آن جداسازی عملگر (Operator Split) می‌گویند. یک نمونه شبیه‌سازی ماشین‌کاری با آباکوس به روش ALE در فرایند برش به صورت زیر می‌باشد.

مدل سازی فرآیند ماشین کاری با روش CEL

تکنیک کوپل اویلری-لاگرانژی (CEL) از دو رویکرد اویلری و لاگرانژی در یک مدل بهره می‌گیرد. هدف از این روش جلوگیری از مشکلاتی است که حین شبیه‌سازی پدیده‌هایی که شامل تغییرشکل‌های بزرگ و شدید هستند، بوجود می‌آید.

روش CEL این امکان را به کاربر می‌دهد تا اجزای مدل را بصورت گزینشی مش‌بندی کند. در این حالت می‌توان قسمت‌هایی از مدل را که قرار است تغییرشکل‌های زیادی را تجربه کنند با مش اویلری و سایر قسمت‌ها را با استفاده از مش لاگرانژی مدل‌سازی کرد.

اندرکنش بین دو قسمت لاگرانژی و اویلری با تعریف تماس در آباکوس امکان‌پذیر می‌باشد. این روش در ابتدا در نرم‌افزار آباکوس به منظور حل مسائل FSI توسعه داده شد. علت آن عدم وجود حلگر CFD مناسب در مجموعه نرم‌افزار SIMULIA و راحتی کاربران نرم‌افزار برای حل مسائلی نظیر مدلسازی و تحلیل ایربگ، هیدروپلنینگ و مسائلی از این دست بود که نیاز به شبیه‌سازی هم زمان رفتار سیال و جامد و اندرکنش بین آنها دارد. در کنار این مسائل می توان فرآیندهای با تغییرشکلهای بزرگ را با این روش حل کرد.

مدل سازی فرآیند تراشکاری با روش SPH

اخیرا روش‌های جدیدتری مانند روش هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) بمنظور مدیریت اعوجاج شدید ماده که در مسائل ماشینکاری اتفاق می‌افتد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. کنترل تماس در روش SPH، جداسازی طبیعی براده را امکانپذیر می‌کند. ثابت شده که این روش قابلیت شبیه‌سازی براده‌های پیوسته و نیز باندهای برشی ایجاده شده در براده را دارد و همچنین تخمین نیروهای برشی را بدرستی انجام می‌دهد. نمونه‌ای از شبیه‌سازی با روش هیدرودینامیک ذرات هموار را در زیر مشاهده کنید.

مدل سازی فرآیند تراشکاری با روش بدون المان گالرگین (EFG)

همواره مدل‌سازی عددی در حال گسترش و توسعه است. یکی از مسائلی هم که توجه خیلی از محققان را به خود جلب کرده، روش‌های بدون المان هستند. نرم‌افزار ال اس داینا (LS-Dyna) یکی از نرم‌افزارهایی است که همواره برای ساده‌سازی امور صنعتی بهترین و جدیدترین روش‌ها و مدل‌های کاربردی را به نرم‌افزار اضافه می‌کند. جدیدا در این نرم‌افزار از روش المان آزاد گالرکین (EFG) برای شبیه‌سازی ماشین‌کاری استفاده شده است که دیدن انیمیشن شیبه‌سازی ان خالی از لطف نیست.

مدل‌ ساختمانی ماده در شبیه سازی ماشین کاری

تنش جریان ماده تاثیر زیادی بر روی شبیه‌سازی المان محدود فرایند برش دارد. مدل ساختمانی ماده بایستی بتواند رابطه بین تنش جریان ماده را با کرنش، نرخ کرنش و دما به خوبی بیان کند. در ادامه مدل‌های ماده که در فرایندهای با نرخ کرنش بالا مانند برش استفاده می‌شوند، بیان شده‌اند.

مدل ماده جانسون-کوک

یکی از پرطرفدارترین مدلهای ماده، مدل ساختمانی جانسون-کوک (Johnson-Cook plasticity) می‌باشد، که رابطه آن بصورت زیر است:

سه ترم این معادله به ترتیب نشان دهنده‌ی تاثیرات کرنش سختی، اثرات نرخ کرنش و نرم شدن حرارتی می‌باشند. بعنوان نمونه می‌توان به شکل زیر رجوع کرد که نمودار تنش جریان را برای فولاد گرید 18G2A نشان می‌دهد:

از مدل های مواد پرکابرد دیگر در این نوع شیبه‌سازی می‌توان به مدل ماده لودویک ( Ludwik’s law) ، مدل ماده ماکوا و مدل ماده زرلی و آرمسترانگ (Zerilli–Armstrong model) اشاره کرد. مدل ماده زرلی و آرمسترانگ یک معادله ترکیبی براساس تئوری مکانیک جابجایی(Dislocation mechanics) و با ملاحظه ساختار کریستالی ماده می‌باشد. این مدل تمایزی بین ساختار BCC و FCC ماده قائل است.

در پایان اگر به این مبحث علاقه مندید پیشنهاد می‌کنم دو کلیپ از نتایج نرم‌افزاری زیر را هم تماشا کنید.

برای مشاوره در این زمینه می‌توانید همین الان با کارشناس ما ارتباط بگیرید.

تماس مستقیم