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 مدل سازی فرآیند های ساخت و تولید روز به روز افزایش می‌یابد. مدل سازی فرایند و بهینه سازی به کمک رایانه می تواند 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 تغییرشکلهای زیادی را در مواد الاستو-پلاستیک به سبب بارهای وارده، ایجاد می‌کنند. در شکل‌دهی فلزات ماده بصورت پلاستیک تغییرشکلهای زیادی را تجربه می‌کند، اما گسیخته نمی‌شود. از طرف دیگر در فرایند ماشینکاری، علاوه بر ایجاد تغییرشکلهای زیاد، در نهایت ماده گسیخته شده و به شکل براده جدا می‌شود. بمنظور درک فیزیک فرآیندهای شکل‌دهی و ماشینکاری، نیاز است سینماتیک تغییرشکلهای 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 روش های شبیه سازی ماشین کاری با آباکوس ، انسیس و ال اس داینا صحبت می کنیم.
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، ریخت شناسی 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 ماشین کاری با آباکوس و سایر نرم افزار های CAE ارائه شده است:
رویکردهای شبیه سازی ماشین کاری با آباکوس و نرم افزارهای مهندسی
در زمینه شبیه‌سازی این نوع فرایند، از رویکرد های 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 ریخت شناسی و هندسه براده را با صحت خوبی پیش‌بینی می‌کند، کاربرد بیشتری دارد. اگرچه در این روش بهم ریختگی 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. شبیه سازی ماشین کاری با آباکوس و نرم افزار های مهندسی دیگر مثل LS-Dyna به راحتی قابل انجام است و امکانات خوبی در این نرم افزار های برای حل این مسائل وجود دارد. در این میان نرم افزار 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 شبیه سازی ماشین کاری با آباکوس با روش لاگرانژی در زیر نشان داده شده است. مشابه این برای نرم افزار 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 شبیه سازی ماشین کاری با آباکوس به روش ALE در فرایند برش به صورت زیر می باشد.
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 نرم افزار آباکوس به منظور حل مسائل FSI توسعه داده شد. علت آن عدم وجود حلگر CFD مناسب در مجموعه نرم افزار SIMULIA و راحتی کاربران نرم افزار برای حل مسائلی نظیر مدلسازی و تحلیل ایربگ، هیدروپلنینگ و مسائلی از این دست بود که نیاز به شبیه سازی 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. نمونه ای از شبیه سازی با روش هیدرودینامیک ذرات هموار را در زیر مشاهده کنید.
مدل سازی فرآیند تراشکاری با روش بدون المان گالرگین (EFG)
همواره مدل سازی عددی در حال گسترش و توسعه است. یکی از مسائلی هم که توجه خیلی از محققان را به خود جلب کرده، روش های بدون المان هستند. نرم افزار ال اس داینا (LS-Dyna) یکی از نرم افزارهایی است که همواره برای ساده سازی امور صنعتی بهترین و جدیدترین روش ها و مدل های کاربردی را به نرم افزار اضافه می کند. جدیدا در این نرم افزار از روش المان آزاد گالرکین (EFG) برای شبیه سازی ماشین کاری استفاده شده است که دیدن انیمیشن شیبه سازی ان خالی از لطف نیست.
مدل ساختمانی ماده در شبیه سازی ماشین کاری
تنش جریان ماده تاثیر زیادی بر روی شبیه سازی 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 شیبه سازی می توان 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 می باشد. این مدل تمایزی بین ساختار BCC و FCC ماده قائل است.
در پایان اگر به این مبحث علاقه مندید پیشنهاد می کنم دو کلیپ از نتایج نرم افزاری زیر را هم تماشا کنید.
برای مشاوره در این زمینه می توانید همین الان با کارشناس ما ارتباط بگیرید.