Oparta na wiedzy symulacja procesów obróbki plastycznej blach w chmurze

Summary

Poniższy artykuł przedstawia nowatorską technikę symulacji FE (KBC-FE), która zmniejsza koszty obliczeniowe poprzez przeprowadzanie symulacji w środowisku chmury obliczeniowej, poprzez zastosowanie poszczególnych modułów. Co więcej, tworzy bezproblemową sieć współpracy między czołowymi naukowcami na świecie, umożliwiając integrację najnowocześniejszych modułów wiedzy z symulacjami MES.

Abstract

Użycie oprogramowania symulacyjnego metodą elementów skończonych (FE) do odpowiedniego przewidywania wyników procesów formowania blach jest kluczowe dla zwiększenia wydajności i skrócenia czasu rozwoju takich procesów, przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów związanych z prototypowaniem metodą prób i błędów. Niedawny nacisk na zastępowanie komponentów stalowych alternatywnymi stopami aluminium w sektorach motoryzacyjnym i lotniczym zwiększył potrzebę symulacji zachowania formowania takich stopów dla coraz bardziej złożonych geometrii komponentów. Jednak stopy te, a w szczególności ich warianty o wysokiej wytrzymałości, wykazują ograniczoną odkształcalność w temperaturze pokojowej, a w celu ich formowania opracowano technologie wytwarzania w wysokich temperaturach. W związku z tym potrzebne są zaawansowane modele konstytutywne, aby odzwierciedlić powiązane efekty temperatury i szybkości odkształcania. Symulacja takiego zachowania jest bardzo kosztowna obliczeniowo przy użyciu konwencjonalnych technik symulacji ES.

Ten artykuł przedstawia nowatorską technikę symulacji Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE), która łączy zaawansowane modele materiałów i tarcia z konwencjonalnymi symulacjami MES w efektywny sposób, zwiększając w ten sposób możliwości komercyjnych pakietów oprogramowania symulacyjnego. Zastosowanie tych metod przedstawiono na dwóch przykładowych studiach przypadków, a mianowicie: przewidywaniu granicy formowania materiału w warunkach tłoczenia na gorąco oraz przewidywaniu trwałości narzędzia w warunkach obciążenia wielocyklowego.

Introduction

Symulacje metodą elementów skończonych (FE) stały się potężnym narzędziem do optymalizacji parametrów procesu w przemyśle obróbki plastycznej metali. Wiarygodność wyników symulacji ES zależy od dokładności definicji materiału, danych wejściowych w postaci danych naprężeń przepływowych lub równań konstytutywnych oraz przypisania warunków brzegowych, takich jak współczynnik tarcia i współczynnik przenikania ciepła. W ciągu ostatnich kilku lat opracowano zaawansowane symulacje ES poprzez implementację podprogramów zdefiniowanych przez użytkownika, które znacznie poszerzyły możliwości oprogramowania FE.

Wykorzystanie tak zaawansowanych symulacji FE w projektowaniu procesów formowania komponentów konstrukcyjnych było badane zarówno przez przemysł lotniczy, jak i motoryzacyjny, z zamiarem produkcji lekkich konstrukcji, które redukują koszty operacyjne i emisję CO₂. Szczególny nacisk położono na zastąpienie elementów stalowych materiałami o mniejszej gęstości, takimi jak stopy aluminium i stopy magnezu. Jednak stopy te, zwłaszcza mocniejsze warianty, oferują ograniczoną odkształcalność w temperaturze pokojowej, a zatem elementy o skomplikowanych kształtach nie mogą być wytwarzane przy użyciu konwencjonalnego procesu tłoczenia na zimno. Dlatego w ciągu ostatnich dziesięcioleci opracowano zaawansowane technologie formowania w wysokiej temperaturze, takie jak formowanie aluminium ^{na ciepło 1-4}, tłoczenie na gorąco stopów aluminium ^5-9 i tłoczenie na gorąco stali o wysokiej wytrzymałości ¹⁰, aby umożliwić formowanie elementów o skomplikowanych kształtach. Ogólnie rzecz biorąc, procesy formowania w wysokiej temperaturze wiążą się ze znacznymi wahaniami temperatury, szybkością odkształcania i zmianami ścieżki obciążenia ¹¹, co spowodowałoby, na przykład, nieuniknione reakcje lepkościoplastyczne i zależne od historii obciążenia materiałów obrabianych. Są to nieodłączne cechy procesów formowania w wysokiej temperaturze i mogą być trudne do odwzorowania przy użyciu konwencjonalnych technik symulacji ES. Inną pożądaną cechą byłaby możliwość przewidywania trwałości narzędzia w wielu cyklach formowania w takich procesach, ponieważ wymagają one niskiej charakterystyki tarcia uzyskanej dzięki powłokom, które ulegają degradacji przy każdej operacji formowania. Przedstawienie wszystkich tych cech za pomocą implementacji podprogramów zdefiniowanych przez użytkownika byłoby bardzo kosztowne obliczeniowo. Co więcej, opracowanie i implementacja wielu podprogramów wymagałoby od inżyniera przeprowadzającego symulacje nadmiernej wiedzy multidyscyplinarnej.

W niniejszej pracy zaproponowano nowatorską technikę symulacji Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE), opartą na zastosowaniu modułów w środowisku chmury obliczeniowej, która umożliwia wydajną i efektywną metodę modelowania zaawansowanych cech formowania w połączeniu z konwencjonalnymi symulacjami FE. W tej technice dane z oprogramowania FE są przetwarzane w każdym module chmury, a następnie importowane z powrotem do oprogramowania FE w odpowiednim spójnym formacie, w celu dalszego przetwarzania i analizy. Szczegółowo opisano opracowanie tych modułów i ich implementację w KBC-FE.

Protocol

1. Opracowanie modelu przewidywania limitu formowania w wysokiej temperaturze

1. Wytnij laserowo próbki do testów odkształcalności z arkuszy AA6082 ze stopu aluminium (grubość 1,5 mm) na wybrane geometrie ¹².
2. Wytrawić wzór siatki, składający się z okrągłych punktów o średnicy 0,75 mm w regularnych odstępach 1 mm, na powierzchni próbek, stosując metodę elektrolityczną ¹³.
3. Ręcznie nałóż smar grafitowy jako smar po stronie nietrawionej.
4. Zamontuj stanowisko do testowania kopuły w prasie hydraulicznej o wysokiej wydajności ¹². Użyj uniwersalnej hydraulicznej maszyny wytrzymałościowej 250 kN.
5. Rozgrzej kopule do temperatury testowej i ustaw stempel na stałą prędkość ruchu. Następnie rozpocznij test.
   Uwaga: Temperatury testowe wynoszą odpowiednio 300, 400 i 450 °C. Prędkości testowe obejmują 75, 250 i 400 mm/s.
6. Zatrzymaj test przy pierwszym wystąpieniu neckingu.
   Uwaga: Skok prasy (tj. końcowa wysokość próbki) jest ustawiony w taki sposób, że na uformowanej próbce obserwuje się tylko przewężenie.
7. Zmierz końcową wysokość próbki za pomocą wysokościomierza i oblicz odkształcenia oraz maksymalne szybkości odkształcania (szybkość zmiany odkształcenia w odniesieniu do czasu) za pomocą optycznego systemu analizy formowania 3D. Przeanalizuj zmiany w odstępach siatki, aby obliczyć odkształcenia w każdym punkcie uformowanej próbki.
8. Upewnij się, że optyczny system analizy formowania 3D zawiera kamerę, uformowaną próbkę i paski skali kalibracyjnej ¹⁴.
   Uwaga: Próbkę umieszcza się na środku stołu obrotowego i otacza prętami podziałki, a ich względne pozycje są utrzymywane na stałym poziomie przez cały czas trwania analizy.
9. Ustaw aparat na ustalonej wysokości (np. 50 cm) i pod stałym kątem (np. 30, 50 lub 70°) do preparatu i rób zdjęcia przy pełnym obrocie (360°) stołu obrotowego, w krokach co 15°.
   Uwaga: W niniejszej pracy uzyskano trzy zestawy obrazów z wielu wysokości i kątów kamery w celu zmapowania szczepów na całym okazie ¹⁵.
10. Załaduj obrazy do oprogramowania do optycznej analizy formowania 3D i przystąp do obliczania odkształceń. W tym celu należy kliknąć funkcję "oblicz wielokropek i pakiet", która wykrywa punkty siatki, a następnie kliknij funkcję "oblicz punkty 3D i siatkę", która tworzy siatkę.
    Uwaga: Oblicz odkształcenia i zwizualizuj je w trybie oceny.
11. Wydrukuj rozkłady odkształceń, aby określić odkształcenia graniczne dla każdej próbki w oparciu o ISO 12004 ¹⁶ i wykreśl wykresy graniczne formowania dla różnych prędkości formowania i temperatur formowania.
12. Kalibracja modelu materiałowego dla AA6082 w różnych temperaturach od 300 do 500 °C i szybkościach odkształcania od 0,1 do 10 ^s-1,
    Uwaga: Model materiałowy i jego stałe dla AA6082 są szczegółowo opisane w odnośniku ¹⁷.
13. Zaimplementuj i ujednolic anizotropową funkcję plastyczności Hosforda ¹⁸, teorię Marciniaka-Kuczyńskiego (MK) ¹⁹i model materiałowy w kroku 1.12 w algorytm całkowania, aby sformułować model przewidywania granicy formowania.
    Uwaga: Model jest opisany w odnośniku ¹¹.
14. Skalibruj i zweryfikuj opracowany model dla kroku 1.13, korzystając z wyników eksperymentalnych uzyskanych w kroku 1.11.
15. Przewiduj granice formowania za pomocą zweryfikowanego modelu ¹¹ z kroku 1.14.
    Uwaga: Rysunek 1 przedstawia wynikowe przewidywania modelu w różnych temperaturach, przy prędkości formowania 250 mm/s lub równoważnej szybkości odkształcania 6,26 ^s-1.

2. Opracowanie interaktywnego modelu tarcia/zużycia

1. Wykonywanie testów kulowych na tarczy dla próbek powlekanych (tarczowych)
   1. Przygotować powłoki z azotku tytanu (TiN) na tarczy GCr15 ze stali łożyskowej za pomocą łuku katodowego i napylania magnetronowego średniej częstotliwości, przy parametrach osadzania podanych w pozycji ^{referencyjnej 20}.
   2. Za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) uzyskaj topografię powierzchni/przekroju poprzecznego powlekanej próbki. Zmierz grubość powłoki TiN za pomocą obrazów SEM, porównując topografię (jasność i skurcz) materiałów bazowych i powłokowych.
      Uwaga: Procedury eksperymentalne można znaleźć w odnośniku ²⁰.
   3. Użyj interferometrycznego profilometru powierzchni w świetle białym, aby uzyskać chropowatość powierzchni próbki. Umieść próbkę pod soczewką i wyreguluj mikroskop, aby uzyskać wyraźną strukturę powierzchni. Oświetl próbkę i dostosuj kąty osi x i y, aby zaobserwować wyraźne paski interferencyjne (które można monitorować z ekranu). Ustaw głębokość brutto w oprogramowaniu i rozpocznij pomiar. Automatycznie zeskanuj powierzchnię próbki i oblicz chropowatość powierzchni.
   4. Oceń siłę przylegania próbki za pomocą testera mikrozarysowań. Na powłokę TiN należy nakładać rosnące obciążenie (maksymalnie 50 N) i głębokość zarysowania (maksymalnie 5 mm). Określ obciążenie krytyczne powodujące uszkodzenie powłoki i uzyskaj krzywe mikrozarysowania ²⁰.
   5. Ocenić twardość próbki za pomocą wgłębnika do pomiaru twardości. Przyłożyć obciążenie statyczne 20 N do próbki przez 15 s. Zmierz przekątną wycisku wykonanego przez wgłębnik, a następnie uzyskaj wartości twardości z testera.
   6. Przeprowadzić testy kuli na tarczy na trybometrze w środowisku otoczenia (temperatura 25 °C, wilgotność 30%). Użyj kulki WC-6% o średnicy 6 mm (mikrotwardość 1 780 HV, wytrzymałość na ścieranie 1 380 N/cm, moduł sprężystości 71 GPa) jako odpowiednika w stosunku do powlekanej tarczy. Ustaw względną prędkość przesuwania na 5 mm/s. Zastosuj normalne obciążenie 200 N. Uruchom silnik i zapisz wartości tarcia za pomocą trybometru. Przerwij test odpowiednio po 180 s, 350 s, 400 s i 450 s, aby przeanalizować ślad zużycia za pomocą mikroskopu optycznego ²⁰.
   7. Po przeprowadzeniu testów zmierz topografię zużytej powierzchni za pomocą interferometrycznego profilometru powierzchni światła białego.
   8. Powtórzyć badania (krok 2.1.6) przy różnych obciążeniach normalnych (300 N, 400 N).
2. Określ ewolucję współczynnika tarcia aż do rozpadu twardej powłoki, charakteryzującej się gwałtownym wzrostem współczynnika tarcia
   1. Wykreśl ewolucję współczynnika tarcia w czasie po zapisaniu wartości tarcia w kroku 2.1.6.
      Uwaga: Ewolucję współczynnika tarcia przedstawiono w pozycji referencyjnej ²⁰.
   2. Oceń ewolucję współczynnika tarcia pod względem zachowania zużycia i związanych z nim mechanizmów.
      Uwaga: Ewolucję tarcia można podzielić na trzy różne etapy: (i) etap niskiego tarcia, (ii) etap tarcia orki oraz (iii) etap rozpadu powłoki ^20,21.
   3. Oceń stany zużycia po 180 s, ręcznie przerywając test, a następnie przeanalizuj ślad zużycia za pomocą mikroskopu optycznego.
      Uwaga: Ten krok ma na celu zbadanie pozostałości po zużyciu pod kątem etapu niskiego tarcia, jak opisano w kroku 2.2.2.
   4. Powtórz krok 2.2.3 odpowiednio po 350 s, 400 s i 450 s.
3. Opracowanie interaktywnego modelu tarcia
   1. Scharakteryzować całkowity współczynnik tarcia μ przez połączenie tarcia początkowego μ_α z tarciem strugowym cząstek sprzętowych μ_Pc (jak pokazano w równaniu (1)) ²⁰,
      (1)
   2. Połączyć tarcie orki między kulą a podłożem (μ_Ps) z chwilową grubością powłoki (h), aby modelować gwałtowny wzrost tarcia podczas orki spowodowany rozpadem powłoki μ_Pc (Równanie (2)).
      Uwaga: W tym przypadku μ_Pc równa się μ_Ps, gdy pozostała grubość powłoki wynosi zero (co wskazuje na całkowite rozbicie twardej powłoki).
      
      (2)
      gdzieλ₁ i λ₂ są parametrami modelowymi wprowadzonymi w celu przedstawienia fizycznego znaczenia procesu zużycia. λ₁ opisuje wpływ dużych uwięzionych cząstek zużycia, a λ₂ reprezentuje intensywność efektu tarcia podczas orki, która charakteryzuje się nachyleniem współczynnika tarcia.
   3. Użyj algorytmu całkowania opartego na czasie, aby uzyskać ewolucję pozostałej grubości powłoki i modelować skumulowane zużycie w różnych warunkach kontaktu. Zaktualizuj grubość powłoki w każdej pętli obliczeniowej o równanie (3).
      
      (3)
      gdzie h₀ jest początkową grubością powłoki i jest zależnym od czasu stopniem zużycia powłoki.
   4. Zmodyfikuj prawo zużycia Archarda ²² (równanie (4)) i zaimplementuj je w obecnym modelu.
      
      (4)
      gdzie K jest współczynnikiem zużycia, P jest naciskiem kontaktowym, v jest prędkością poślizgu, a H_c jest łączną twardością powłoki i podłoża.
   5. Użyj modelu Korsunsky'ego, aby obliczyć łączną twardość (równanie (5)).
      
      (5)
      gdzie H_s jest twardością podłoża, α jest stosunkiem twardości między powłoką a podłożem, a β jest współczynnikiem wpływu grubości.
   6. Parametry zależne od obciążenia λ₁ i K należy przedstawić za pomocą równań prawa potęgowego.
      
      (6)
      (7)
      gdzie κ_λ1, κ_K, Ν_λ1 i Ν_K są stałymi materialnymi związanymi z ewolucją tarcia ²⁰.
   7. Dopasuj interaktywny model tarcia do wyników eksperymentalnych za pomocą algorytmu integracji opracowanego w grupie autorów w celu określenia parametrów modelu.

3. Symulacja KBC-FE — studia przypadków

1. Symulacja KBC-FE — studium przypadku 1: przewidywanie granicy formowania w warunkach tłoczenia na gorąco
   1. Utwórz i nazwij nowy projekt symulacyjny w oprogramowaniu symulacyjnym ES. Podczas zapisywania projektu wybierz proces jako 'Stamp hot forming', a typ solvera jako 'PAM-AutoStamp'.
   2. Zaimportuj wewnętrzną matrycę drzwi, klikając na "Importuj narzędzia CAD", a następnie "Importuj i przenieś" plik geometrii wewnętrznej drzwi "IGS" do interfejsu graficznego oprogramowania symulacyjnego ES. Wybierz strategię "Formowanie na gorąco" dla tworzenia siatki narzędzi. Nazwij importowany obiekt jako "Matryca".
   3. Powtórz krok 3.1.2 i "zaimportuj" obiekty odpowiednio Punch i Blankholder.
   4. Kliknij "Puste" w zakładce "Konfiguracja". Kliknij "Dodaj puste" w "Pustym edytorze" i ustaw "Nowy obiekt" jako "Puste". Następnie wybierz typ jako "Pusta powierzchnia".
   5. Wybierz "Kontur" jako typ definicji i zaimportuj pusty kształt, klikając "Importuj z pliku CAD". Zdefiniuj "Zagęszczenie" jako "poziom nałożony" i wybierz poziom 1 w sekcji "Opcje siatki". Wyłącz opcję "Automatyczne tworzenie siatki" i ustaw "Rozmiar siatki" na 4 mm.
   6. Zdefiniuj właściwości materiału w 'Pustym edytorze'. Kliknij "Załaduj materiał" w zakładce "Materiał". Wybierz materiał "AA6082" (jednostka: mm·kg·ms·C) jako właściwości materiału. Ustaw "kierunek walcowania" na "x = 1". Ustawić "Grubość półfabrykatu" na 2 mm, a "Temperaturę początkową" półfabrykatu na 490 °C.
      Uwaga: Właściwości materiału i model materiałowy są opisane w odnośniku ¹⁷.
   7. Kliknij "Proces" w zakładce "Konfiguracja" i wybierz ikonę "+", aby załadować nowe makro. Przejdź do '\Stamp\Hotforming' i wybierz 'HF_Validation_DoubleAction_GPa.ksa'. W oknie dialogowym "Dostosuj" aktywuj półfabrykat, matrycę, stempel i blankholder. W zakładce "Etapy" aktywuj Grawitację, Trzymanie, Tłoczenie i Hartowanie.
   8. Ustaw wszystkie parametry w 'Atrybutach obiektów' w zakładce 'Ustawienie' tak, aby odpowiadały rzeczywistemu układowi doświadczalnemu (siła trzymania ślepej próby = 50 kN, prędkość formowania = 250 mm/s, współczynnik tarcia = 0,1, współczynniki przenikania ciepła ²³ w funkcji szczeliny i nacisku dociskowego).
   9. Kliknij ikonę "Sprawdź", aby sprawdzić konfigurację symulacji i upewnić się, że nie ma błędów w powyższych ustawieniach.
   10. Kliknij ikonę 'Obliczenia', aby rozpocząć symulację.
       Uwaga: Oprogramowanie rejestruje 11 stanów podczas symulacji na komputerze hosta.
   11. Po zakończeniu symulacji obserwuj wyniki symulacji w interfejsie graficznym oprogramowania symulacyjnego ES i przystępuj do nagrywania "skryptu" dla działania eksportującego wartości konturu, tj. główne odkształcenie (membrana), mniejsze odkształcenie (membrana) i temperaturę wszystkich ślepych elementów, dla określonego stanu symulacji. Kliknij "nagraj" i ręcznie wyeksportuj wartości konturów. Kliknij "zatrzymaj", aby zatrzymać nagrywanie. Zapisz skrypt tak, aby powtórzyć tę samą akcję dla wszystkich 11 stanów symulacji.
   12. Kliknij ikonę "odtwórz", aby załadować skrypt, kliknij "Zrób wszystko", aby wyeksportować wartości konturu.
       Uwaga: Dla każdego indywidualnego konturu/stanu oprogramowanie automatycznie eksportuje wartości w plikach "ASCII" odpowiednio pod "major_strain_statenumber", "minor_strain_statenumber" i "temperature_statenumber".
   13. Zapisz wszystkie wyeksportowane pliki na komputerze w chmurze. Uruchom "model przewidywania szyjek" (tj. kod modułu chmury) wraz ze wszystkimi wyeksportowanymi plikami na komputerze w chmurze.
   14. Przewiduj początek neckingu za pomocą modelu przewidywania limitów formowania w komputerze w chmurze.
       Uwaga: Ten model ¹¹ daje użytkownikom możliwość uruchomienia modelu predykcyjnego na pojedynczym elemencie lub wszystkich elementach ślepej próby.
   15. Ręczne wprowadzenie szczegółów/parametrów symulacji do "modelu predykcji neckingu". Wprowadź liczbę stanów w symulacji (stan 11), całkowity skok procesu tłoczenia (157 mm), prędkość tłoczenia (250 mm/s), zakres odkształcenia (kryterium wyboru elementu, np. odkształcenie > 0,2) i wszystkie elementy.
       Uwaga: Zakres odkształceń ogranicza elementy, dla których może wystąpić necking, poprzez ustawienie kryterium elementu>, np. do dalszej oceny w module wybierane są tylko elementy z końcowym odkształceniem głównym większym niż 0,2.
   16. Po zakończeniu obliczeń modułu na komputerze w chmurze, automatycznie zapisz wszystkie dane (wyniki predykcji neckingu) w sformatowanych plikach 'ASCII'.
   17. Wczytaj stan końcowy wyników symulacji ES. W zakładce "Kontury" kliknij "Zaimportowane", a następnie "Wartości skalarne". Wybierz plik "ASCII" uzyskany w powyższym kroku. Wyświetlanie wyników przewidywania przewężenia w oprogramowaniu symulacyjnym ES.
2. Studium przypadku symulacji KBC-FE 2: Przewidywanie trwałości narzędzia w warunkach obciążenia wielocyklowego
   1. Utwórz i nazwij nowy projekt symulacyjny w oprogramowaniu symulacyjnym ES. Podczas zapisywania projektu wybierz proces jako 'Standardowe stemplowanie', a typ solvera jako 'PAM-AutoStamp'.
   2. Zaimportuj geometrię matrycy, klikając przycisk "Importuj narzędzia CAD", a następnie "Importuj i przenieś" plik geometrii matrycy w kształcie litery U "IGS" do interfejsu graficznego oprogramowania symulacyjnego ES. Wybierz strategię "Walidacja" dla tworzenia siatki narzędzi. Nazwij importowany obiekt jako "Matryca".
   3. Powtórz krok 3.2.2, aby zaimportować obiekty odpowiednio Punch i Blankholder.
   4. Kliknij na 'Blank' w zakładce 'Ustawianie'. 'Dodaj blank' w 'Edytorze Blank', ustaw 'Nowy obiekt' na 'Blank', a następnie wybierz typ jako 'Surface Blank'. Wybierz "Cztery punkty" jako typ definicji i ustaw rozmiar półfabrykatu na 120 × 80 mm². Zdefiniuj 'Zagęszczenie' jako 'poziom nałożony': poziom 1 w sekcji 'Opcje siatki'. Wyłącz "Automatyczne tworzenie siatki" i ustaw "Rozmiar siatki" na 1,5 mm.
   5. Zdefiniuj właściwości materiału w 'Pustym edytorze'. Kliknij przycisk "Załaduj materiał" w zakładce "Materiał". Wybierz materiał "AA5754-H111" (jednostka: mm·kg·ms·C) jako właściwości materiału. Ustaw "kierunek walcowania" na "x = 1". Ustaw "Grubość półfabrykatu" na 1.5 mm.
   6. Kliknij "Proces" w zakładce "Konfiguracja" i wybierz ikonę "+", aby załadować nowe makro. Przejdź do '\Stamp\Feasibility' i wybierz 'SingleActioin_GPa.ksa'. W oknie dialogowym "Dostosuj" aktywuj półfabrykat, matrycę, stempel i blankholder. W sekcji "Etapy" aktywuj Grawitację, Trzymanie i Stemplowanie.
   7. Ustaw wszystkie "parametry" w symulacji tak, aby odpowiadały rzeczywistej konfiguracji eksperymentu (siły trzymania ślepej próby = odpowiednio 5, 20, 50 kN, prędkość formowania = 250 mm/s, współczynnik tarcia = 0,17).
   8. "Sprawdź" konfigurację symulacji i upewnij się, że nie ma błędów w powyższych ustawieniach.
   9. Kliknij ikonę "Obliczenia" i rozpocznij "Obliczenia" dla 11-stanowej symulacji gięcia w kształcie litery U na komputerze hosta.
   10. Po zakończeniu symulacji należy automatycznie wyeksportować dane "współrzędnych" i dane "nacisku kontaktowego" dla przedmiotu obrabianego i narzędzi (stempla, matrycy i uchwytu półfabrykatu) jako pliki "ASCII" (zgodnie z krokami 3.1.11 i 3.1.12).
   11. Zapisz wszystkie wyeksportowane pliki na komputerze w chmurze. Uruchom "moduł przewidywania żywotności narzędzia" wraz ze wszystkimi wyeksportowanymi plikami na komputerze w chmurze.
   12. Ręczne wprowadzanie parametrów obróbki plastycznej w module "Prognoza trwałości narzędzia". Wprowadź następujące parametry: liczbę stanów (stan 11), całkowity skok (70 mm), prędkość tłoczenia (250 mm/s) i początkowy współczynnik tarcia (0,17).
   13. Wybierz narzędzie (stempel, matrycę lub uchwyt półfabrykatu), a następnie rozpocznij obliczenia dla pojedynczego elementu lub wszystkich elementów.
   14. Po zakończeniu obliczeń modułu w komputerze w chmurze, automatycznie zapisz wszystkie dane (w tym chwilową pozostałą grubość powłoki i współczynnik tarcia) w sformatowanych plikach "ASCII".
   15. Załaduj i wyświetl pozostałą grubość powłoki i współczynnik tarcia dla odpowiednich elementów w oprogramowaniu symulacyjnym ES (zgodnie z krokiem 3.1.17).

Results

Symulacja KBC-FE do przewidywania przewężenia

W procesie tłoczenia na gorąco, użycie półfabrykatu zoptymalizowanego pod kątem kształtu nie tylko zaoszczędzi koszty materiałów, ale także pomoże zmniejszyć obecność wad, takich jak szyjkowanie, pękanie i marszczenie. Początkowy kształt półfabrykatu znacząco wpływa na przepływ materiału podczas formowania, a zatem rozsądny projekt kształtu półfabrykatu ma kluczowe znaczenie dla powodzenia procesu tłoczenia na gorąco i jakości produktów końcowych. Aby zmniejszyć wysiłek związany z eksperymentami metodą prób i błędów w celu określenia optymalnej geometrii półfabrykatu, udowodniono, że symulacja KBC-FE jest wysoce wydajną i skuteczną metodą minimalizacji obszarów z szyjkami. Dzięki tej technice każda symulacja trwa około 2 godzin, podczas gdy obliczenia modułu chmury równoległej do przewidywania neckingu są wykonywane w ciągu 4 godzin.

Rysunek 4 pokazuje ewolucję pustego kształtu używanego w tłoczeniu na gorąco, przykład wewnętrznego komponentu drzwi samochodowych. Początkowy kształt półfabrykatu, zaczerpnięty z konwencjonalnego procesu tłoczenia na zimno, został po raz pierwszy wykorzystany w symulacji KBC-FE. Wyniki eksperymentalne przedstawione na rysunku 4(a) pokazują, że po tłoczeniu na gorąco widoczne są duże obszary uszkodzeń (pęknięć lub przewężeń). Po jednej iteracji optymalizacji kształtu półfabrykatu można zauważyć na rysunku 4(b), że prawie w pełni udany panel jest formowany ze znacznie mniejszą szyjką, w porównaniu z użyciem początkowego kształtu półfabrykatu. Można zauważyć, że nadal istnieje oznaka szyjki w kieszeniach w prawym i lewym górnym rogu panelu. Po dalszej optymalizacji przedstawionej na rysunku 4(c) ostatecznie uzyskano zoptymalizowany kształt półfabrykatu bez widocznych szyjek na panelu. Zoptymalizowany kształt półfabrykatu określony przez symulację KBC-FE został zweryfikowany eksperymentalnie poprzez próby tłoczenia na gorąco przeprowadzone na w pełni zautomatyzowanej linii produkcyjnej oferowanej przez producenta systemu produkcyjnego.

Symulacja KBC-FE do przewidywania żywotności narzędzi

Konwencjonalne symulacje FE procesów formowania metalu są wykonywane dla jednego cyklu. Jednak w środowisku produkcyjnym na danym narzędziu wykonywanych jest wiele cykli formowania, przy czym stwierdza się, że wzrost liczby cykli formowania powoduje zwiększoną zmienność między formowanymi komponentami. Ta zmienność podczas wielocyklowego obciążenia narzędzia jest wynikiem zmieniającej się topografii powierzchni. Na przykład wielocyklowe obciążenie narzędzi formujących powłokami funkcjonalnymi doprowadzi do zmniejszenia grubości powłoki z powodu zużycia. Co więcej, na rozpad powłoki będą miały również wpływ parametry formowania, takie jak obciążenie/ciśnienie, prędkości formowania itp. Technika KBC-FE umożliwia symulację procesów formowania blach w warunkach obciążenia wielocyklowego, co jest niezbędne do przewidywania żywotności narzędzi do formowania z zaawansowanymi powłokami funkcjonalnymi.

Aby zbadać wpływ siły trzymania półfabrykatu na żywotność narzędzia, zbadano wartości siły trzymania półfabrykatu wynoszące 5, 20 i 50 kN dla stałej prędkości formowania 250 mm/s. Rysunek 5 pokazuje pozostały rozkład grubości powłoki narzędzia z różnymi siłami trzymania półfabrykatu po 300 cyklach formowania. Wyraźnie wskazuje, że pozostała grubość powłoki zmniejsza się wraz ze wzrostem siły trzymania półfabrykatu.

Rysunek 6 pokazuje rozkład ciśnienia i pozostałej grubości powłoki przy siłach trzymania ślepej próby wynoszących odpowiednio 5, 20 i 50 kN, wzdłuż krzywoliniowej odległości matrycy po 300 cyklach formowania. Ponieważ obszar A-B reprezentuje obszar wejścia do matrycy podczas procesu gięcia w kształcie litery U, ciśnienie i względna odległość zużycia w tym obszarze były znacznie wyższe niż w innych obszarach matrycy. W związku z tym zużycie powłoki nastąpiło głównie w tym obszarze. Istnieją dwie wartości szczytowe redukcji grubości powłoki przy 20 kN i 50 kN, które odpowiadają dwóm pikom pod ciśnieniem. Tymczasem pozostała grubość powłoki zmniejsza się wraz ze wzrostem siły trzymania półfabrykatu. Najniższe pozostałe grubości powłoki przy sile trzymania półfabrykatu wynoszącej 5, 20 i 50 kN wynosiły odpowiednio 0,905, 0,570 i 0,403 mikrona, podczas gdy początkowa grubość powłoki wynosiła 2,1 mikrona.

Rysunek 1: Porównanie między eksperymentalnymi i przewidywanymi odkształceniami granicznymi formowania w różnych temperaturach. Odkształcenia graniczne formowania zwiększają się wraz ze wzrostem temperatury, przy stałej prędkości 250 mm/s lub równoważnie, z szybkością odkształcania 6,26 ^s-1. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Schemat ideowy dla opartej na wiedzy symulacji procesu formowania blach w chmurze ES. Komercyjne oprogramowanie do symulacji ES służy do przeprowadzania symulacji i eksportowania wyników wymaganych dla poszczególnych modułów. Moduły, np. odkształcalność, wymiana ciepła, wytrzymałość po formowaniu (mikrostruktura), przewidywanie trwałości narzędzia, projektowanie narzędzi itp., działają jednocześnie i niezależnie w chmurze, umożliwiając w ten sposób integrację najnowocześniejszej wiedzy z wielu źródeł w symulacjach ES. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Geometria przedmiotu obrabianego i narzędzi do symulacji gięcia w kształcie litery U. Narzędzia, tj. stempel, uchwyt półfabrykatu i matryca, są modelowane za pomocą sztywnych elementów. Elementy skorupowe są używane do elementów obrabianych (półfabrykatów). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Ewolucja kształtu półfabrykatu do tłoczenia na gorąco panelu wewnętrznego drzwi (pokazanego w symulacji ES). Po lewej: Cyfry w zielonych ramkach reprezentują puste kształty na każdym etapie optymalizacji, a te w czerwonych ramkach odpowiadają pustemu kształtowi przed jego optymalizacją. Po prawej: Necking prediction results na każdym etapie optymalizacji. (a) Początkowe wyniki z dużym uszkodzeniem (pęknięcia/przewężenia pokazane w kolorze czerwonym), (b) Zmniejszone uszkodzenia z pewnymi przecięciami po pierwszym etapie optymalizacji, (c) Ostateczny zoptymalizowany kształt półfabrykatu bez widocznych przewężeń. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Pozostały rozkład grubości powłoki (wyświetlany w symulacji ES) przy siłach trzymania ślepej próby wynoszących: (a) 5 kN, (b) 20 kN i (c) 50 kN, po 300 cyklach formowania przy stałej prędkości tłoczenia 250 mm/s. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Przewidywanie nacisku kontaktowego i pozostałej grubości powłoki przy siłach trzymania ślepej próby wynoszących: (a) 5 kN, (b) 20 kN i (c) 50 kN, wzdłuż krzywoliniowej odległości matrycy przy stałej prędkości tłoczenia 250 mm/s. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

Technika symulacyjna KBC-FE umożliwia przeprowadzanie zaawansowanych symulacji poza terenem zakładu przy użyciu dedykowanych modułów. Może uruchamiać moduły funkcjonalne w środowisku chmurowym, które łączą węzły z różnych specjalizacji, aby zapewnić jak najdokładniejsze przeprowadzanie symulacji procesów. Krytyczne aspekty symulacji KBC-FE mogą obejmować niezależność kodów ES, wydajność obliczeń i dokładność modułów funkcjonalnych. Realizacja każdej zaawansowanej funkcji w module będzie zależała od opracowania nowego modelu i/lub nowatorskiej techniki eksperymentalnej. Na przykład moduł limitu formowania został opracowany w oparciu o nowy ujednolicony model przewidywania limitu formowania ¹¹, a moduł przewidywania żywotności narzędzi ciernych został obecnie opracowany przez implementację interaktywnego modelu tarcia ²⁰. Technika symulacyjna KBC-FE oferuje również funkcję obliczeń selektywnych, tzn. do dalszej oceny w poszczególnych modułach wybierane są tylko te elementy, które spełniają kryteria wyboru. Na przykład moduł przewidywania trwałości narzędzia automatycznie wybiera elementy, w przypadku których twarda powłoka ma tendencję do rozpadu, klasyfikując stopień zużycia wszystkich elementów w pierwszym cyklu formowania, dzięki czemu zwykle mniej niż 1% elementów zostanie wybranych do dalszej oceny trwałości narzędzia w warunkach obciążenia wielocyklowego. W prezentowanych badaniach prognozowanie trwałości narzędzia po 300 cyklach formowania można zakończyć w ciągu 5 minut.

Przeprowadzając odpowiednie testy i odpowiednio kalibrując, model graniczny formowania może być zastosowany do symulacji procesu formowania, aby w konsekwencji określić optymalne parametry do pomyślnego wytworzenia komponentu z takich stopów i bez przypadków neckingu. Model przewidywania granicy formowania został opracowany jako moduł chmury, który był niezależny od wykorzystywanego oprogramowania ES i mógł być zastosowany do dowolnego oprogramowania ES w celu oceny odkształcalności materiału podczas formowania, bez skomplikowanych podprogramów ¹⁷. Importując odpowiednie dane do modelu, można było przeprowadzić obliczenia w celu określenia, czy wystąpi awaria, w regionach komponentu, które użytkownik mógł określić, oszczędzając zasoby obliczeniowe. Należy jednak zauważyć, że ponieważ krzywe naprężenie-odkształcenie są wprowadzane do oprogramowania ES za pomocą prostej tabeli przeglądowej, pełne odwzorowanie właściwości materiału w różnych temperaturach i prędkościach odkształcania podczas symulacji może być trudne.

W module przewidywania trwałości narzędzia można przewidzieć zachowanie tarcia podczas formowania, importując wymagane dane historii odkształceń do zweryfikowanego modułu tarcia ²⁰, a następnie importując dyskretne punkty danych obliczone przez moduł chmury dla każdego elementu z powrotem do oprogramowania ES. Gwarantuje to, że zaawansowany moduł tarcia może być używany przez wszystkie kody ES, niezależnie od ich zdolności do włączania podprogramów użytkownika. Dodatkowo moduł może być uruchamiany równolegle, aby jeszcze bardziej skrócić czas obliczeń. Interaktywny model tarcia/zużycia zakładał brak cząstek zużycia podczas początkowego ślizgu, w wyniku czego uzasadnione byłoby oczekiwanie stałej początkowej wartości współczynnika tarcia 0,17 ²⁰. Chociaż model ten ujawnił ewolucję rozkładu tarcia, zachowanie tarcia podczas procesu formowania jest bardzo skomplikowane i trudno jest całkowicie zintegrować złożone zachowanie tarcia z modułu chmury z symulacją ES.

Jako technologia przyszłości, symulacja KBC-FE będzie opierać się na rozwoju dedykowanych i solidnych pakietów oprogramowania do symulacji MES opartych na Internecie, co wymagałoby bardzo opłacalnego, ale zupełnie innego modelu biznesowego do ustalenia przez twórców oprogramowania. Ponadto w ramach współpracujących stron należy zbudować dedykowaną sieć wewnętrzną, aby zapewnić bezpieczeństwo danych i niezawodność sterowania systemem przemysłowym.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AA6082-T6	AMAG		Materiał
AA5754-H111	AMAG		Materiał
1,000 kN prasa szybkobieżna	ESH		Prasa formująca
ARGUS	GOM		Optyczna analiza formowania
PAM-STAMP 2015	Oprogramowanie symulacyjne	ESI
Matlab	MathWorks		Numeryczne oprogramowanie obliczeniowe
Gleeble 3800	DSI		Jednoosiowa próba rozciągania
Tribometr wysokotemperaturowy (THT)	Anton Paar		Test właściwości tarcia
NewViewTM 7100	ZYGO		Profilometr powierzchniowy
		rozpylania magnetronowego	Osadzanie powłok
Tester mikrotwardości	Wolpert Wilson Instruments
Nano-twardość	Mts