Témata
Reklama

Počítačová simulace tváření plechů

V technologii tváření plechů lisováním je dnes počítačová simulace stejně důležitá jako samotný lis.

Podíváme-li se na vývojový trend v konstruování obecně, je jasně vidět, že celá konstrukce a tudíž i její díly musí splňovat vysoký stupeň tuhosti při minimální hmotnosti. V tomto článku se zaměříme na technologii tváření, pro kterou z výše uvedené podmínky vyplývají následující problémy: geometrie dílů bude tvarově složitější (četné prolisy s velmi malými rádiusy) a materiály pro díly budou vybírány z řad vysokopevnostních ocelí nebo hliníku.
Reklama
Reklama

Software pro počítačovou simulaci

V automobilovém průmyslu se neustále zvyšuje důraz na bezpečnost osob v automobilu při obecném typu nárazu. V případě stavby karoserie musí být konstrukce tuhá a lehká. Lisované díly, ze kterých je složena, musí mít vysokou tuhost, které se dosáhne vysokým, ale zároveň optimálním stupněm protváření, při němž dochází k materiálovému zpevňování. Svarové spoje spojující díly nebo svarové spoje svařovaných přístřihů musí splňovat přísné požadavky na tuhost a životnost konstrukce. Novým trendem výrobců automobilů je požadavek počítačově simulovat chování (konkrétně nárazy) automobilu s uvažováním všech změn fyzikálních vlastností jednotlivých dílů a jejich spojů vzniklých při technologických procesech výroby. Důvodem je především snížení množství fyzikálních prototypů a testů, které jsou časově, materiálově, a tedy i cenově velmi náročné.
Programátoři společnosti ESI group vyvinuli softwarový balík PAM, který řeší problematiku založenou na filozofii přenosu informací o změnách fyzikálních vlastností mezi jednotlivými moduly numerické simulace technologických procesů (virtual manufacturing), až po simulaci samotného výrobku - automobilu, letadla, raketoplánu, lodě nebo mobilního telefonu (virtual prototyping). Celý balík PAM je založen na stavebnicovém principu, kdy jednotlivé moduly pracují samostatně, mohou se libovolně rozšiřovat a přenášet si mezi sebou informace v jednotném grafickém uživatelském prostředí na platformě operačních systémů UNIX, Windows NT a Windows 2000. V oblasti technologie tváření plechů se jedná o programové moduly PAM-Stamp (Unix/WinNT), PAM-QuikStamp Inverse (Unix/WinNT), PAM-DieMaker/Viking (Unix/WinNT), PAM-QuikStamp Direct (Unix/WinNT), o kterých se dále stručně zmíníme.

Přesnost a rychlost počítačové simulace

Tvarová složitost geometrie dílů a materiály z řad vysokopevnostních ocelí nebo hliníku (s větší tloušťkou plechu přístřihu) vyžadují dostatečnou přesnost a rychlost numerické simulace. Ve výpočtových simulacích procesů plošného tváření se využívá numerická metoda konečných prvků, v níž je lisovaná součást v prostoru popsána trojúhelníkovými nebo čtyřúhelníkovými skořepinovými prvky. K ověření lisovatelnosti se používají rychlé jednokrokové, vícekrokové a inverzní řešiče, které řeší výpočty energetických pohybových rovnic implicitní numerickou metodou (PAM QuikStamp Direct a Inverse). Získání výsledků řešením implicitní numerickou metodou je možné řádově v minutách.
Precizní realistické řešení poskytují řešiče používající explicitní numerickou metodu pro řešení energetických pohybových rovnic (PAM-Stamp). Výsledky explicitní numerickou metodou lze získat řádově v hodinách. Avšak při použití optimalizace některých parametrů okrajových podmínek, jako je počet úrovní adaptivního síťování se zjemňováním konečnoprvkové sítě přístřihu v průběhu simulace či nastavení výkonných algoritmů pro generování adaptivního síťování se dostaneme na časy řádově desítek minut. U explicitní metody platí vztah, že čím menší je nejmenší element sítě, tím probíhá výpočet s menším časovým krokem, což je podmínkou stability řešení, a tím se prodlužuje doba výpočtu.
Z lisařské praxe je známo, že naprostá většina problematických dílů, které se nechávají numerickou simulací ověřit, nesplňuje podmínky zjednodušeného modelu tenké skořepiny s membránovým stavem napjatosti a v těchto případech je třeba uvažovat s působením ohybové a krutové složky napjatosti (viz obrázek).
Pro zjednodušený model tenké skořepiny s membránovým stavem napjatosti platí, že tloušťka t, poloměry křivosti R a polohy středů křivosti se nemění náhle, přičemž R/2 > , zatížení modelu se nesmí měnit náhle a uložení skořepiny musí být staticky určité. Membránového modelu skořepiny se používá jen u některých programů sloužících k přibližnému orientačně-iteračnímu zjištění stavu potenciálu deformačních energií ověřované geometrie. Výsledky této analýzy slouží jako vodítko pro návrh technologických ploch. Protože u většiny dílů není splněna výše uvedená podmínka tenké skořepiny s membránovým stavem napjatosti, nelze programy používající zjednodušený model k simulaci tvarově složitých dílů použít a v případě, že se pro tyto díly použije, nejsou výsledky simulace realistické a zcela zásadně se rozcházejí s výsledky precizních řešičů, jako je např. PAM-Stamp, a neodpovídají fyzicky vylisovanému dílu.
Právě pro potřeby rychlé, ale přesné simulace ověřující navržené technologické plochy výlisku byla v dubnu 2001 uvedena na trh nová verze programových modulů PAM-QuikStamp Direct a PAM-QuikStamp Inverse 2000.1, které uvažují ve výpočtech s působením tahových, ohybových a krutových napjatostních složek. Na základě výsledků numerických simulací se provádí optimalizace tvaru dílu, lisovacího nářadí i samotného procesu lisování.

PAM-QuikStamp Inverse

Programový modul PAM-QuikStamp s inverzním řešičem je software určený k numerické simulaci tažení - odhadu lisovatelnosti. Výchozím bodem při výpočtové simulaci inverzním přístupem je model výlisku, aproximovaný konečnými prvky. Při řešení se využívá nelineárního iteračního postupu, který vyhledává polohu každého uzlu výpočtové sítě výlisku v průmětu do plochy přidržovače, přičemž se vypočítávají deformace a napětí v každém prvku a v úvahu se bere kontakt přístřihu s nástroji. Algoritmus řešiče pracuje jednokrokově (one-step) a s předpokladem lineárního nárůstu plastické deformace v deformační historii materiálu přístřihu plechu. Model materiálového chování využívá deformační zpevňování a normálovou anizotropii s Hillovou podmínkou plasticity (Hill 1948).
Vedle základní kontroly lisovatelnosti vlastního dílu lze tento software využít i v prvních fázích vývoje lisovacího nářadí, kdy je geometrie CAD modelu dílu obohacena o technologické plochy a plochu přidržovače. Výhodou inverzního řešiče programového modulu PAM-QuikStamp je jeho schopnost pracovat s ostrohranným a nezaobleným modelem, v němž uživatel určí hrany, na nichž má být před vlastním výpočtem zhotoveno zaoblení. Na základě provedené optimalizace zaoblení se pak dohotovuje CAD model výlisku.
Další využití inverzního řešiče je odhad střižné kontury výlisku - v první fázi řešení je stanoven rozvinutý tvar, který na rozdíl od CAD programů zohledňuje deformační chování plechu při lisování.

PAM-DieMaker/Viking

Programový modul PAM-DieMaker/Viking je specializovaný CAE software pro podporu tvorby technologických ploch lisovacího nářadí v technice hlubokého tažení nejen karosářských výlisků. Svým přístupem (import CAD formátů IGES a VDA, konečnoprvková síť PamStamp, NASTRAN) navazuje na CAE model technického tvaru výlisku. Na základě uživatelem zadaných parametrů během několika málo minut vytvoří CAE model lisovacího nářadí, který slouží pro rychlé ověření koncepce konstrukce lisovacího přípravku programy PAM-QuikStamp Direct nebo PAM-Stamp. CAE model nářadí lze interaktivně měnit výkonnými vizuálně-parametrickými metodami návrhu. Výsledná geometrie nástroje je následně exportována jako soubor povrchů v CAD formátech VDA a IGES nebo jako konečnoprvkový model ve formátech PamStamp (je to totéž, nebo ne?) (.ps) nebo NASTRAN (.nas).

PAM-QuikStamp Direct

Programový modul PAM-QuikStamp s přímým řešičem je software pro simulaci hlubokého tažení. Navazuje na CAD model tažnice, který je vestavěným automatickým generátorem výpočtové sítě převeden v CAE model. Grafický pre-procesor programu PAM-QuikStamp pak umožní automaticky vytvořit výpočtovou síť přístřihu. Časově integrační schéma řešení rovnice rovnováhy vnitřních a vnějších sil v průběhu procesu využívá implicitní formulaci metody konečných prvků, v němž je v několika krocích řešeno rozložení napětí a deformace, přičemž se zohledňuje kontakt mezi tažnicí a přístřihem a kontakty přístřihu s tažníkem, resp. dolním přidržovačem. Výpočtové mezistavy zjednodušeně kopírují deformační historii přístřihu a jeho chování během tažení. Popis materiálového chování zohledňuje deformační zpevnění s Hillovou formulací podmínky plasticity (Hill 1948) a normálovou anizotropii plechu.

PAM-Stamp

Programový modul PAM-Stamp je specializovaný CAE software pro simulaci plošného tváření technologiemi hlubokého tažení, ohýbání, lisování do pryže (flexformingu), hydroformingu plechů i trubek, atd. Navazuje na CAD model nástrojů, který je automatickým generátorem převeden ve výpočtovou síť CAE modelu. Výpočtová síť přístřihu plechu je generována v prostředí grafického pre-procesoru spolu s potřebnými okrajovými, kontaktními a zatěžujícími podmínkami řešení. Časově integrační schéma řešení pohybové rovnice rovnováhy vnitřních a vnějších sil využívá explicitní formulace metody konečných prvků. Při řešení je plně uvažováno s nelineární deformační historií přístřihu plechu. Popis materiálového chování je založen na Hillově formulaci podmínky plasticity (Hill 1948) se směrově závislou anizotropií plechu. Pro tváření hliníku je možné alternativně zvolit nekvadratickou podmínku plasticity (Hill 1990). Deformační zpevňování materiálu plechu může být doplněno o citlivost na deformační rychlost.
V důsledku znalosti deformační historie umožňuje PAM-Stamp zahrnout do výpočtu kritéria porušování soudržnosti materiálu plechu v průběhu tažení (lokální překročení hraniční plastické deformace, ztenčení, překročení křivky mezních deformací) s přímou vizualizací zvlnění přístřihu plechu v průběhu zavíraní přidržovače a tažení. Výpočtová simulace tažení v pevných nástrojích velkých přístřihů zpravidla začíná výpočtem deformace vlastní tíhou přístřihu. Po výpočtu jsou výsledky přeneseny do simulace prvního tahu. Výsledky prvního tahu se přenášejí do následující operace, kde se tak zohlední ztenčení plechu i deformačně napěťový stav výlisku na počátku druhého tahu. Po tažení zpravidla následuje ostřižení a po něm simulace odpružení. Pro svou obecnou formulaci lze program PAM-Stamp použít pro výpočty simulací libovolné výrobní technologie plošného tváření.

PAM-Form

Programový modul PAM-Form je specializovaný CAE software pro výpočtovou analýzu a optimalizaci procesů formování plastů, kobercovin a kompozitů technologiemi lisování za tepla, lisováním technikou dry-fabric, drapováním, membránovým tvářením, vyfukováním, extruzním vyfukováním apod. Výpočtová simulace navazuje na CAD model nástrojů, který je nejprve převeden ve výpočtovou síť CAE modelu. Výpočtová síť přístřihu je generována v prostředí grafického pre-procesoru spolu s potřebnými okrajovými, kontaktními a zatěžujícími podmínkami řešení. Materiál výlisku může být modelován jako anizotropní s využitím Hillovy podmínky plasticity, jako nelineární viskoelastický maxwellovský, modelem G'Sell, hyperelastickým Ogdenovým modelem nebo termoviskoelastickým modelem kompozitů.

§§§

CAE výpočtová podpora procesů plošného tváření již slouží celé řadě lisoven, kde napomáhá jak ke snižování nákladů na přípravu výroby, tak ke zvyšování odbornosti technických pracovníků. Programové moduly PAM-QuikStamp, PAM-DieMaker/Viking, PAM-Stamp a PAM-Form jsou nasazovány v přípravě výroby lisovaných součástí předními světovými automobilkami (Audi, BMW, Fordem, VW a řadou dalších) i jejich dodavateli. V České republice je autorizovaným distributorem těchto produktů společnost Mecas, s. r. o., a využívá je a. s. Škoda Auto i další firmy pracující v oblasti tváření plechů.
Rudolf Petrmichl
Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 10723
Datum: 11. 07. 2001
Rubrika: Trendy / Knihy
Autor:
Firmy
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Velmi rychlá dvojčata

SolidCAM a InventorCAM jsou jeden a tentýž CAM program integrovaný v různých CADech (SolidWorks a Autodesk Inventor), proto má smysl mluvit o obou najednou. Neliší se funkčně totiž opravdu vůbec, pouze je uživatel ovládá ve svém oblíbeném CADu.

Vývoj v oblasti 3D tisku z kovu pokračuje

Již téměř před rokem představila společnost Kovosvit MAS v rámci tradičních zákaznických dnů stroj WeldPrint5X. Na zářijovém strojírenském veletrhu v Brně byla novinka, která kombinuje plnohodnotnou generickou technologii (navařování kovu) a plnohodnotnou subtraktivní technologii pomocí frézování až v pěti osách, oceněna Zlatou medailí. „Ocenění ještě zvýšilo motivaci celého týmu, který na vývoji technologie pracuje,“ říká Petr Heinrich, technický ředitel Kovosvitu MAS. A prozradil, že firma chystá další novinky v oblasti 3D tisku z kovu.

Související články
Silná geometrie s měkkým řezem

Existují prezentace produktů, které je potřeba přečíst si několikrát, než je člověk pochopí. Tato prezentace k nim ovšem nepatří. S-Cut SC-UNI je fréza, jejíž funkční princip lze přes její unikátní provedení, nebo právě proto, velmi snadno vysvětlit. Její břity ve tvaru S a extrémně nestejné dělení potlačující chvění vyvolané procesem obrábění vytvářejí z této frézy vysoce kvalitní nástroj, který v rámci veškerých srovnávacích testů poráží porovnávané frézy.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Průkopnické řezání laserem

Existují dvě možnosti vytvoření řezného plánu pro řezání laserem. První z nich je konvenční naprogramování řezného plánu. U tohoto postupu však uživatelé plýtvají časem i surovinou. Švýcarská firma AL-Cut si zvolila druhou možnost: aplikaci ByOptimizer.

Zvýšení hodnoty díky softwaru

Vybavit se tím správným softwarem se vyplatí, jelikož zvýší produktivitu i zisk společnosti. Tady je důkaz.

Automatická analýza jakosti výlisků

S rozvojem hromadné výroby karoserií automobilů má toto téma stále narůstající význam. Optická 3D - měřicí technika v posledních deseti letech doznala v lisařině stále většího použití.

Pomocník pro plánování výroby

Většina lidí dnes ví, že žádná firma, která chce být konkurenceschopná, neobejde bez kvalitního ERP. Díky němu lze především řídit procesy, a to doslova všechny. Ne každý si však uvědomuje, jak velké mohou být rozdíly mezi systémy pro jednotlivé oblasti podnikání. Asi nejsofistikovanější ERP najdeme bezesporu ve výrobních firmách.

Virtuálně na veletrh

Svět se nám doslova před očima přelévá do online prostoru. To, že se na internet přesune mnoho služeb a komodit bylo jasné už od rozšíření a zvýšení dostupnosti internetu široké veřejnosti. Letošní pandemická situace však tento přerod ještě více umocnila. Ostatně i v průmyslu nás již několik posledních let doprovázejí hesla jako Internet věcí, digitalizace, big data, cloud apod. Oblíbené semináře a konference dostaly virtuální podobu a koncem listopadu si také 17 vystavovatelů a okolo 300 návštěvníků vyzkoušelo první virtuální odborné B2B setkání s názvem Výroba forem 2020.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů (2. část)

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

MSV představí svět budoucnosti

Mezinárodní strojírenský veletrh vstupuje do svého již 61. ročníku. Během let se z něj stal nejrenomovanější oborový veletrh. Je tedy jasné, že řídit jej tak, aby renomé neztratil, není nic snadného a vyžaduje to člověka nejen schopného, ale i zkušeného. Současný ředitel, Ing. Michalis Busios, bezesporu splňuje obojí. Dokladem je skutečnost, že pro veletrh úspěšně pracuje již od roku 2008.

Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Opřít se o silného partnera

V dnešní době hospodářského růstu mnoho firem přemýšlí o rozšíření výroby. To se však neobejde bez úvah o tom, kde získat prostředky na nové stroje a zařízení. Řešení má jméno SGEF.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit