Лекция №2 Методы исследования и оптимизации технологических процессов механической обработки

Теоретические вопросы:

2.1. Метод конечных элементов как основа исследования технологических процессов

2.2 Структура САПР ТП

2.3 Особенности постановки задач обработки металлов резанием с применением метода конечных элементов

Метод конечных элементов как основа исследования технологических процессов

Сегодня в современном виртуальном производстве (при исследовании и оптимизации технологических процессов на этапе конструкторско-технологической подготовки) применяют методы нелинейного конечно-элементного анализа (FEA) для получения детальной информации о продукте, которая далее используется для оптимизации таких факторов, как технологичность изготовления, конечная форма, уровни остаточных напряжений и срок службы изделия. Существует три основных типа нелинейностей:

- материальные – пластичность, ползучесть, вязкоупругость;

- геометрические – большие деформации или растяжения, резкие изгибы;

- граничные – контакты, трение, щели, дополнительные силы.

Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (например, параллелепипедов). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы быстро рассчитывается на основе математических уравнений.

Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение целого объекта. Материал и структурные свойства ячейки определяют, как деталь реагирует на определенные нагрузки. По существу, FEA является численным методом решения различных инженерных задач, таких как анализ напряжений, теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей.

Анализ FEA родился и вырос в автомобильной и аэрокосмической промышленности, однако, далее распространился на все другие сектора индустрии: производство медицинских инструментов, изделий из пластмасс, часов и др. FEA в результате обеспечивает компьютерную имитацию (моделирование) целых процессов, в которых создается и испытывается физический образец, который далее модифицируется и повторно испытывается до тех пор, пока не будет создана приемлемая конструкция. Материал и структурные свойства ячейки определяют, как деталь реагирует на определенные нагрузки. По существу, FEA является численным методом решения различных инженерных задач, таких как анализ напряжений, теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей.

FEA в результате обеспечивает компьютерную имитацию (моделирование) целых процессов, в которых создается и испытывается физический образец, который далее модифицируется и повторно испытывается до тех пор, пока не будет создана приемлемая конструкция. Тем не менее, FEA не означает замены испытаний образцов, а дополняет их.

Первые системы могли решать только двумерные задачи для осесимметричных поковок, что позволяло использовать относительно простые расчетные алгоритмы и свести время расчетов к более-менее приемлемым величинам. 2D-системы также позволяют моделировать процессы плоской деформации.

Структура САПР ТП

Техническое обеспечение современных систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) (рис. 5) обеспечивают персональные компьютеры (ПК) (мощностей современных ПК вполне достаточно), струйные принтеры формата А0, лазерные принтеры формата А4, которые входят в состав автоматизированных рабочих мест (АРМ).

Рис. №5. Структурная схема систем САПР ТП

Методическую базу САПР ТП составляют математические и эвристические модели процессов технологического проектирования и конструирования, методы принятия рациональных и оптимальных проектных решений, способы кодирования и математического описания объектов проектирования. Технологическая документация представляется в текстовой и графической форме: маршрутные и операционные технологические карты, которые содержат результаты технологического проектирования. Наибольшую эффективность подготовки конструкторской документации обеспечивают системы интерактивного взаимодействия проектировщика и ЭВМ.

Одним из основных принципов, на которых строится структура программного обеспечения, является принцип совместимости подгрупп программных модулей, реализующих либо модельное представление компонент объектов проектирования, либо формализуемые проектные процедуры. Такие программы имеют в своем составе: монитор системы, подсистему геометрического моделирования и базу данных, которые вместе образуют препроцессор системы (рис. 36). Ядро системы основано на конечно-элементной термомеханической модели процесса и автоматическим генератором сеток.

Графический постпроцессор обеспечивает анализ формоизменения металла в течение всего процесса деформирования металла в инструменте, включая:

1) конечно-элементную сетку;

2) векторное поле течение металла;

3) поля изолиний скоростей, напряжений, деформаций, скоростей деформаций и температуры в заготовке;

4) распределение контактных давлений на поверхности инструмента;

5) графики усилия, работы и мощности деформации;

6) вмороженную лагранжеву сетку;

7) геометрические размеры поковки.

Конечно-элементные алгоритмы решения исходной системы уравнений САПР технологических процессов включают в себя следующие этапы:

1) дискретизацию системы уравнений вязко-пластического течения металла;

2) дискретизацию уравнений теплопроводности;

3) автоматическую генерацию сетки конечных элементов;

4) аппроксимацию реологических свойств материала.

В САПР ТП обычно выделяют три части, или подсистемы: формирования входной информации; проектирования—пакеты прикладных и управляющих программ; формирования выходной информации. Идентичные элементы систем САПР в зарубежной литературе имеют следующую аббревиатуру:

- подсистема формирования входной информации — PREPROCESSOR;

- подсистема проектирования;

- подсистема формирования выходной информации — POSTPROCESSOR.

Сердцевиной, центральной частью современных САПР является ее ядро (SIMULATOR).