Opracował: mgr inż. Paweł K. Temat: Komputerowa symulacja procesu wytłaczania w programie ANSYS LS-DYNA 1. Uruchamianie programu Po uruchomieniu ANSYS Product Launcher należy wybrać z pola License ANSYS Multiphysics/LS-DYNA (Rys. 1.1) następnie wpisać nazwę katalogu roboczego w oknie Working Directory i nazwę pliku w oknie Job Name. Rys. 1.1 Uruchomienie programu W zakładce Customiazation/Preferences ponadto trzeba wybrać opcję 3D w polu, Graphics Device Name (Rys. 1.2). Rys. 1.2 Wybór symulacji 3D 1
2. Wprowadzanie ustawień początkowych W menu Preferences należy wybrać opcję Structural i LS-DYNA Explicit (Rys. 2.1). Rys. 2.1 Ustalenie typu obliczeń 3. Wybór typów elementów Typ elementów wybiera się w menu Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete. Za pomocą przycisku Add należy wybrać trzy elementy typu 3D Solid 164 (Rys. 3.1). Rys. 3.1 Ustalenie typu elementów 2
4. Wybór modelu materiałowego 4.1 Materiał matrycy Materiał wybiera się w menu Preprocessor>Material Props>Material Models. Numer 1 materiału będzie przypisany do matrycy. Założono, że jest ona nieodkształcalna, dlatego 3 wybrać należy materiał typu Rigid (Rys. 4.1). Gęstość materiału wynosi 7800[ kg / m ], Moduł Younga 2.1e11 Pa, a liczba Poissona 0.29. Matrycy ponadto odebrano wszystkie stopnie swobody. Rys. 4.1 Wybór materiału matrycy 4.2 Materiał krążka Ze względu na to, że krążek będzie odkształcany plastycznie należało dla niego wybrać materiał sprężysto-plastyczny. W menu Material należało wybrać New model, a następnie model materiału Bilinear Isotropic (Rys. 4.2). Jest to materiał dwuliniowy, czyli 3 liniowy sprężyście i liniowy plastycznie. Gęstość materiału wynosi 7800[ kg / m ], Moduł Younga 2.1e11 Pa, liczba Poissona 0.29. Ponadto należało dobrać granicę plastyczności 210e6 Pa i moduł umocnienia 1250e6 Pa. 3
Rys. 4.2 Wybór materiału krążka 4.3 Materiał stempla Dla stempla należało wybrać identyczny materiał jak dla matrycy (Rys. 4.3). Należało także odebrać wszystkie rotacje i przemieszczenia po osi Z i X. Rys. 4.3 Wybór materiału stempla 4
5. Rysowanie obiektów 5.1 Tworzenie powierzchni matrycy W celu stworzenia matrycy najpierw należy narysować punkty (Rys. 5.1). Wykonuje się to w menu Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>On working Plane. Należy kolejno wprowadzać punkty zatwierdzając Apply: -0.021, 0 ; -0.055, 0 ; -0.055, 0.04 ; -0.021, 0.04. Rys. 5.1 Rysowanie punktów Gotowe punkty należy połączyć w linie po obwodzie. Wykonuje się to w menu Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line (Rys. 5.2). Rys. 5.2 Łączenie punktów 5
W celu stworzenia zaokrąglenia krawędzi roboczej matrycy należało wybrać z menu Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Line Fillet i następnie dwie linie, między którymi ma zostać stworzone zaokrąglenie i zatwierdzić OK (Rys. 5.3). Rys. 5.3 Zaokrąglenie krawędzi Wielkość promienia zaokrąglenia wynosiła 18 mm (Rys. 5.4). Rys. 5.4 Wielkość promienia Kolejnym etapem było utworzenie powierzchni z linii. Wykonuje się to z menu Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>By Lines. Należy tylko wybrać wszystkie linie matrycy i zatwierdzić OK. 5.2 Tworzenie powierzchni krążka Identycznie jak w przypadku matrycy najpierw trzeba utworzyć punkty: 0, 0.04 ; -0.035, 0.04 ; -0.035, 0.042 ; 0, 0.042. Następnie połączyć je w linie i kolejno utworzyć powierzchnię. Przez to, że promień zaokrąglenia matrycy wynosi 18 mm krążek znajduje się od niej w pewnej odległości. Można ją dosunąć poprzez komendę Preprocessor> Modeling>Move/Modify>Areas>Areas. Trzeba wybrać krążek i zatwierdzić OK. Następnie podać przesunięcie po osi Y równe -0.00045007 (Rys. 5.5). 6
Rys. 5.5 Długość przesunięcia 5.3 Tworzenie powierzchni stempla Identycznie jak w poprzednich przypadkach najpierw trzeba utworzyć punkty: 0, 0.042 ; -0.01835, 0.042 ; -0.01835, 0.082 ; 0, 0.082. Następnie połączyć je w linie i utworzyć zaokrąglenie o promieniu 10 mm (Rys. 5.6). Na końcu trzeba utworzyć powierzchnię z wszystkich linii stempla. Rys. 5.6 Utworzenie promienia stempla 5.4 Tworzenie objętości z powierzchni Aby utworzyć objętości z powierzchni należy stworzyć oś obrotu. Dlatego najpierw rysuje się dwa punkty o współrzędnych: 0, 0 oraz 0, 0.02. Z tych punktów tworzy się linię. Mając oś obrotu wybiera się z menu Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>About Axis. Należy zaznaczyć wszystkie powierzchnie i zatwierdzić OK (Rys. 5.7). 7
Rys. 5.7 Utworzenie objętości Następnie trzeba wybrać najpierw dolny punkt linii obrotu a następnie górny i zatwierdzić OK. Jako kąt obrotu przyjąć -90 stopni, czyli jedna ćwiartka (Rys. 5.8). Rys. 5.8 Ustalenie kąta obrotu 6. Podział na elementy skończone 6.1 Podział matrycy Należy wybrać opcję z menu Preprocessor>Meshing>Mesh Tool. Następnie przyciskiem Set otworzyć następne okno z wyborem numeru typu elementu i numeru materiału. Matryca ma numer 1 dlatego taki trzeba wybrać i zatwierdzić OK (Rys. 6.1). Można jeszcze ustawić gęstość siatki za pomocą opcji Smart Size, w tym przypadku przyjęto jakość 6 ze względu na szybkość obliczeń. Ostatnim etapem jest wciśnięcie przycisku Mesh i wybranie matrycy. 8
Rys. 6.1 Podział matrycy na elementy skończone W celu zwiększenia dokładności obliczeń zagęszczono siatkę na powierzchniach roboczych. Wykonuje się to z menu Preprocessor>Meshing>Modify Mesh>Refine At>Areas (Rys. 6.2). Następnie wybrano 2 stopień zagęszczenia i zatwierdzono OK. 9
Rys. 6.2 Zagęszczenie powierzchni roboczych matrycy 6.2 Podział krążka Podział krążka przeprowadzono w podobny sposób jak matrycę. Należało za pomocą przycisku Set ustawić materiał i typ elementu na numer 2 i wyłączyć opcję Smart Size (Rys. 6.3). Przez to, że krążek ma być podzielony elementami regularnymi trzeba wybrać opcję Hex i następnie Mapped. Na końcu wystarczy wcisnąć przycisk Mesh i wybrać krążek. 10
Rys. 6.3 Podział krążka na elementy skończone 6.3 Podział stempla Stempel podzielono w identyczny sposób jak matrycę. Trzeba było tylko przełączyć typ elementu i materiału na numer 3 za pomocą opcji Set (Rys. 6.4). Włączono ponownie opcję Smart Size i wybrano kształt elementu tetragonalny opcją Tet. Teraz wystarczyło wcisnąć przycisk Mesh i wybrać do podziału stempel. 11
Rys. 6.4 Podział stempla na elementy skończone W celu zwiększenia dokładności obliczeń zagęszczono siatkę na powierzchniach roboczych. Wykonuje się to z menu Preprocessor>Meshing>Modify Mesh>Refine At>Areas (Rys. 6.5). Następnie wybrano 1 stopień zagęszczenia i zatwierdzono OK. Rys. 6.5 Zagęszczenie powierzchni roboczych stempla 12
7. Tworzenie kontaktu W celu utworzenia kontaktu należy wpierw wybrać opcję z menu Preprocessor>LS- DYNA Options>Parts Options, czyli utworzenie części (Rys. 7.1) i zatwierdzić OK. Następnie zostanie wyświetlone okno informacyjne o ilości elementów skończonych przypadających na każdą z części, okno to można zamknąć. Rys. 7.1 Utworzenie części Teraz można utworzyć kontakt pomiędzy istniejącymi częściami. Wykonuje się to w menu Preprocessor>LS-DYNA Options>Contact>Define Contact. W tym przypadku utworzono kontakt typu Automatic Surface to Surface. Przyjęto statyczny współczynnik tarcia 0.1 oraz dynamiczny 0.05 i zatwierdzono OK. (Rys. 7.2). Rys. 7.2 Utworzenie kontaktu 13
Najpierw utworzono kontakt pomiędzy matrycą nr 1 i krążkiem nr 2 zatwierdzając Apply (Rys. 7.3). Następnie pomiędzy stemplem nr 3 i krążkiem nr 2 zatwierdzając OK. Trzeba pamiętać, że tylko krążek jest obiektem odkształcalnym, dlatego on, czyli nr 2 musi być Targetem. Rys. 7.3 Wybór celu kontaktu 8. Definiowanie parametrów Parametry definiuje się wybierając na pasku Parameters>Array Parameters>Define/Edit (Rys. 8.1). Rys. 8.1 Wybór menu definiowania paremetrów Następnie przyciskiem Add należy dodać parametr z nazwą czas i zatwierdzić Apply (Rys. 8.2). Jako drugi parametr przyjąć parametr o nazwie przemieszczenie. 14
Rys. 8.2 Definiowanie czasu Teraz za pomocą przycisku Edit należy zdefiniować wartości parametrów (Rys. 8.3). Wartość pierwsza czasu wynosi 0 druga natomiast 0.01 zatwierdza się to opcją Apply/Quit. W podobny sposób należy zdefiniować przemieszczenie, jako wartość początkową przyjąć 0 jako końcową -0.05. Rys. 8.3 Ustalenie wartości Ostatnim etapem związanym z parametrami było ich przypisanie do odpowiednich części. Wykonuje się to w menu Preprocessor>LS-DYNA Options>Loading Options>Specify Options (Rys. 8.4). W pierwszej kolejności wybrano typ danej, czyli przesuw po osi Y ciała Rigid, którym jest stempel (RBUY). W opcji Component jest to część o numerze 3. Jako parametr czasowy wybrano zmienną czas, jako parametr danej przemieszczenie i zatwierdzono OK. 15
Rys. 8.4 Przypisanie danych 9. Mocowanie krążka Ze względu na to, że zastosowano ćwiartkę wszystkich obiektów należy zamocować krążek po bocznych powierzchniach, aby nie uciekł z matrycy podczas wytłaczania. Zamocowanie wykonuje się w menu Preprocessor>LS-DYNA Options>Constraints>Apply>On Areas. Następnie należy wybrać powierzchnię boczną krążka prostopadłą do osi Z i zatwierdzić OK (Rys. 9.1). 16
Rys. 9.1 Mocowanie po osi Z wybór powierzchni Teraz trzeba wybrać przemieszczenia po osi Z i jako wartość wpisać 0 i zatwierdzić OK (Rys. 9.2). Rys. 9.2 Mocowanie po osi Z W podobny sposób należy zamocować drugi bok krążka po osi X. 17
10. Ustalenie całkowitego czasu symulacji Całkowity czas symulacji ustawia się w menu Solution>Time Controls>Solution Time. W tym przypadku przyjęto, że czas całkowity symulacji wynosił tyle samo ile czas opuszczania stempla, czyli 0.01 s (Rys. 10.1) i zatwierdzono OK. Rys. 10.1 Ustalenie czasu obliczeń 11. Włączenie obliczeń Po ustaleniu wszystkich parametrów można przejść do rozwiązania problemu. Znajduje się ta opcja w menu Solution>Solve (Rys. 11.1). Dla wygody można zamknąć okno informacyjne i potwierdzić obliczenia OK. 18
Rys. 11.1 Włączenie obliczeń 12. Odczyt wyników Wyniki odczytuje się w menu General Postproc>Read Results>By Pick. Jest tutaj możliwość odczytania wyników z każdego kroku. Przykładowo odczytano wyniki z kroku 23 (Rys. 12.1) poprzez wybranie numeru kroku i zatwierdzeniu Read. Rys. 12.1 Odczyt wyniku 19
W celu wyświetlenia wyników z węzłów należy wybrać General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu. Z menu wybrać przykładowo Stress>Stress intensity. Należy pamiętać o wybraniu opcji True Scale, czyli przemieszczenia bez skalowania (Rys. 12.2). Rys. 12.2 Wyświetlanie wyników 13. Pełna lista poleceń!parametry początkowe /NOPR /PMETH,OFF,0 KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,1 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,0 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,0 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 KEYW,LSDYNA,1 /GO /COM, /COM,Preferences for GUI filtering have been set to display: /COM, Structural with LS-DYNA Explicit!typ elementu /PREP7 ET,1,SOLID164 ET,2,SOLID164 ET,3,SOLID164!materiały!matryca EDMP,RIGI,1,7,7 MP,DENS,1,7800 MP,EX,1,2.1e11 MP,NUXY,1,0.29!krążek MP,DENS,2,7800 MP,EX,2,2.1e11 MP,NUXY,2,0.29 TB,BISO,2,,,, TBDAT,1,210e6 TBDAT,2,1250e6!stempel EDMP,RIGI,3,6,7 MP,DENS,3,7800 20
MP,EX,3,2.1e11 MP,NUXY,3,0.29!rysowanie obiektów!punkty matrycy FLST,3,4,8 FITEM,3,-0.21E-01,0,0 FITEM,3,-0.55E-01,0,0 FITEM,3,-0.55E-01,0.4E-01,0 FITEM,3,-0.21E-01,0.4E-01,0 K,,P51X!tworzenie linii LSTR, 3, 4 LSTR, 4, 1 LSTR, 1, 2 LSTR, 2, 3!zaokrąglenie LFILLT,1,2,0.018,,!pole matrycy FLST,2,5,4 FITEM,2,1 FITEM,2,4 FITEM,2,5 FITEM,2,3 FITEM,2,2 AL,P51X!punkty krążka FLST,3,1,8 FITEM,3,0,0.4E-01,0 K,,P51X FLST,3,1,8 FITEM,3,-0.35E-01,0.4E-01,0 K,,P51X FLST,3,1,8 FITEM,3,-0.35E-01,0.42E-01,0 K,,P51X FLST,3,1,8 FITEM,3,0,0.42E-01,0 K,,P51X!linie krążka LSTR, 7, 8 LSTR, 8, 9 LSTR, 9, 10 LSTR, 10, 7!pole krążka FLST,2,4,4 FITEM,2,6 FITEM,2,8 FITEM,2,7 FITEM,2,9 AL,P51X!przesunięcie krążka FLST,3,1,5,ORDE,1 FITEM,3,2 AGEN,,P51X,,,,-0.00045007,,,,1!punkty stempla FLST,3,1,8 FITEM,3,0,0.42E-01,0 K,,P51X FLST,3,1,8 FITEM,3,-0.1835E-01,0.42E-01,0 K,,P51X FLST,3,1,8 FITEM,3,-0.1835E-01,0.82E-01,0 K,,P51X FLST,3,1,8 FITEM,3,0,0.82E-01,0 K,,P51X!linie stempla LSTR, 11, 12 LSTR, 12, 13 LSTR, 13, 14 LSTR, 14, 11!zaokrąglenie stempla LFILLT,10,11,0.01,,!pole stempla FLST,2,5,4 FITEM,2,11 FITEM,2,13 FITEM,2,12 FITEM,2,10 FITEM,2,14 AL,P51X!punkty linii obrotu FLST,3,1,8 FITEM,3,0,0,0 K,,P51X FLST,3,1,8 FITEM,3,0,0.2E-01,0 K,,P51X!linia LSTR, 17, 18!obrót powierzchni FLST,2,3,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-3 FLST,8,2,3 FITEM,8,17 FITEM,8,18 VROTAT,P51X,,,,,,P51X,,-90,,!podział matrycy TYPE, 1 MAT, 1 REAL, ESYS, 0 SECNUM, SMRT,6 TYPE, 1 MAT, 1 REAL, ESYS, 0 SECNUM, MSHAPE,1,3D MSHKEY,0 CM,_Y,VOLU VSEL,,,, 1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2!zagęszczenie matrycy FLST,5,2,5,ORDE,2 FITEM,5,5 FITEM,5,-6 CM,_Y,AREA ASEL,,,,P51X CM,_Y1,AREA CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y AREFINE,_Y1,,,2,0,1,1 CMDELE,_Y1!podział krążka TYPE, 2 MAT, 2 REAL, ESYS, 0 SECNUM, SMRT,OFF MSHAPE,0,3D 21
MSHKEY,1 CM,_Y,VOLU VSEL,,,, 2 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2!podział stempla SMRT,6 TYPE, 3 MAT, 3 REAL, ESYS, 0 SECNUM, MSHAPE,1,3D MSHKEY,0 CM,_Y,VOLU VSEL,,,, 3 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2!zagęszczenie stempla FLST,5,2,5,ORDE,2 FITEM,5,16 FITEM,5,-17 CM,_Y,AREA ASEL,,,,P51X CM,_Y1,AREA CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y AREFINE,_Y1,,,1,0,1,1 CMDELE,_Y1!tworzenie części EDPART,CREATE!kontakt obiektów EDCGEN,ASTS,1,2,0.1,0.5E-01,0,0,0,,,,,0,10000000,0,0 EDCGEN,ASTS,3,2,0.1,0.5E-01,0,0,0,,,,,0,10000000,0,0!definiowanie parametrów *DIM,czas,ARRAY,2,1,1,,, *DIM,przemieszczenie,ARRAY,2,1,1,,,!edycja danych *SET,CZAS(2,1,1), 0.01 *SET,PRZEMIESZCZENIE(2,1,1), -0.05!załadowanie danych EDLOAD,ADD,RBUY,0,3,CZAS,PRZEMIESZCZENIE,0,,,,,!zamocowanie FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,2 /GO DA,P51X,UZ,0 FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,13 /GO DA,P51X,UX,0!czas symulacji FINISH /SOL TIME,0.01, 22