CAE-технологии в моделировании износа технологической оснастки
Ерохин В. В., Афонина Е.В. (БГТУ, Брянск, РФ)
CAD-системы на основе твердотельного моделирования обеспечивают генерацию сеток конечных элементов для последующего инженерного анализа в CAE-системах (CosmosWorks, NASTRAN, Moldflow и т.д.). Это дает возможность провести целый ряд конструкторских и технологических расчетов: пластических деформаций в зоне контакта установочного элемента и базовой поверхности заготовки, определение температурных деформаций на основе механических, термических и химических свойств рассматриваемой системы изготовления и эксплуатации изделия; обеспечения заданных требований к качеству изготавливаемого изделия через эксплуатационные и конструктивные характеристики проектируемой оснастки.
Например, расчет межремонтного периода эксплуатации станочного приспособления может быть определен по следующей методике.
1. В CAM-системе разрабатывается технологический процесс (ТП) обработки заготовки. С использованием промежуточного программного обеспечения, связывающего CAD и CAM-системы, в CAD-систему передаются параметры технологической системы: жесткость станка, режимы резания, градиенты направления и величины сил резания, базовые поверхности заготовки и т.д.
2. CAD-система для рассматриваемого ТП выбирает или конструирует компоновку станочного приспособления в режиме параметризации его базовых размеров и свойств, удовлетворяющих условиям обработки заготовки.
3. Выбираются поверхности твердотельных моделей приспособления, влияющих на точность и характер процесса формообразования поверхностей заготовки.
4. Конвертирование выбранных поверхностей приспособления в CAE-систему с заданными их механическими параметрами и параметрами технологической системы.
5. Разбивка рассматриваемых поверхностей на элементы. При износе поверхностей нет смысла производить поэлементную сегментацию всего объема примитива. Задаваясь конкретными размерными параметрами допустимого износа можно на несколько порядков уменьшить количество и размер (величина равной шероховатости рассматриваемой поверхности) конечных элементов, что позволит увеличить точность расчетов.
6. Расчет величины износа анализируемой поверхности. Алгоритмы расчетов и математическая формализация процесса формообразования изнашиваемой поверхности должна обязательно учитывать вероятностное поле рассеивания градиента и направления действия внешних сил на исследуемую поверхность.
Наиболее оптимальные значения износа, близкие к экспериментальным данным, дает конечно-элементный анализ на основе энергетического баланса подводимой и расходуемой энергии. К поверхности раздела двух динамически контактируемых объектов подводится определенное количество тепловой, механической и химической энергии (рис. 1; åUi(t, L) – сумма i-х видов подводимых энергий к поверхности, распределенных по поверхности длиной L по определенным законам и зависящих от времени t), вследствие трения, движения и химического взаимодействия как между собой, так и промежуточными средами (воздух, СОТС и т.д.). Каждому узлу в случайной последовательности (функция “Randomize”) присваивается определенная энергия разрыва связи, которая зависит от механических, физических, конструкционных и химических свойств рассматриваемого примитива, а также от их градиента (если он известен) и поля рассеивания. Все конечные элементы описаны математическими зависимостями передачи и потребления различных видов энергий, их взаимодействий и влияний на вышеприведенные свойства. Как только энергия узла становится равной или большей энергии его разрыва элемент выходит из узла и остается незамкнутым (рис.1,б). Динамический рост незамкнутых элементов в направлении поверхности контакта двух объектов может привести к отрыву некоторых объемных областей контактирующей поверхности (рис. 1, в).
а) б)
в)
Рисунок 1- Схема износа поверхности
Однако в данной математической формализации износа поверхности трудно учесть повторное наслоение продуктов износа на изнашиваемую поверхность, вследствие сложного распределения внешнего энергетического воздействия с электростатическими взаимодействиями поверхности (шероховатости) под действием переменных внешних сил на контакт рассматриваемых тел.