КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Основные понятия и задачи компьютерного моделирования в процессах обработки металлов давлением

В последние годы все больше внимания уделяется моделированию различных технологических процессов, в том числе и процессов обработки металлов давлением (ОМД), для их реализации в производственных условиях. Разработка новых технологий, запуск нового оборудования, освоение новых видов продукции в производстве являются трудоемкими и затратными процедурами. Моделирование же позволяет решать основную задачу промышленного производства - получение максимальной прибыли при минимальных затратах. При этом исследования и эксперименты в реальном производстве имеют следующие недостатки:

• • большие энергозатраты и риск получения некачественной продукции;
• • невозможность или высокая стоимость изменения параметров процесса в широких диапазонах;
• • вероятность аварии и поломки оборудования и др.

Поэтому внедрение процессов ОМД для получения новых видов продукции или же вообще новых видов деформационной обработки немыслимо без применения различных методов моделирования.

В связи с этим становится выгодно провести сначала эксперименты виртуально или в меньших масштабах и найти приемлемые границы изменения параметров или выйти на область параметров, которая бы приводила к достижению наилучшего соотношения затрат на исследования и полученной от внедрения прибыли.

Авторами [51] предложена классификация методов моделирования, схематично представленная на рис. 12.1 и применимая к анализу процессов ОМД.

При физическом моделировании предметом изучения является сам процесс или подобная ему физическая аналогия (например, пластилиновая или свинцовая модель заготовки как имитация горячей обработки давлением).

Аналоговое моделирование заключается в создании предметного образа процесса, системы или изменения каких-либо параметров, схожих по форме с реальным объектом.

Рис. 12.1. Классификация методов моделирования в ОМД

Математическое моделирование - это процесс установления соответствия формализованной модели реальной системе и исследования этой модели, позволяющий получить характеристики рассматриваемого предмета или процесса. Применение математического моделирования позволяет исследовать объекты, реальные эксперименты над которыми затруднены или невозможны.

Геометрическое моделирование применяют, когда формализация поставленной задачи невозможна или слишком сложна. В ряде случаев данный способ является единственным для решения подобных задач.

При аналитическом моделировании процессы функционирования элементов системы записываются в виде математических соотношений (алгебраических и т. д.). Аналитическую модель можно исследовать следующими методами:

• • аналитический (получают в основном точные решения);
• • численный (получают приближенные решения);
• • качественный (в явном виде можно найти только некоторые свойства решения).

Компьютерное моделирование - это математическое моделирование, которое формулируется в виде алгоритма (компьютерной программы), что позволяет проводить вычислительные эксперименты. В свою очередь, компьютерное моделирование делится на численное, статистическое и имитационное.

Численное моделирование предусматривает использование методов вычислительной математики (отличается от аналитического тем, что возможно задание различных параметров модели).

Статистическое моделирование представляет собой обработку данных о системе (модели) в целях получения статистических характеристик системы.

При имитационном моделировании осуществляется воспроизведение (имитация) на компьютере процесса функционирования исследуемой системы при соблюдении логической и временной последовательностей протекания процессов, что позволяет получить данные о состоянии системы или ее отдельных элементов в определенные моменты времени.

Необходимо отметить, что классификация методов моделирования носит достаточно условный характер, поскольку при исследовании и описании того или иного процесса сегодня используются сразу несколько видов моделирования в сочетании с компьютерным.

При использовании моделирования затраты на проектирование объекта, в том числе и экономические, по сравнению с традиционными исследованиями или разработками, могут быть сокращены в 10-100 раз.

Главными объектами моделирования и компьютеризации в области обработки металлов давлением в последнее время являются процессы проектирования и оптимизации технологий. Развиваются также интегральные системы, позволяющие автоматизировать процессы оптимизации. Такие системы обычно включают три типичных элемента: выбор целевой функции и связей; расчет целевой функции; поиск такого сочетания параметров проектирования, которое обеспечивало бы минимум или максимум целевой функции.

В процессах ОМД целевая функция может, например, включать: массу поковки (обычно лучше, когда она минимальна); заполняемость штампа (лучше, когда эта равномерность максимальна) и т. п. Связи могут представлять собой допускаемые деформации, скорость деформации, температуру, предотвращающую появление дефектов, максимальное напряжение в штампах и др.

Основой компьютерного моделирования в ОМД служит использование современного программного обеспечения. Для конструкторской разработки моделей технологических процессов и формирования чертежей используются следующие системы объемного проектирования: Pro/Engineer, SolidEdge, SolidWorks, «Компас 3D», AutoCAD, ZWCADh др.

При этом непосредственно для моделирования процессов ОМД и прогнозирования поведения металла под действием деформирующих нагрузок и условий деформирования все шире распространяются специализированные программные комплексы, например, QForm 3D,

Forge3, Deform 3DANSYS, PAM-STAMP, AutoFormnnp.

Использование в ОМД этих компьютерных программ позволяет:

• • сокращать сроки разработки технологических процессов, включая время на их проектирование и проведение опытно-промышленных работ при внедрении в производство;
• • оптимизировать существующие технологии;
• • прогнозировать возникновение дефектов в заготовке и устранять неправильные технические решения до начала промышленных экспериментов;
• • повышать надежность разрабатываемых технических мероприятий, в том числе, для тех технологических процессов ОМД, которые связаны с получением изделий или заготовок для уникальных деталей, нс имеющих технологических процессов-аналогов.

Для систем, реализующих компьютерное моделирование, используют термин CAD System (Computer Aided Design System).

Принципы, лежащие в основе проектирования сложных объектов, изложены в ряде теорий и подходов. Системный подход является наиболее общим и заключается в рассмотрении частей изучаемых явлений или сложных систем с учетом их взаимодействия.

Главным моментом во всех подходах к автоматизации процесса проектирования служит то, что системы автоматизированного проектирования основаны на выборе рациональных вариантов решения, которые представляют собой совокупность средств, включающих математическое, техническое, программное, информационное и другие виды обеспечения. Принято выделять следующие семь видов обеспечения:

• • техническое, включающее различные аппаратные средства (компьютеры, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
• • математическое, объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
• • программное, представляемое компьютерными программами;
• • информационное, состоящее из баз данных, систем управления базами данных, а также других данных, используемых при проектировании;
• • лингвистическое, выражаемое языками общения между проектировщиками и компьютерами, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами;
• • методическое, включающее различные методики проектирования, иногда к нему относят также математическое обеспечение;
• • организационное, представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектировщиков.

Целью проектирования является определение совокупности данных, необходимых и достаточных для воспроизведения детали, технической системы или технологии.

Результатом проектирования технологии является технологическая разработка, которая включает условно-постоянную информацию (структурнотехнологический маршрут изготовления, наименование оборудования и инструмента для выполнения каждой операции) и параметрическую (режимы проведения назначенных операций, переменную информацию о технологических параметрах для вариантов получения заданного изделия или полуфабриката).

При формировании условно-постоянной части разработки обычно пользуются нормативно-справочным материалом, содержащимся в литературных источниках, в технологических инструкциях и прочих документах, а также руководствуются накопленным производственным опытом.

Решение проблемы обеспечения заданной точности, стабильности и надежности функционирования выдвигает ряд задач анализа, синтеза и управления, которые должны быть решены на стадии проектирования и эксплуатации систем.