Возможности пакетов Ansys и LS-Dyna

Программный комплекс LS-DYNA успешно используется для разработки технологических процессов при анализе следующих операций ОМД:

1. Объемная формовка:

- ковка и горячая объемная штамповка;

- холодная объемная штамповка;

- прокатка (продольная, поперечная, винтовая);

- закручивание;

- волочение;

- прессование;

- прошивка;

- выдавливание (экструдирование, экструзия) в том числе прямое, обратное и поперечное;

- выдавливание профилей.

2. Листовая штамповка

- вытяжка (с утонением стенки, без утонения стенки, с использованием перетяжных ребер);

- обжим, отбортовка, раздача;

- формовка;

- поэлементная штамповка;

- запрессовка и калибровка трубных деталей;

- разделительные операции (вырубка, пробивка, надрезка, обрезка);

- гибка (свободная, с растяжением, со сжатием, с нагревом, на малый радиус, на большой радиус);

- профилегибка, профилирование в валковых машинах;

- штамповка эластичными средами (резиной и полиуретаном);

- гидроформовка;

- формоизменение в режиме сверхпластичности;

- специальные виды штамповки (штамповка взрывом, электрогидроимпульсная штамповка, магнитно-импульсная обработка)

При анализе всех процессов в LS-DYNA легко учитываются различные особенности, как самих операций, так и обрабатываемых материалов:

- обработка в несколько переходов;

- комбинированное нагружение;

- возможность складко-, гофрообразования, коробления, разрывов, недопустимого утонения при листовой штамповке;

- пружинение и упругое последействие деталей после завершения формоизменения;

- определение рациональной исходной формы плоской заготовки для листовой штамповки;

- анизотропия свойств деформируемых металлов;

- формоизменение труднодеформируемых и малопластичных сплавов;

- формоизменение штампосварных заготовок;

- возможность разрушения заготовки во время формоизменения;

- учёт скорости формоизменения (скоростей деформаций);

- учёт вязкопластических течений;

- связанный тепло-прочностной анализ (расчет распределения температуры по заготовке и инструменту, теплообмена между ними, и связанное влияние температуры на возникающие напряжения).

На основе моделирования в среде LS-DYNA успешно решаются следующие задачи:

- анализ технологических параметров процессов ОМД;

- анализ технологичности деталей;

- выбор параметров кузнечно-прессового оборудования;

- расчет и рекомендации по проектированию инструмента;

- расчет нагрузок в узлах машин обработки давлением;

- анализ напряженно-деформированного состояния ответственных деталей машин.

Для эффективного решения задач динамики системы абсолютно жестких тел (Multi Body Dynamics) LS-DYNA имеет широкие возможности для моделирования шарнирных соединений. Ниже представлен набор шарниров для описания связей между абсолютно жесткими телами:

- сферический (Spherical joint);

- поворотный (Revolute joint);

- цилиндрический (Cylindrical joint);

- плоский (Planar joint);

- универсальный (Universal joint);

- продольный (Translational joint);

- закрытый (Locking joint);

- поворотный (Revolute joint);

- продольный управляемый (Translational Motor joint);

- поворотный управляемый (Revolute Motor joint);

- между двумя шестеренками (Gear joint);

- между рамой и шестеренкой (Rack and Pinion joint);

- ограничивающий угловую скорость (Constant Velocity joint);

- винтовой (Screw joint).

LS-DYNA имеет обширную библиотеку элементов, которые используют как упрощенную, так и полную схему интегрирования. Элементы c упрощенной (одноточечной) схемой интегрирования, используемые в LS-DYNA, просты, эффективны и точны. Исключение деформационных форм с нулевой энергией в таких оболочечных и объемных элементах достигается как введением фиктивной вязкости, так и жесткости. Все элементы векторизованы, а также оптимизированы для использования в SMP[3] и MPP[4] системах. В программе имеется обширная библиотека конечных элементов, которые включают следующие типы – мембраны, тонкие оболочки, толстые оболочки, объемные элементы, балочные элементы, дискретные элементы (пружины, демпферы, масса и др.).

Для моделирования поведения всего многообразия материалов с которыми можно столкнуться при анализе процессов ОМД, в LS-DYNA включены более 130 моделей металлических и неметаллических материалов, многие из которых имеют критерии разрушения. Основные из них приведены ниже:

1.Модели упругих материалов – изотропная, ортотропная, анизотропная, термоупругая, упругая с разрушением, вязкоупругая.

2. Модели упруговязкопластических материалов:

- упругопластические с изотропным, кинематическим и комбинированным упрочнением, в том числе с зависимостью свойств от температуры и скорости деформации;

- упругопластические с анизотропным упрочнением (Barlat, Hill);

- упругопластическая модель Стенберга-Гунана (Steinberg-Guinan);

- упругопластическая модель Джонсона-Кука (Johnson-Cook);

- полной пластичности;

- сверхпластичности.

Одной из важнейших отличительных особенностей LS-DYNA является наличие простых в использовании, эффективных и проверенных контактных алгоритмов, включая термомеханический. Использующиеся в LS-DYNA контактные алгоритмы основаны на методе кинематических связей, методе распределенных параметров и методе штрафа. Более чем двадцатилетний опыт применения этих алгоритмов для решения задач, возникающих в различных областях науки и техники, показал их высокую эффективность.

В настоящее время более 25 различных контактных опций могут быть использованы для описания контакта в LS-DYNA. Главным образом они используются для описания контакта деформирующихся тел, контакта отдельных поверхностей деформируемых тел, контакта абсолютно жесткого и деформирующегося тела или двух абсолютно жестких тел. Для корректного описания трения в месте контакта имеются следующие возможности по описанию трения:

- статическое и динамическое Кулоновское трение;

- вязкое трение;

- трение, зависящее от давления;

- модели трения, определяемые пользователем.

Для решения задачи стационарного и нестационарного теплопереноса LS-DYNA имеет предназначенные для этой цели методы решения – явный, Кранка – Николсона, Галеркина, чисто неявные (прямой с учетом разреженности матриц, итерационный - предопределенных сопряженных градиентов).

Кроме описанных выше свойств LS-DYNA обладает некоторыми удобными функциями, которые необходимо отметить. Среди них выделяются следующие:

- возможность специфицировать вступающие в контакт части конструкции или всю конструкцию целиком графически, т.е. выбирая с помощью мыши или просто задавая соответствующий идентификатор;

- наличие процедуры автоматической и ручной адаптивной перестройки конечно-элементной сетки при вырождении элементов;

- наличие лагранжево-эйлерового алгоритма пространственно-временной дискретизации, позволяющий описывать механическое и тепловое взаимодействие между структурами с разными типами механического поведения, например, взаимодействие жидкости или газа с деформируемым твердым телом;

- процедура сглаживания конечно-элементной сетки;

- использование SPH и EFG узловых элементов совместно с традиционными конечными элементами;

- процедура гибкого управления движением и деформациями эйлеровой сетки, которая включает возможность одновременного движения нескольких частей расчетной области по различным законам и возможность изменения этих законов движения в процессе счета;

- наличие алгоритмов связывания для моделирования процесса развития трещин.

Для примера того насколько корректно решаются задачи ОМД с использования Ansys и LS-Dyna можно показать рассчитанное поле дуформаций листа капота автомобиля (рис. 4.8а) и реально изготовленного (рис. 4.8б). Как видно из данных изображений, место дефекта и его характер предсказано достоверно (в красном круге).