Autóipari Versenyképességi Szimpózium

Átírás

1 Autóipari Versenyképességi Szimpózium A végeselemes modellezés alkalmazása a képlékeny lemezalakításban, különös tekintettel az autóipari alkalmazásokra Prof. Dr. Tisza Miklós tanszékvezető, egyetemi tanár Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék

2 Az előadás célja 1. Az autóipari együttműködésben érdekelt partnerek számára áttekintést adni egy széleskörűen alkalmazható mérnöki módszerről nevezetesen a végeselemes modellezésről amely egyrészt megbízható hatékony gyors elemzési lehetőséget ad» a tervezéssel» elemzéssel és» gyártással foglalkozók kezébe 2. másrészt olyan ismereteket szolgáltat, amely ma már számos autóipari cégnél kötelezően elvárt a beszállítóktól is!

3 Tartalom A végeselemes modellezés helye és szerepe a mérnöki gyakorlatban Ipari alkalmazási területek áttekintése A végeselemes modellezés a képlékenyalakításban VEM a lemezalakításban» Az AutoForm mint az autóipari VEM elemzés vezető rendszere» A VEM elemzés folyamatának bemutatása autóipari példákon keresztül VEM a térfogatalakításban Végeselemes modellezés a hőkezelésben és hegesztésben

4 A végeselemes modellezés helye a mérnöki gyakorlatban

5 A végeselemes módszerek lényege alapja a diszkretizáció: az elemzendő testet véges számú egyszerű elemre bontjuk, amelyek lehetnek solid (test) elemek (többnyire ez jellemző a térfogatalakításra) shell (héj) elemek (ez jellemző a lemezalakításra), A feladatot leíró parciális differenciál egyenletrendszert az elemekre felírt függvényekkel közelítjük amelyet numerikus matematikai módszerekkel megoldunk.

6 Miért a végeselem módszer? kevesebb egyszerűsítés bonyolult alakzatok is jól kezelhetők többféle, reálisabb anyagtörvény alkalmazható (anizotróp, keményedő anyagtörvények is) összetett súrlódási, tribológiai viszonyok is kezelhetők részletes információk az alakváltozási állapotról, az anyagáramlásról a feszültségi és a hőmérséklet eloszlásról ha valamilyen probléma jelentkezik a feladat során (pl. repedés, stb.) a folyamat térben és időben is jól nyomon követhető a hiba okára, a kiküszöbölés lehetőségére is jobban utal

7 Ipari alkalmazások Autóipari alkalmazások Szerkezetvizsgálat Statikus és dinamikus elemzések Modal analízis Tranziens dinamikai elemzések Hővezetési, hőátadási jelenségek Áramlási folyamatok Mechanizmus elemzések Alakítástechnikai elemzések Hegesztési-, hőkezelési elemzések Törésmechanikai elemzések Ütközés vizsgálat Repülőgépipari alkalmazások Szerkezetvizsgálat Statikus és dinamikus elemzések Aerodinamikai elemzések Tranziens dinamikai elemzések Hővezetési, hőátadási jelenségek Áramlási folyamatok Mechanizmus elemzések Aeroelasztikus elemzések Kúszási jelenségek elemzése Alakítástechnikai elemzések Hegesztési-, hőkezelési elemzések Törésmechanikai elemzések Ütközés vizsgálat

8 Végeselemes modellezés a képlékenyalakításban A kontinuum-mechanikai megalapozottság révén a képlékenyalakítás a végeselemes modellezés egyik legfontosabb területe Nem kívánok elméleti elemzésekbe bocsátkozni A végeselemes modellezés képlékenyalakításbeli alkalmazásának praktikus, gyakorlati oldalát kívánom bemutatni» mire jó,» milyen célból,» hol, hogyan alkalmazható? Továbbá» milyen műszaki előnyökkel és» milyen gazdasági haszonnal jár a végeselemes modellezés alkalmazása

9 Végeselemes programrendszerek Általános rendeltetésű programok A feladatok széles köréhez alkalmazhatók Az egyes feladatok megfogalmazása jelentős felhasználói beavatkozást, és végeselemes ismereteket követel Megfelelő ismeretek esetén adott feladatokhoz jól testre szabhatók Főbb rendszerek ABAQUS MARC COSMOS ANSYS SYSTUS LS-DYNA Feladat-orientált célrendszerek: adott technológiai feladatra, adott célra orientált speciális fejlesztések Többnyire csak az adott célra alkalmazhatók A célterületen viszont» Rendkívül hatékonyak» A célterület sajátosságait rendkívüli mértékben leképezik» Felhasználó barát rendszerek» Könnyű kezelhetőség» Nem igényel jelentős informatikai, vagy végeselemes háttér ismeretet (a célterület megfelelő ismerete azonban nélkülözhetetlen)

10 VEM rendszerek a képlékenyalakításban Lemezalakítás Térfogatalakítás AutoForm Pam-Stamp Optris Stampack DynaForm INDEED DEFORM 2D, 3D QForm Forge 2D, 3D AutoForge SuperForge

11 AutoForm a lemezalakításban Miért az AutoForm egyértelműen a lemezalakításra fókuszál, dedikált lemezalakító célrendszer: a lemezalakításban a legelterjedtebben alkalmazzák, szinte ipari szabvány magas szinten specializált, hatékony célrendszer: a legnagyobb autógyártók tapasztalatait beépítve folyamatosan fejlesztik egységes integrált környezet valamennyi alakítással kapcsolatos feladatra: felhasználóbarát programkörnyezet, parametrikus kapcsolat az integrált modulok között átfogja a termékfejlesztés teljes ciklusát a terméktervezéstől, a technológiai folyamattervezésen és szerszámtervezésen át a gyártásig

12 AutoForm felhasználók a világban A 20 legnagyobb autóipari cég 100%-a Az 50 legnagyobb autóipari gyártó 80%-a A 200 legnagyobb beszállító: szerszámgyártók, alkatrész beszállítók, alkatrész- és gyártástervezők

13 AutoForm: ipari szabvány ny a modellezésben A világpiaci részesedr szesedés s alakulása 18% % % % % 41% 45% 50% 46% 41% 34% 31% AutoForm AutoForm AutoForm AutoForm No. 1 No. 2 No. 2 No. 2 Többi Többi Többi Többi

14 AutoForm Part Designer AutoForm Blank Designer AutoForm OneStep AutoForm User Interface Az AutoForm programrendszer felépítése, fő moduljai AutoForm Optimizer AutoForm Die Designer AutoForm Incremental

15 Megoldás az AutoForm integrált rendszerben Valamely grafikus CAD rendszerben elkészített alkatrész modell importálása AutoForm Geometria generator Az alkatrész modell előkészítése a szimulációra AutoForm Part Designer Egyszerű alakíthatósági elemzés AutoForm OneStep szimuláció Gyors, parametrikus szerszámtervezés AutoForm DieDesigner Részletes szimuláció AutoForm Incremental Optimalizált technológiai folyamat és szerszám-tervezés AutoForm Optimizer Teríték optimalizálás: AutoForm Blank Designer Elrendezési terv optimalizálás: AutoForm Nest Körülvágás optimalizálás: AutoForm Trim Érzékenységi (sensitivity) analízis: AutoForm Sigma

16 Alakítási feladatok FEM elemzésének alaptípusai 1. Adott geometriájú alkatrész megvalósítható-e Megvalósíthatósági elemzés One Step analízis 2. Ha megvalósítható, milyen szerszámban Szerszámtervezés Die Designer 3. Teljes alakítási folyamat részletes vizsgálata Részletes folyamat elemzés Incremental analízis

17 Geometriai előkészítés AutoForm PartDesigner A gyártandó alkatrész CAD modelljét tetszőleges külső CAD rendszerben elkészíthetjük, amely IGES, STL vagy VDAFS formátumú kimenetet szolgáltat Unigraphics, ProEngineer I-DEAS Euclid Solid Works CATIA, stb. Unigraphics CAD rendszerből l importált alkatrész modell

18 Geometriai előkészítés Az alkatrész CAD rendszerekben rendszerint test modell az Az Autoform felületi modellt igényel A testmodellből célszerűen megválasztott felülettel felületi modellt kell készíteni Ez minden CAD rendszerben megvalósítható

19 AutoForm Part Designer Gyakran szükséges az importált CAD modell módosítása egyrészt magához a szimulációhoz szükségesek lehetnek bizonyos módosítások másrészt a modellezés során is gyakran merül fel az alakítás végrehajthatósága, megbízhatósága érdekében módosítási igény Ezt a feladatot látja el az AutoForm PartDesigner modul ez tulajdonképpen egy geometriai konfigurátor modul kiemelkedő grafikus támogatással

20 AutoForm Part Designer Fő jellemzői a szimulációs programmal integrált egységet képez, a szükséges geometriai módosítások» könnyen, áttekinthető módon végrehajthatók» a változtatások a parametrikus kapcsolat révén a többi modulban is azonnal érvényre jutnak kiküszöböli a grafikus CAD rendszerhez való visszalépés szükségességét

21 AutoForm Part Designer fő funkciói az alakítás (mélyhúzás, nyújtóalakítás) során szükségtelen nyílások (lyukak, áttörések) gyors, automatikus kitöltése alakítás szempontjából nem-kívánatos élek, sarkok automatikus felismerése és lekerekítése alakítási szempontból kedvezőtlen szabdalt, csipkézett kontúr módosítása, kitöltése munkadarab felületek közötti átmenetek gyors, automatikus előállítása nem kielégítő nyújtás miatt szükségessé váló bordák, kiemelkedések, merevítő elemek előállítása

22 AutoForm Part Designer éles sarkok kezelése Élek, sarkok lekerekítése a CAD rendszerből importált geometrián n a program képes k felismerni az alakítás szempontjából Élek, sarkok lekerekítését t a program automatikusan képes végrehajtani v a felhasználó választása sa szerint állandó,, vagy változó rádiusszal

23 AutoForm Part Designer lyukak, áttörések automatikus kitöltése A program az alakítás szempontjából l nem szüks kséges lyukakat, áttöréseket automatikusan kitölti összekötő felület let automatikus generálására ra képesk

24 AutoForm Part Designer szimmetrikus darabok kezelése Szimmetrikus munkadarabok gyors előállítása A szimmetrikus munkadarabrajz az átalakítás s után A fél f l munkadarabrajz a beviteli képernyk pernyővel

25 AutoForm Part Designer balos-jobbos szimmetrikus darabok kezelése 1. Autóiparban sok a jobbos balos kivitelű alkatrész. Ezeket célszerű együtt gyártani. Szimmetria automatikus kezelése

26 AutoForm Part Designer alakítási irány meghatározása alakítási irány meghatározása alapértelmezésként az alakítási irány a z-tengely iránya a mdb kialakításától függően alámetszéseket eredményezhet az alakítási irányt több paraméter szerint lehet megválasztani minimális alakítási utat eredményezzen az alámetszés teljes elkerülése a további alakítási lépések követelményeinek szem előtt tartásával (manuális tipping)

27 AutoForm Part Designer alakítási irány meghatározása Alámetszés elkerülése Alámetszés vizsgálata Alakítástechnikailag célszerűen választott szempontok szerint a megfelelő térbeli orientáció automatikus meghatározása Minimális alámetszés Minimális húzási mélység

28 AutoForm Part Designer Felületkitöltés Jobbos balos alkatrész közötti rész, illetve a csipkés, nem folytonos kontúr automatikus kitöltése

29 Az AutoForm szimulációs modulok Alapvetően két fő szimulációs modul Az ún. One Step szimuláció és Az Incremental szimuláció A kettő közötti elvi (szimulációs filozófiai, logikai felépítésbeli) különbséget Az ún. top-down (a kész alkatrésztől a terítékig), illetve A bottom-up (a terítéktől kész alkatrészig) modellel jellemezhetjük A kettő közötti praktikus különbség One Step: csak alkatrész modell gyors alakíthatósági elemzés (megvalósíthatóság feasibility study) Incremental: rendelkezésre állnak a szerszám modellek is részletes, mindenre kiterjedő, átfogó elemzés

30 One Step vs. Incremental logikai felépítés Munkadarab Munkadarab Fülhajlítás Fülhajlítás Szemhúzás Körülvágás Referencia Teríték Szemhúzás Szétválasztás Alakadás Teríték

31 A OneStep inverz szimuláció logikai felépítése egy alkatrész példáján Fül visszahajlítás 1 Fül visszahajlítás 2 Alakadás Körülvágás Optimális teríték

32 A One Step szimuláció elvi alapja Az Autoform One Step modulja a munkadarab alakítás utáni kontúrjára célszerűen megválasztott peremfeltételt működtetve, inverz végeselemes módszerrel származtatja a munkadarab terítékét. A számítás eredménye a lemez síkjában meghatározott alakváltozási állapot is amiből a megvalósíthatóság vizsgálható (FLD) Alkatrész kontúr (térgörbe) Teríték (síkgörbe)

33 One Step modellezés Alakíthatóság Az alakíthatóság vizsgálata a lemezalakításban elterjedt alakítási határdiagramok (FLD) segítségével történik.

34 One Step Alkalmazási példák

35 One step II. Alkalmazási példák

36 Die designer I. Elvi alapok Mit ért az Autoform szerszámon? A szerszám felülete tartalmazza a munkadarab felületét Gyárthatósági és technológiai megfontolások alapján a munkadarab felületből állítjuk elő (megfelelő összekötő felülettel ez az ún. addendum) a ráncgátló felületet Eredmény: az aktív szerszámfelület az ún. referencia felület A referencia felületet használjuk fel a szerszámmodellek előállítására

37 Die designer Ránctartófelület Ránctartófelület generálása az egyszerűtől, a munkadarab geometriai sajátosságait komplexen lekövető felületekig

38 Die designer VII. Összekötőfelület Az összekötőfelület (Addendum), a felületekkel kiegészített munkadarab és a generált ránctartó felület közötti átmeneti felület. Alakítási szempontokat figyelembe vevő beépített sablonok alapján nagyrészt automatikusan jön létre. Parametrikusan, rugalmasan változtatható.

39 Incremental modellezés Elvi alapok Az Autoform Incremental modulja az aktív szerszámfelületekkel definiált virtuális szerszámban adott technológiai paraméterekkel végzett alakítás részletes modellezését végzi el. Ehhez ismerni kell a gyártandó alkatrész modelljét a kiinduló terítéket: ez lehet» a felhasználó által definiált egyszerű, vagy összetett teríték, vagy» egy előző One Step szimulációval meghatározott teríték az alakító szerszámokat (az aktív szerszámfelületeket) a súrlódási kenési viszonyokat a szerszámok sebességét mozgásuk időzítéseit. Folyamatában vizsgálva az alakítást részletesen elemezhető az anyagáramlás, a feszültségi, alakváltozási eloszlás, az esetleges hibák és az ahhoz vezető folyamatok

40 Icremental modellezés szerszám felépítés

41 Incremental modellezés folyamat elemzés Különböző terítékek vizsgálata

42 B-oszlop modellezése

43 Incremental modellezés Postprocesszált adatok

44 Sorozathúzás végeselemes modellezése előírások A gyártandó alkatrész (Ablaktörlő motorház) CAD modellje Szigorú méret tűrések A fő hengeres átmérő tűrése ± 0.10 mm Még szigorúbb tűrés a cspágyazási helyen: ± 0.05 mm A falvastagság sehol sem lehet kisebb, mint s 1.9 mm A sorozathúzó présen rendelkezésre álló munkapozíciók száma 10

45 A DEEPEX tudásalapú szakértői rendszerrel generált műveletterv

46 A modellezéssel nyert műveleti sorrendterv

47 A null-szériás gyártás eredményei

48 A szimulációs és kísérletileg mért falvastagság értékek összehasonlítása SUB-S 9. húzás falvastagságeloszlás 3 2,8 I 2,6 Falvastagság, mm 2,4 2,2 2 1,8 0 A C D E F G H 1,6 1,4 1,2 B Meridián m etszeti ívkoordináta, m m Tényleges darab jobb oldal MARC DEFORM Tényleges darab bal oldal

49 Térfogatalakítás végeselemes modellezése Töblépéses süllyesztékes alakítás modellezése Defplay.exe Defplay.exe A modellezést a DEFORM 3D végeselemes rendszerrel végeztük Az ún. globális hőmrsékleti skála látható valamennyi lépésben A rendszer alkalmas az alakítás alakváltozásifeszültségi eloszlásának modellezésére a hőmérséklet függvényében változó anyagparaméterek figyelembevételével Defplay.exe

50 A hőkezelés modellezése A rendszer az alakított darab hőkezelésének modellezésére is alkalmas Nyomonkövethető Az austenit fázisátalaulásának folyamata A fázisátalakulások eredményeként kialakult szövetelemek (perlit, bainit, martensit) mennyisége A hőkezelt darab keménység eloszlása A hőkezelés következtében kialakuló méret-, alak-torzulások

51 Összefoglalás - Következtetések A végeselemes modellezés ma már a korszerű gyártástechnológia nélkülözhetetlen eszköze Alkalmazásával Jelentősen lerövidíthető a tervezésre és a gyártásra fordított idő A gyártás megvalósíthatóságát költséges kísérleti szerszámok legyártása nélkül, virtuális szerszámokkal számítógépes modellezéssel ellenőrizhetjük Könnyen, gyorsan feltárhatjuk és kiküszöbölhetjük a hiba okokat Jobb termékminőség, optimálisabb tervezés és gyártás Összességében gazdaságosabb termékfejlesztés Fokozott piaci versenyképesség

52 Szaktanácsadás, ipari konzultáció A képlékenyalakítás végeselemes modellezésének hazai tudásközpontja: Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszék» tisza.miklos@uni-miskolc.hu Képlékenyalakító végeselemes rendszerek hazai forgalmazója Com-Formex Mérnökiroda» com-formex@com-formex.hu

53 Kapcsolódó nemzetközi rendezvény Magyarországon IDDRG 2007 Audi Hungária Motor Co. Győr, május