بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی شبیهسازی عددی شکلدهی ورقهای مستطیلی گیردار از دو جنس متفاوت فولادst -12 و آلومینیوم 1100 با ضخامتهای مختلف بهوسیله آب پرداخته شده است. شبیهسازی عددی و مراحل مختلف آن نیز بهوسیله نرمافزار آباکوس صورت گرفته است. در این بخش با شبیهسازی عددی ورقهای مستطیلی با دو جنس مختلف و تأکید بر مدلسازی برهمکنش بین سیال و سازه با تکیهبر شبیهسازی فاز سیال با روش هیدرودینامیک ذرات هموار و مدل کردن ورق بهعنوان سازه با روش المان محدود، کل فرآیند در قالب مسئله کوپل این دو روش، شبیهسازیشده است.
در این شبیهسازیها خیز نهایی ورق، توزیع تنش بر روی آن و پدیده تمرکز تنش بررسیشده است. بحث پیرامون محل رخ دادن بیشینه خیز، موضوع دیگری است که به آن پرداخته شده است. وجود همخوانی قابلقبول، بین نتایج حاصل از شبیهسازی عددی و نتایج آزمایشهای تجربی، خود دلیلی بر صحت شبیهسازیهای انجامشده و نتایج حاصل از آنها است.
مقدمه
فرایندهای شکلدهی از زمان جنگ جهانی دوم نقش پررنگتری به خود گرفت و لزوم تولید قطعات فلزی پیچیده افزایش یافت. شکلدهی ورقهای فلزی که از عوامل مهم بکار رفته در صنایع هوافضا، هواپیمایی، خودروسازی، زیردریایی، پلها، سکوهای دریایی، مخازن و ... هستند، موضوعی است که در این تحقیق به آن پرداخته میشود. هیدروفرمینگ یا شکلدهی با آب روشی است که در آن از فشار سیال برای شکلدهی قطعه موردنظر استفاده میشود که در مقایسه با سایر روشهای شکلدهی، روش نسبتا جدیدی به شمار میرود.
قطعات هیدروفرم شده مقاومت ساختاری و سختی بهتری داشته و همچنین به دلیل صرفه اقتصادی و توانایی این روش در شکلدهی قطعات پیچیده، موردتوجه صنعت گران قرارگرفته است. کاربرد روش هیدروفرمینگ در صنایع به ویژه صنایع خودروسازی و اتصالات فلزی از سال 1990 شکل جدیتری به خود گرفت و این روش بهعنوان روشی قابلقبول موردتوجه واقع شد - . - Bay et al, 1994
لو - 1993 - تحقیقات محققین پیش از خود را با اعمال تئوری هیدروفرمینگ کشش عمیق به آنالیز هیدروفرمینگ پانچ کروی آنها گسترش داد. هدف از این کار بررسی تئوری پیشبینی خرابی قطعه براثر چروکیدگی یا گسیختگی قطعهی نیمکره فنجانی شکل هیدروفرم شده بود. لو با اضافه کردن نیروهای اصطکاک به آنالیزهایی کهقبلاً انجام شده بود آنها را تکمیل و برای هدفهای پیچیدهتر این روش را گسترش داد.
بهمنظور پیشبینی خرابی، قطعه کار بر اساس هندسه مسئله به سه ناحیه تقسیم میشود. ناحیهی اول، ناحیه ایست که تماس با قالب ندارد. ناحیهی دوم که ناحیهی لبه نامیده میشود و ناحیهی سوم، ناحیه ایست که با سطح پانچ تماس مییابد. در این تحقیق علاوه بر بررسی عوامل خرابی قطعه، مرز بالایی و پائینی برای تولید قطعه مشخص میشود که ناحیه کاری نامیده میشود.
نتیجهای که از این کار برای افزایش وزنههای ناحیه کاری به دست آمد این بود که باید نیروی اصطکاک را کاهش داد، توان کار سخت را افزایش داد، نسبت کشش کمینه گردد و از مواد ارتوترپیک استفاده کرد - . - Lo et al, 1993 گلین در سال 1994 بهصورت تجربی و عددی به بررسی عوامل مؤثر بر فرایند aquadraw deep drawing پرداخت. هدف از این تحقیقات اندازهگیری پارامترهای اصلی بود که این فرایند را تحت تأثیر قرار میداد بهویژه فشار داخل کویتی و زیر ورق گیر که تابعی از هندسه ماده بکار رفته و سیال بود - . - Gelin et al, 1994
هسو و هسیه در سال 1996 طی مجموعه آزمایشهایی به تغییر تئوری توسعهیافته لو - 1993 - پرداختند. هدف آنها اعتبارسنجی و بازنگری پیشبینی خرابی قطعه براثر گسیختگی و چروکیدگی فرآیند هیدروفرمینگ با استفاده از نیروی پانچ بود. آنها راههای مختلفی برای اعمال فشار هیدرومکانیکی بهمنظور اعتبارسنجی کار تئوری خود، مورد آزمایش قرار دادند و در نهایت نتایج تجربی با نتایج حاصل از پیشبینی آنها همخوانی قابل قبولی داشت - . - Hsu and Hsieh, 1996
نمونهای دیگر از آزمایشهای انجامشده درزمینه شکلدهی با آب مربوط به کار کوسینگ و اسکیوس در سال 1997 است که به بررسی شکلدهی با سرعتبالای ورقهای دایروی با استفاده از دستگاه شاک تیوب پرداخته است. در شکلدهی با این سامانه که محتوی آب است، از انرژی پتانسیل هوای فشردهشده در لوله استفاده میشود. در این روش، با باز شدن دیافراگم پلاستیکی، انرژی پتانسیل ناشی از هوای فشردهشده به انرژی جنبشی برای حرکت بسیار سریع پیستون تبدیل میشود.
همچنین با وارد شدن ضربه ناشی از حرکت پیستون بر سطح آب، انرژی جنبشی پیستون به فشار هیدرودینامیکی تبدیل میشود. قسمت تحلیلی این مطالعه با روش انرژی انجامگرفته است که درنهایت یک معادله برای محاسبه خیز مرکز ورق بهدستآمده است. در این تحلیل به دلیل در نظر گرفتن هندسه تقریبی و همچنین وارد نکردن تأثیر غیرقابلچشمپوشی نرخ کرنش در معادلات انرژی، ضعفی بسیار عمیق دیده میشود - . - Kosing and Skews, 1997
در ادامه تحقیقات زیادی که درزمینهی فرآیندهای هیدرو استاتیکی و هیدرودینامیکی انجامشده است میتوان به تحقیق زمپالونی و همکارانش در سال 2003 اشاره کرد. در این آزمایش با قرار دادن محفظه محتوی آب، پشت ورق تحت بارگذاری، به بررسی تجربی و شبیهسازی عددی اثر استمب در فرآیند هیدرودینامیکی پرداختهشده است. افزایش مدتزمان مقاومت قطعه در برابر شروع پارگی و کاهش چروکیدگی قطعه طی فرآیند تغییر شکل ازجمله مزایای استفاده از این روش است - Zampaloni et al,. - 2003
یکی از تحقیقات انجامشده درزمینه شکلدهی ورق با استفاده از سامانه چکش پرتابهای، مربوط به قسمتی از کار کیراک و همکارانش در سال 2007 است که در آن به بررسی تغییر شکل پلاستیک ورق مسی با استفاده از موج فشار ایجادشده در یک لوله آلومینیومی به طول 1/3 متری با قطر داخلی 32 میلیمتر توسط پیستون رهاشده با سرعت اولیه 22/94 متر بر ثانیه و میانگین جرم بر واحد سطح 74/1 کیلوگرم بر مترمربع پرداختهشده است - . - Cirak et al, 2007
روش تحقیق
در شبیهسازیهای عددی که پیشتر بر روی این فرآیند انجام شده است تأکید بر شبیهسازی ورق فلزی بوده و با مدل کردن این قسمت از پرداختن به فاز سیال صرفنظر شده و بارگذاریهاعموماً بهصورت مستقیم و بدون واسطه به ورق اعمالشده است. در ادامه این فصل با توجه به اهمیت بالای سیال در فرآیند شکلدهی، به شبیهسازی کامل فرآیند و با تأکید براثر برهمکنش بین سیال و سازه میپردازیم در این بخش به شبیهسازی فرایند هیدروفرمیگ ورقهای مستطیلی با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار میپردازیم. نرمافزار آباکوس با داشتن ماژولهای قدرتمند، این امکان را در اختیارکاربر قرار میدهد تا فرآیند را با این روش مدلسازی کند. شبیهسازیهای این پژوهش بر اساس آزمایشهای انجام شده در مرجع - Babaei et al, - 2016 بوده و نتایج حاصل از این آزمایشها را مدلسازی میکند.
روش هیدرودینامیک ذرات هموار
هیدرودینامیک ذرات هموارشده یک روش محاسباتی برای شبیهسازی جریان سیالات است. این روش برای شبیهسازی تغییر شکلهای الاستیک و پلاستیک نیز گسترش داده شده است . از این روش درزمینههای تحقیقاتی متفاوتی شامل اخترفیزیک، بالستیک، آتشفشان شناسی، سطح آزاد سیاﻻت، جریانهای چندفازی، انتقال حرارت و انتقال جرم، شکست جامدات ترد، اثر متقابل سیال و سازه بکار برده شده است.
این روش مبتنی بر دیدگاه لاگرانژی - دیدگاهی که در آن دستگاه مختصات به همراه حرکت سیال جابهجا میشود. - بوده و در آن برخلاف سایر روشهای حل عددی، نیازی به شبکهبندی نیست و دقت جوابهای حاصل از این روش بهراحتی با توجه بهدقت سایر کمیتهای مسئله قابل یافتن است. هیدرودینامیک ذرات هموار - SPH - ، روشی بر مبنای تقسیم سیال به مجموعهای از المانهای جدا از هم - ذرات سیال - است. این ذرات دارای فاصلهای فضایی نسبت به هم هستند که از این فاصله با نام طول هموارسازی یاد میشود. در این فاصله فضایی، خواص سیال توسط توابع کرنل هموارسازی میشوند.
به این مفهوم که هرگاه به دنبال یافتن مقدار کمیتی از سیال باشیم، باید مجموع خاصیتهای مرتبط تمامی ذراتی را که درون حوزه کرنل قرار میگیرند، بهدست آوریم. برای مثال با استفاده از یکی از تکنیکهای این روش که به نوار باریک مکعبی موناگان مشهور است، محاسبه دما در موقعیت r ، وابسته به دمای همه ذرات موجود در فاصله شعاعی بر مبنای شعاع r است. سهم هر ذره در محاسبه یک خاصیت بر اساس فاصله آن از ذره مدنظر دارای وزنی مشخص است و این سهم با تعریف مفهوم تابع چگالی وارد محاسبات میشود. به زبان ریاضی، تابع کرنل و خصوصیات آن نقش اساسی در همه محاسبات و کمیتها دارند.
توابع کرنلی که در روش SPH از آنها بهره برده میشود، شامل توابع گاوسی و اسپلاینها میشوند. مقدار اسپلاینها برای ذرات موجود در فاصلهای بیش از دو برابر طول هموارسازی، دقاًی برابر صفر است - برخلاف توابع گاوسی که حتی در فواصل خیلی دور نیز دارای سهمی هرچند اندک نیز هستند - . این توابع این امکان را فراهم میکنند تا از خطاهای محاسباتی حاصل از تخمین خواص ذرات همسایه جلوگیری شود.
