بخشی از مقاله
چکیده
پینفرمینگ یک فرایند شکلدهی انعطافپذیر است که بهطور معمول در صنایع هوایی براي شکلدهی پوستهي بال و پنلها بهکار میرود. بررسی پارامترهاي پینینگ، بهدلیل نیاز به استفاده از روش-هاي تجربی که شامل تعداد زیادي آزمایشهاي فیزیکی توأم با سعی و خطا میباشند، هزینهبر و چالشبرانگیز است. اغلب، براي بهدست آوردن فرم مورد نظر، تکرارهاي زیادي نیاز است بدون آنکه تضمینی براي بهدست آوردن هندسهي مطلوب وجود داشته باشد. شبیه-سازيهاي عددي مطمئن، میتواند باعث کاهش زمان و هزینه شود . در روش بهکار رفته در این مقاله، ابتدا مدل برخورد یگانهي یک گلولهي فولادي به یک صفحهي آلومینیمی در سرعتهاي مختلف توسط حلگر صریح نرمافزار آباکوس 6.11 شبیهسازي شد و توزیع تنش پسماند و گودي ایجاد شده بهدست آمد. سپس با استفاده از اطلاعات حاصل شده، در مرحلهي بعد، برخورد چندگانه براي شبیه-سازي برخورد تعداد بیشتري گلوله مورد تحلیل قرار گرفت و پروفیلهاي تنش پسماند بهصورت تابعی از درصد سطح ضربه زده شده یا پوششدهی بهدست آمد. در ادامه، پروفیلهاي توزیع تنش، با استفاده از یک روش گرمایی معادل براي شبیهسازي فرایند شکل-دهی یک ورق مسطح آلومینیومی توسط حلگر استاندارد نرمافزار آباکوس بهکار گرفته شدند.
واژههاي کلیدي:شاتپینینگ، پینفرمینگ، روش اجزا محدود، تنش پسماند، تغییرشکل پلاستیک
مقدمه
براي سالها، صنایع هواپیمایی از شاتپینینگ1 بهعنوان یک فرایند شکلدهی براي بعضی قطعات فلزي مانند پوستهي بال2 هواپیماها استفاده میکردند. اصول شات پینینگ، شامل استفاده از ضربات تعداد زیادي گلوله سخت و بهطور معمول فولادي روي سطح قطعات فلزي میباشد که این کار منجر به ایجاد تغییر شکل پلاستیک در سطح میشود . در واقع بهکار بردن جریانی از گلولههاي فولادي که سطح قطعات فلزي را تحت ضربه قرار میدهد، یک عملیات سطحی رایج براي بهبود استحکام خستگی یا خوردگی تنشی آن قطعات می-باشد. به این صورت که ضربهي هر یک از گلولهها بهعنوان یک چکّش کوچک یا به نوعی یک فرایند آهنگري موضعی عمل کرده و باعث ایجاد تغییر شکل پلاستیک و ایجاد گودي کوچکی روي سطح میشود.
در لایههاي زیرین سطح، ماده سعی میکند این تغییر شکل را به حالت اولیه بازگرداند که این موضوع باعث ایجاد تنش پسماند فشاري میشود که مانع از شروع ترك در قطعه میگردد. بر اساس همان اصول اما با استفاده از گلولههاي با اندازهي بزرگتر و سنگین-تر، پروفیل تنش پسماند ایجاد شده به اندازهي کافی بزرگ میشود که از آن میتوان براي تغییر شکل قطعه استفاده کرد . به این فرایندشکلدهی کارسرد پینفرمینگ3 میگویند.این فرایند قابلیت اجرایی زیادي در قطعات هوایی دارد، آنجا که ساخت پروفیلهاي آیرودینامیک نیاز به ایجاد انحناهاي ملایم و بهطور معمول دوطرفه روي قطعات بزرگ مانند پنلها و پوستهي بال هواپیماها دارد.
این فرایند بهطور کلی هزینههاي ساخت و تولید پایینتري دارد بهدلیل آنکه به قالب و پرس در آن نیاز نیست و همچنین در دماي اتاق انجام میگیرد. بهعلاوه، این فرایند بهدلیل امکان تغییر سادهي پارامترهاي فرایند، تکرارپذیري و انعطافپذیري خوبی دارد.بیشترین ایراد پینفرمینگ آن است که کنترل فرایند شکلدهی سخت است. این موضوع بهدلیل این است که متغیرهاي فرایندي زیادي میتواند روي انحناي تولید شده بهوسیله پینفرمینگ تأثیر بگذارد مانند: قطر گلوله، سرعت گلوله، نرخ پوششدهی 4 گلولهها، زاویهي برخورد گلولهها و جنس گلولهها و ورق. همچنین این فرایند بهدلیل برخورد شمار زیادي گلوله روي سطح یک قطعهي فلزي، یک فرایند تصادفی محسوب میشود.
بنابراین براي مدت زمان طولانی، پین فرمینگ بهصورت یک فرایند سعی و خطا بود و تجربه اپراتورها نقش خیلی مهمی در فرایند بازي میکرد . اما با توسعه کامپیوتر و روش اجزا محدود، استفاده از شبیهسازي اجزا محدود براي پیش-بینی تغییر شکل قطعات، طراحی فرایند پینینگ و براي کاهش زمان آزمایشها امکانپذیر شد.بهطور کلی، براي شبیهسازي فرایند پین فرمینگ سه خانواده از مقایسههاي بارگذاري معادل، بر اساس این فرض که، شاتپینینگ یک حالت از تنش و کرنش ایجاد میکند که فقط به فاصله از سطح بستگی دارد، شکل گرفت. این فرض اجازه میدهد که شبیهسازي شکلدهی در یک هزینهي محاسباتی منطقی اجرا شود .[1] ابتدا گراستی و اندرو، براي ایجاد کرنشهاي پلاستیک نزدیک سطح قطعه، یک مدل بارگذاري فشاري معادل روي المانهاي پیوسته پیشنهاد کردند .[2]خانوادهي دوم از بارگذاري گرمایی استفاده کردند.
لیورس و پریور، از دما و ضریب انبساط گرمایی براي ایجاد پروفیل تنش نا-متوازن در المانهاي پوسته5 استفاده کردند .[3] وانگ، از بارگذاري گرمایی المانهاي پوسته بهطور کاملمقید شده با توزیع دمایی غیر یکنواخت، براي ایجاد کرنشهاي پلاستیک موضعی در نزدیکی سطح استفاده کرد .[4]روش سوم، متکی بر تنشهاي اعمال شده بود. هان، تنشهاي اعمال شده بهصورت عددي محاسبه شده را براي المانهاي پیوستهي بزرگ بهمنظور مدل کردن پینفرمینگ بهکار گرفت .[5] میاو، یک شبیهسازي تحلیلی- عددي ترکیبی سه مرحلهاي براي استرسپین-فرمینگ6 پیشنهاد کرد .[6] پروفیلهاي تنش محاسبه شده با شبیه-سازيهاي ضربهاي براي محاسبهي ممانهاي خمشی معادل و نیروهاي اتّساع، استفاده شد. سپس این ممانها و نیروها براي تعیینتغییر شکل، به مرزهاي المان پوسته اعمال شدند .
گاریپی و همکارانش، روشی را پیشنهاد کردند که بهصورت عددي تنشهاي اعمال شده به نقاط انتگرالگیري مقطع7 المانهاي پوسته را بهطور مستقیم محاسبه میکرد .[7]در این مقاله ابتدا به مدلسازي برخورد تک گلوله پرداخته می-شود تا ابعاد مش و ناحیهي تحت تأثیر قرار گرفته در یک تک برخورد مشخص شود. از آنجا که شکلدهی یک ورق با ابعاد بزرگ، شامل برخورد میلیونها گلوله است، شبیهسازي آن کاري غیر اقتصادي میباشد .اما میتوان فرض کرد در حین شکلدهی، ورق کاملا مقید است، و درون آن تنش پسماند ایجاد میشود. سپس با برداشته شدن قیدها، ورق شکل منحنی به خود میگیرد. با اینفرض، برخورد تصادفی تعداد 300 گلوله روي ناحیهاي کوچک شبیه-سازي شد و توزیع تنش پسماند در ضخامت ورق بهدست آمد. سپس با استفاده از یک روش گرمایی معادل، شکلدهی ورق آلومینیومی مورد تحلیل قرار گرفت.
روش مدلسازي شبیهسازي برخورد یگانه8
در این مرحله، هدف شبیهسازي المان محدود برخورد یک گلولهي فولادي به قطر 3. 175 mm که بهصورت سطح تحلیلی صلب در نرم افزار آباکوس مدل شده با سرعت مشخص به یک صفحهي آلومنیومی با ضخامت 8 mm میباشد. مدل هندسی صفحه فقط ناحیهي نزدیک به ضربه را در نظر میگیرد که این ناحیه، منطقهاي است که تنشهاي پسماند در آن ایجاد میشود. مشخص شده است که فاصلهاي به اندازهي سه برابر قطر گلوله، براي پوشش دادن ناحیه تغییر شکل و بهدست آوردن پروفیلهاي مناسب مورد نظر کافی است .[8] همچنین بهدلیل تقارن، یکچهارم صفحه مدل شده و از یکچهارم وزن گلوله استفاده میشود.
براي بهدست آوردن نتایج دقیقتر، اندازهي المانها در ناحیهي برخورد کوچکتر در نظر گرفته شدهاند. المان استفاده شده، از نوع پیوستهي سه بعدي هشت گره با نقاط انتگرالگیري کاهش یافته - C3D8R - میباشد . اندازهي مش به سمت خارج ناحیهي برخورد افزایش مییابد تا حجم محاسبات کاهش یابد - شکل . - 1صفحهي مورد نظر از جنس آلومینیوم در نظر گرفته شده که داراي خواص کشسانی و مومسانی با سختشوندگی همسانگرد و مستقل از نرخ کرنش میباشد . برهمکنش بین گلولهها با یک رفتار مماسی، طبق قانون کولُمب و با ضریب اصطکاك 0/47 مدل شد. تحلیل از نوع دینامیکی بوده و در حلگر صریح نرم افزار آباکوس9،انجام شده است.
شبیهسازي برخورد چندگانه10
در این مرحله از شبیهسازي، برخورد تعداد بیشتري گلوله به صفحهي آلومنیومی مدنظر قرار دارد. از آنجایی که این فرایند ماهیت تصادفی دارد بنابراین نیاز است که موقعیت گلولهها بهگونهاي در نظر گرفته شود که به واقعیت نزدیک باشد . براي این منظور از یک کد در نرم-افزار متلب که موقعیت گلولهها را در فضا بهصورت تصادفی تعیین کرده و همچنین کنترل میکند که گلولهها در هم فرورفتگی نداشته باشند، استفاده شد. براي شبیهسازي، تعداد 300 گلوله و ناحیهاي به اندازه 26×26 mm2 در نظر گرفته شد که فقط ناحیه مرکزي آن به ابعاد 8×8 mm2، تحت ضربات گلوله قرار میگیرد - شکل . - 2 سایر مشخصات مدل از جمله: اندازهي مش، نوع المان، شرایط مرزي، نوع ماده و ... مشابه مدل برخورد یگانه میباشد. شکل 3، توزیع تصادفی گلولهها را در ناحیهي برخورد نشان میدهد.
شبیهسازي فرایند پینفرمینگ یک صفحهي مسطح
در این مرحله با استفاده از نتایج بهدست آمده از مراحل قبل، فرایند پینفرمینگ یک صفحهي مسطح شبیهسازي میشود. براي این منظور صفحهاي از جنس آلومینیوم با ابعاد 300×300 mm2 درنظر گرفته شده است . در این شبیهسازي پروفیل تنش پسماند بهعنوان یک شرط اولیه با استفاده از یک روش گرمایی معادل به صفحه اعمال میشود. از یک مدل پوستهي چندلایه در آباکوس استاندارد جهت مدلسازي صفحه، استفاده شد. همچنین با استفاده از یک ضریب انبساط گرمایی مناسب، پروفیل تنش پسماند میتواند به-صورت یک پروفیل دمایی در لایههاي المان پوسته اعمال شود.تحلیل تنش جابهجایی است، غیر از قیدهاي تقارن و قیدي که براي جلوگیري از حرکت جسم صلب در نظر گرفته شده، سایر قیدها از روي ورق برداشته میشوند و تنش حرارتی ایجاد شده در گام اول باعث تغییر شکل ورق میشود.
نتایج و بحث برخورد یگانه
شکل 4، پروفیل تنش پسماند فشاري ایجاد شده در ورق را در سرعت 70 m/s را نشان میدهد . همانطور که در شکل مشخص است ابعاد مدل براي نشان دادن ناحیه متأثر از برخورد یک گلوله مناسب میباشد؛ بهگونهاي که میتوان توزیع تنش و همچنین تغییر شکل ایجاد شده در این ناحیه را بهدست آورد.براي این شبیهسازي که با توجه به تقارن، در آن یکچهارم ورق مدل میشود، دو گام در نظر گرفته شده است. در گام اول، ورق به-صورت کامل مقید میشود، پروفیل دمایی بهدست آمده از توزیع تنش پسماند، بهعنوان شرط اولیه به ورق اعمال میشود و در یک تحلیل گرمایی-جابهجایی ورق همدما میشود. در گام دوم که یک شکلهاي 5 و 6، به ترتیب نمودارهاي توزیع تنش پسماند فشاري در راستاي عمق و گودي ایجاد شده در سطح برخورد را به-ازاي سرعتهاي مختلف برخورد نشان میدهند. همانطور که از دو شکل مشخص است، با افزایش سرعت گلوله، تنش پسماند و طول و عمق گودي ایجاد شده در ورق افزایش پیدا کرده است.
