آنالیز کوپل حرارتی – مکانیکی: تحلیل فرآیند اکستروژن در آباکوس

بدون شک بحث مدل‌سازی فرآیندهای شکل‌دهی فلزات از زیباترین و در عین حال پرکاربردترین مسائل صنعتی و آموزش آباکوس است که در نزد محققین و صنعتگران محبوبیت چشمگیری دارد. در ادامه تکمیل حلقه آموزش آباکوس در حوزه مدل‌سازی فرآیندهای شکل‌دهی، پس از آموزش تحلیل فرآیندهای نورد، فورج و کشش عمیق در آباکوس، تصمیم گرفتیم تا به آموزش مدل‌سازی و تحلیل فرآیند اکستروژن در آباکوس بپردازیم. آنچه که برای شما در این آموزش آباکوس در نظر گرفته‌ایم درک همزمان مفاهیم آنالیز کوپل حرارتی – مکانیکی در آباکوس، تولید حرارت ناشی از اصطکاک و مدل‌سازی فرآیند اکستروژن (Extrusion) است. این آموزش آباکوس جذاب و زیبا را از دست ندهید.

فرآیند اکستروژن چیست؟

اکستروژن (Extrusion) یکی از روش‌های شکل‌دهی شمش‌ها یا فلزات نیم ساخته است که برای کاهش ضخامت یا سطح مقطح این مواد به کار می‌رود. در این دستگاه از پیستونی قوی جهت اعمال بار یکنواخت بر قطعه مورد نظر و پرس کردن و فشار دادن آن در بدنه دستگاه استفاده می‌شود. از آنجایی که اصطکاک میان بدنه دستگاه و قطعه زیاد است، درجه حرارت نیز زیاد می‌شود؛ بنابراین لازم می‌شود که بدنه دستگاه هر چند بار خنک کاری شود.

شرح مسئله شبیهسازی فرآیند اکستروژن در آباکوس:

شکل زیر، تصویر مقطع یک استوانه آلومینیومی را نشان می‌دهد که در یک قالب اکستروژن قرار گرفته است. شعاع اولیه استوانه 100 میلی‌متر و طول اولیه آن 300 میلی‌متر است. قرار است شعاع استوانه در اثر فرآیند اکستروژن به میزان 33 درصد کاهش یابد. قالب اکستروژن می‌تواند به‌عنوان یک جسم صلب ایزوترمال در نظر گرفته شود. در حین فرآیند اکستروژن، قطعه استوانه‌ای با سرعت 25 میلی‌متر بر ثانیه به سمت پایین فشار داده می‌شود. وجود اصطکاک بین قطعه و دیواره داخلی قالب سبب می‌شود تا دمای قطعه در حین فرآیند اکستروژن افزایش یابد. پس از اتمام فرآیند شکل‌دهی، به قطعه اجازه داده می‌شود تا با محیط پیرامون خود هم‌دما شود (20 درجه سلسیوس). با داشتن اطلاعات فوق، فرآیند شکل‌دهی قطعه استوانه‌ای به روش اکستروژن را در آباکوس مدل‌سازی کنید.

• ◄ حوزه کاربرد: مهندسی مکانیک، مهندسی متالورژی، مهندسی صنایع
• ◄ اهداف آموزش: شبیه‎سازی اکستروژن در آباکوس ، آنالیز کوپل حرارتی – مکانیکی در آباکوس، تحلیل اکستروژن توسط آباکوس، تولید حرارت ناشی از اصطکاک در ABAQUS، تعریف انتقال حرارت همرفتی در آباکوس

حل مسئله مدل‌سازی فرآیند اکستروژن در آباکوس:

گام اول : ایجاد مدل هندسی قالب اکستروژن و قطعه استوانه‌ای

با توجه به وجود تقارن هم‌زمان در مدل هندسی و بارگذاری و برای کاهش زمان حل مسئله، می‌توان فرآیند مورد نظر را به شکل تقارن محوری مدل‌سازی نمود (آشنایی با مفهوم تقارن محوری در اجزا محدود). لذا با توجه به شرح مسئله در بخش پیشین به ایجاد دوقطعه تقارن محوری تغییرشکل‌پذیر از نوع Shell بپردازید. ممکن است از خود بپرسید که قالب اکستروژن صلب است و باید به شکل Rigid مدل شود. بله، حق با شماست ! کمی صبر کنید تا در ماژول Interaction به صلب کردن قالب بپردازیم. نقاط مورد نیاز برای ایجاد مدل هندسی قالب اکستروژن و قطعه استوانه‌ای در شکل‌های زیر نشان داده شده است.

گام دوم : تعریف ماده و اختصاص سطح مقطع به قطعات

برای تعریف ماده و اختصاص سطح مقطع مناسب به قطعات وارد ماژول Property شوید. با توجه به طولانی بودن پارامترهای مورد نیاز برای ایجاد مواد، دستورالعمل زیر را به شکل مرحله به مرحله و با دقت انجام دهید :

• Material = Aluminum
• General → Density: 2700 (kg.m^-3)
• Thermal → Conductivity → Type : Isotropic ; Use Temperature-Dependent Data

مطابق راهنمای تصویری زیر

• Thermal → Inelastic Heat Fraction: 0.9
• Thermal → Specific Heat: 880 (J Kg^-1K^-1)
• Mechanical → Elastic → Young’s Modulus: 69 GPa, Poisson’s Ratio: 0.33
• Mechanical → Expansion → Type: Isotropic → Reference temperature : 20 ^oC ; Expansio Coeff alpha : 8.42e-5 (K^-1)

همچنین برای تعریف خواص ناحیه پلاستیک در آلومینیوم از جدول زیر کمک بگیرید :

در گام بعد و مطابق راهنمای زیر به تعریف ماده برای قالب بپردازید.

• General → Density: 2700 (kg.m^-3)
• Thermal → Conductivity: 200 (W m^-1 K^-1)
• Thermal → Specific Heat: 880 (J Kg^-1K^-1)
• Mechanical → Expansion → Type: Isotropic → Reference Temperature : 20 ^oC ; Expansio Coeff alpha : 8.42e-5 (K^-1)
• Mechanical → Elastic → Young’s Modulus: 200 GPa , Poisson’s Ratio : 0.3

سپس دو سطح مقطع از نوع Solid, Homogeneous با مواد بالا ایجاد نمایید. در آخرین مرحله از فرآیند مدل‌سازی در ماژول Property ، ماده آلومینیوم را به قطعه استوانه‌ای و ماده ثانویه را به قالب اکستروژن تخصیص دهید .

گام سوم : مونتاژ قطعات در ماژول Assembly آباکوس

پس از تعریف مواد و اختصاص آنها به قطعات، به ماژول Assembly رفته و قالب و استوانه را وارد محیط کنید. از آنجایی که تعریف مدل‌ها در نقاط مناسب خود انجام شده است، نیازی به جابجایی یا دوران قطعات نیست.

گام چهارم : تعریف گام‌های زمانی حل در ماژول Step آباکوس

با توجه به ماهیت مسئله، نیاز داریم تا 4 گام حل (Step) از نوع کوپل حرارتی – جابجایی (Coupled Temp-Displacement) بر اساس راهنمای تصویری زیر ایجاد کنیم ( تذکر: به زمان هر گام، نحوه مقداردهی به اینکریمنت اولیه، ماکزیمم دمای قابل تغییر در هر گام و سایر داده‌های ورودی دقت کنید)

• تثبیت قطعه کار در داخل قالب اکستروژن

• فرآیند اکستروژن

• حذف تماس بین قالب اکستروژن و قطعه

• خنک‌کاری قطعه کار

گام پنجم : تعریف خواص تماسی در محیط Interaction آباکوس

پس از تعریف گام‌های حل در ماژول Step به محیط Interaction وارد شوید. با هدف تسهیل در انتخاب محل‌های تماس و نیز تعیین شرایط مرزی و اولیه، از مسیر Tools → Surface → Create (در منوی اصلی) به ایجاد 4 دسته‌ سطح مجزا و نامگذاری آنها مطابق با راهنمای تصویری زیر بپردازید.

سپس، برای تعریف خواص تماس و برخورد، از مسیر Interaction → Property → Create در منوی اصلی اقدام به وارد کردن مقادیر ضریب اصطکاک و نوع رفتار مماسی مطابق تصویر زیر نمایید.

در ادامه، به کمک قید Rigid Body، رفتار قالب را همانند یک قطعه صلب تعریف کنید. برای این منظور می‌توانید از مسیر Constraint → Create در منوی اصلی و مطابق راهنمای تصویری زیر اقدام نمایید.

با توجه با ماهیت مسئله، نیاز به تعریف تماس بین بدنه افقی استوانه و قالب، بدنه عمودی استوانه و قالب و همچنین تعریف انتقال حرارت از نوع همرفت داریم. لذا به کمک سطوح تعریف شده در گام پیشین و مطابق راهنمای تصویری زیر، تماس‌های موجود در مسئله را ایجاد نمایید.

• تعریف انتقال حرارت در قطعه استوانه‌ای (Thermal Film Interaction)

• تماس بین بخش افقی قطعه استوانه‌ای و قالب اکستروژن (INTER-H)

• تماس بین بخش عمودی قطعه استوانه‌ای و قالب اکستروژن (INTER-V)

درست مشابه تصویر قبل، این‌بار برای سطوح Surf-Die-Contact و Surf – Workpiece – Vertical عمل کنید.

با توجه به توضیحات داده شده در تعریف گام‌های زمانی حل، در Step3 و Step4 باید به حذف تماس و خنک‌کاری قطعه بپردازیم. لذا مطابق تصویر زیر، تماس تعریف شده بین قطعه و قالب اکستروژن را در گام‌های مذکور غیرفعال کنید.

گام ششم : تعریف شرایط مرزی و اولیه حاکم بر مسئله

پس از تعریف تماس بین قالب و قطعه، به ماژول Load رفته و مطابق راهنمای زیبه تعریف شرایط مرزی حاکم بر مسئله بپردازید.

• مقید ساختن قالب اکستروژن

• تعریف قید برای لبه تقارن محوری استوانه

• جابجایی جزیی قطعه استوانه‌ای برای تشخیص تماس توسط نرم‌افزار آباکوس

• حرکت قطعه در درون قالب و انجام فرآیند اکستروژن

• تعریف دمای قالب

از آنجایی که از تبادل حرارت بین قالب و قطعه صرفنظر کرده‌ایم، دمای قالب تا پایان تحلیل ثابت خواهد بود.

همچنین از مسیر Predefined Field → Create در منوی اصلی، دمای اولیه قطعه کار را تعریف نمایید.

گام هفتم : ایجاد شبکه اجزای محدود (مش‌زنی قطعات در آباکوس)

 در آخرین گام پیش از حل مسئله اکستروژن در Abaqus، به محیط Mesh وارد شده و مطابق تصاویر زیر، به دانه‌بندی سطوح و ایجاد شبکه اجزای محدود بپردازید ( پیش‌نیازها : آموزش دانه‌بندی در آباکوس، انواع شکل المان در آباکوس، تنظیمات الگوریتم مش‌زنی در آباکوس). المان CAX4T  انتخاب شده است.

با اتمام مراحل فوق، مسئله را برای حل به ماژول Job ارسال نمایید.

تصویر زیر، کانتور تنش قطعه استوانه‌ای در حین فرآیند اکستروژن را نشان می‌دهد.

انیمیشن زیر کانتور تنش قطعه استوانه‌ای حین تحلیل فرآیند اکستروژن در آباکوس را نشان می‌دهد.

منبع: مرجع آموزش نرم‌افزارهای مکانیک