Дипломная (вкр): Численное моделирование процесса передачи сварки взрывом

а                                                       б

Рисунок 1.6 - Локализованное пластическое течение при высокоинтенсивном динамическом нагружении

Детально изучены процессы структурных преобразований, происходящих при получении металлических слоистых композиционных материалов методами сварки взрывом. Выявлены особенности образования дефектов дислокационного происхождения в зонах, прилегающих к сварным швам, показанных на рисунке 1.7.

Объяснен механизм хрупкого разрушения узких прослоек, в которых присутствуют мелкокристаллические дендриты, показанные на рисунке 1.8. На основании проведенных исследований сделаны предложения по повышению трещиностойкости многослойных композитов.

а                                             б

Рисунок 1.7 - Дефекты дислокационного происхождения в зонах, прилегающих к сварным швам

а                                             б

Рисунок 1.8 - Механизм хрупкого разрушения узких прослоек, в которых присутствуют мелкокристаллические дендриты

Проведенные исследования показали, что необходим поиск новых решений, обеспечивающих формирование нанокристаллической или ультрамелкозернистой структуры, отличающейся отсутствием остаточных растягивающих напряжений. Такой подход обеспечит высокий комплекс механических свойств металлических материалов конструкционного назначения. По мнению авторов проекта предлагаемое решение, основанное на интенсивном пластическом воздействии с экстремально высокими скоростями деформации, путем применения специальных схем взрывного нагружения, является одним из возможных перспективных путей решения отмеченной проблемы.

Профессор К. Хокамото подтвердил формирование ультрамелкозернистой структуры на субмикронном уровне при сварке взрывом в зоне точки контакта, показывающей значительное увеличение твердости, связанное с размером зерен. Определенное измельчение структуры также наблюдалось при интенсивной сдвиговой деформации под действием высокоскоростного удара со скоростью несколько сотен метров в секунду. Таким образом, показано, что при введении в материал интенсивной высокоскоростной сдвиговой деформации возможно получение ультрамелкозернистой структуры при использовании схем нагружения, сконструированных специально для этих целей.

Таким образом, анализ современного состояния проблемы образования ультрамелкозернистой структуры в металлах и сплавах, преимущественно в конструкционных сталях, при экстремально высоких скоростях деформации, полученных путем применения специальных схем взрывного нагружения показывает, что предлагаемые методы и подходы являются перспективными и новыми.

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЕМОЙ ПЛАСТИНЫ ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКОЙ

.1 Исходные данные

Исходные данные для расчета параметров метаемой пластины инженерной методикой приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1

Исходные данные

начальный угол метания (α) равен 1°9’.

Схема метания пластины дана на рисунке. 2.1.

Рис. 2.1 - Схема метания6 1 - детонатор; 2 - заряд ВВ; 3 - метаемая пластина; 4 - неподвижная пластина; 5 - массивное основание

Начальные технологические параметры:

D - скорость детонации заряда ВВ;

r - отношение массы заряда ВВ к массе метаемой пластины. При равенстве площадей имеем:

 (1)

где  - толщина и плотность заряда ВВ;

 - толщина и плотность метаемой пластины.

Кинематические параметры:

γ_к - угол соударения;

V₀ - скорость метаемой пластины;

Угол соударения γ_к связан со скоростью метания следующей зависимостью:

 (2)

Скорость метания можно оценить по следующей формуле:

 (3)

Учет потерь энергии при детонации ВВ

При расчете скорости и угла соударения необходимо учитывать неполную детонацию ВВ. Для расчета потерь при детонации ВВ в формулу для расчета скорости метания введем вместо параметра r параметр r_э

 (4)

2.2 Решение

=7,87 г/см³=0,9 г/см³=23 мм

=1 ммd_кр=11,5 ммD=4160 м/с

3. ОПИСАНИЕ ПО “AUTODIN”

.1 О компании ANSYS, Inc

Компания ANSYS, Inc. основанная в 1970 г., является разработчиком и поставщиком программного обеспечения для инженерных расчетов и технологий численного анализа, используемых в различных отраслях промышленности. Качество программного обеспечения компании ANSYS, Inc. подтверждается международными сертификатами. Программный комплекс ANSYS включает модули: ANSYS MULTIPHYSICS, ANSYS ICEM СFD, ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, ANSYS LS-DYNA, ANSYS AUTODYN, ANSYS ASAS/AQWA, ANSYS ACADEMIC и другие. Расчетный комплекс ANSYS является единой программной платформой для реализации полного цикла разработки нового изделия от технического задания на этапе проектирования до проверки правильности принятых решений испытаниями опытных образцов. Штаб квартира ANSYS, Inc. расположена в Канонсбурге (Пенсильвания, США). 40 подразделений компании с общей численностью сотрудников свыше 1400 человек расположены в различных странах мира. Партнерская сеть охватывает более 40 стран мира.

Компания EMT - авторизованный дистрибьютор, инженерно-консалтинговый и учебный центр ANSYS, авторизованный системный и учебный центр Autodesk, дистрибьютор Bentley, COADE и других передовых разработчиков программного обеспечения для автоматизации проектирования и инженерных расчетов, интегратор в области CAD/CAM/CAE/PDM-технологий.

.2 Модуль программы ANSYS - ANSYS AUTODYN

Программный расчетный комплекс, предназначенный для решения задач нестационарной нелинейной динамики (Transient Non-Linear Dynamics). Этот программный продукт разрабатывается компанией Century Dynamics с 1985 года. С 5 января 2005 года компания Century Dynamics является «дочерней» компанией ANSYS Inc (в том числе и из LS-DYNA).включает в себя встроенные средства для перпроцессинга (подготовки расчетной модели), постпроцессинга (получение данных о результатах расчета) и решатели. Также реализованы средства импорта КЭ моделей из различных систем.

Программный продукт AUTODYN позволяет решать задачи нелинейной "явной" динамики.

Программный продукт содержит: Препроцессор + Решатели + Постпроцессор;

Реализован нелинейный динамический анализ по явной схеме интегрирования, позволяющий анализировать физические процессы:

удар и пробивание;

- взрывы;

разрушение;

аэрогидроупругость.

Доступны виды инженерного анализа: Explicit FE + CFD + SPH + Распараллеливание вычислений.

Программный продукт содержит обширную библиотеку моделей и свойств материалов:

металлы, жидкости и газы;

бетон, керамика, стекло;

ткани и композиты;

взрывчатые вещества.

В пакете реализованы специальные алгоритмы и возможности:

автоматический контакт;

адаптивные сетки и пересчет;

связывание решателей;

создание пользовательских опций.

В AUTODYN реализованы методы МКЭ (FE), метод конечных объемов (FV), безсеточные (SPH), лагранжева схема 2D & 3D, ALE 2D & 3D, оболочки/мембраны 2D & 3D, балки/пружины/демпферы 3D, SPH 2D & 3D, Эйлерова схема 2D, Эйлер-FCT 2D & 3D, Эйлер-Годунов 3D

.3 Программный расчетный комплекс AUTODYN. Области применения

.3.1 Математическое описание постановок решения задач нестационарной нелинейной динамики AUTODYN

В состав расчетного комплекса ANSYS 11.0 как модуль AUTODYN включен в среду Workbench. В среде проекта Workbench автоматически будут передаваться КЭ модели созданные средствами:

Модуля Advanced Meshing (функциональные возможности ANSYS ICEM CFD и AI*Environment)

Модуля Meshing module новый модуль в 11.0 версии, сочетающий в себе возможности генератора сетки модуля Design Simulation и генератора сетки для CFD CFX-Mesh (тетраэдрические сетки с призматическими слоями для пристенных областей).

Движение сплошной среды (motion of continuum) может быть описано используя:

- закон сохранения массы (conservation of mass);

закон сохранения импульса (conservation of momentum);

для плоской симметрии (for planar symmetry);

закон сохранения энергии (conservation of energy);

модели материала (Material model);

начальных условий (Initial conditions);

- граничных условий (Boundary conditions).

Математическая модель движения сплошной среды, описанная с использованием перечисленных выше уравнений, численно решается в AUTODYN, используя явное интегрирование по времени (explicit time integration) и различные методики решения.

модели материалов описывают:

уравнение состояния (гидродинамика) (equation of state);

модель описания напряженно-деформированного состояния (пластичность) (strength model);

модель разрушения (failure model).

решатели используют методы:

конечных разностей (finite difference);

конечных объемов (finite volume);

конечных элементов (finite elements);

пространственной дискретизации частиц (Particles spatial discretization).

Все численные методы решения, использующиеся в расчетном комплексе AUTODYN, основываются на принципе разбиения сложной комплексной задачи на конечное число простых и малых по размеру задач. Этот процесс называется дискретизацией задачи. Уравнения, описывающие процессы, должны быть выражены дискретизацией (разбиения на элементарные составляющие) относительно:

времени;

пространства.

Временная дискретизация одинакова для различных решателей, применявшихся в расчетном комплексе AUTODYN (Исключая подциклы по Эйлеру). Под подциклами подразумевается смешанное интегрирование по времени. Этот метод обычно применяется для ускорения расчета в случае, когда размеры элементов в расчетной модели сильно отличаются. Для элементов с малыми размерами, применяются временные шаги с меньшим значением, а для элементов с большим размером применяются временные шаги с большим значением.

Отличия заключаются в дискретизации описания пространства (другими словами как задана геометрическая модель и как геометрические объекты взаимодействуют друг с другом в пространстве).

Продолжительность исследуемого процесса разбивается на заданное число временных шагов (обычно на тысячи или десятки тысяч).

Все решатели расчетного комплекса AUTODYN применяют явную (explicit) схему интегрирования по времени.

.3.2 Методы, используемые решателями AUTODYN

Геометрическая модель, описывающая задачу, разбивается на элементарные сопрягающиеся части (элементы, ячейки, частицы).

Используются базовые схемы:

Лагранжева - схема, основанная на материале, дискретные части движутся вместе с материалом;

Эйлерова - основанная на пространстве, дискретные части остаются неподвижными в пространстве и материал движется через них.

Эти методы, за исключением SPH (метода частиц), используют дискретизацию геометрии на численные сетки. Сетка описывает узлы (вершины в геометрической терминологии), ребра (линии) и элементарные объемы.

Сопрягающиеся элементы соединяются узлами, сопряжение фиксируется. В зависимости от типа решателя сетки могут быть структурированными и неструктурированными.метод - метод движения частиц, в котором, частицы взаимодействуют друг с другом с помощью интерполирующей функции. Нет фиксированного сопряжения.

Решатель ALE (Arbitrary Lagrange Euler) подобен Lagrange решателю, однако в процессе решения сетка переопределяется, для обеспечения совместности решения.

Сетка движется для достижения хорошего качества формы элементов и решение для каждой итерации происходит для измененной сетки.

Диапазон изменения сетки определяется переходом от чистой Lagrange формулировки к чистой Euler формулировке. Между двумя перемещениями сетки необходимо задать:

равнопотенциальный алгоритм (Equipotential algorithm) используемый для расположения узла относительно к ближайшим соседним узлам;

разбиение на равные промежутки в направлении X или Y: Координаты x или y каждого узла вершины перемещается в среднее положение относительно четырех ближайших;

параметры, определяемые пользователем.

Формулировка решателя ALE устраняет трудности, вызванные сильными искажениями сетки присущими Lagrange подсеткам.

3.3.3 Концепция создания расчетной модели AUTODYN

Деталь (Part) - это группа узлов и элементов для одного типа решателя. Расчетная модель может содержать несколько деталей для одного типа решателя. Детали используются для базовых процедур создания расчетной модели, решения и визуального отображения. Может быть как структурированной, так и неструктурированной. Детали используются для базовых процедур создания расчетной модели, решения и визуального отображения. Может быть как структурированной, так и неструктурированной.

Компонент (Component). Создание компонента обязательным не является. Применяется для удобства работы.

Группа деталей. Компонент может содержать любое число деталей в разных комбинациях. Используется, например, для задания скорости для группы деталей. Выбор подходящего типа решателя для определенных частей расчетной модели. Каждая расчетная модель AUTODYN состоит из нескольких деталей Parts.

Эти детали взаимодействуют друг с другом посредством:

- joins;

Lagrange - Lagrange Iteractions;

Euler - Lagrange Iteractions.

В этом случае создаются комплексные расчетные модели.

.3.4 Операционные системы, и распараллеливание AUTODYN

Лицензия расчетного комплекса ANSYS AUTODYN-2D устанавливается на компьютерах, работающих на платформах (PC/Windows и UNIX/Linux) вплоть до использования 2 процессоров (CPUs). Заметим, что 2D на сегодня не имеет возможностей распараллеливания расчетов (parallel computations).

Лицензия расчетного комплекса ANSYS AUTODYN-3D устанавливается на компьютерах, работающих на платформах (PC/Windows и UNIX/Linux) вплоть до использования 2 процессоров (CPUs) с поддержкой распараллеливания вычислений на 2 процессорах.

Использование дополнительных процессоров для лицензии ANSYS AUTODYN-3D Parallel Computing (per CPU, 3-8) распараллеливания вычислений доступно на компьютерах только на платформе PC/Windows.

Существует гибкий тип лицензии ANSYS AUTODYN-2D&3D Multitask + 3D Parallel Computing (per CPU, 3-8), этот тип лицензии позволяет использовать как дополнительные лицензии на распараллеливание вычислений parallel computing CPU’s, так и для дополнительных задач по PrepPost в AUTODYN, по запросу пользователя. Эти лицензии доступны только с помощью менеджера сетевых плавающих лицензий, работающего на аппаратной платформе UNIX/Linux для генерации лицензий на клиентских местах, работающих на платформе PC/Windows, и связаны с использованием лицензий на платформе PC/Windows для лицензий AUTODYN PrepPost.

Лицензии ANSYS AUTODYN-2D&3D PrepPost доступны лишь для платформы PC/Windows и работают только с системой лицензирования на платформе UNIX/Linux system licenses описанной в предыдущем пункте.

.3.5 Лицензии ANSYS для высших учебных заведений (ВУЗов)