Обработка материалов гидроабразивной резкой

Сегодня гидроабразивная резка является наиболее эффективным, гибким, экологически чистым и энергосберегающим методом. Благодаря своим качествам: простоте метода, точности, универсальности и дешевизне, прогрессивная технология гидроабразивной резки находит все более широкое применение во всем мире, а в последние годы успешно зарекомендовала себя и в России.

В ходе развития технологии гидроабразивной резки с целью оптимизации и определения её эффективности необходимо учитывать экономические, различные экспериментальные и теоретические исследования, которые были проведены. Из-за высокой стоимости и ограниченной производительности, численное моделирование этого процесса имеет очень важное значение.

Одновременное присутствие жидкости и твердого тела является одним из весомых аспектов численного моделирования. Кроме того, из-за дополнительной деформации и больших искажений в вычислительных сетях, модель жидкости дискретизации не может быть построена с помощью только метода Лагранжа. Исследование литературы показывает, что во всех вариантах моделирования процесса гидроабразивной обработки используется метод конечных элементов, либо моделируется воздействие частиц одного абразива, либо давление на мишень потоком воды.

Одним из методов решения одновременного присутствия жидкости и твердого тела, является использование эйлеровой сетки (для моделирования процесса жидкой среды) и сеток Лагранжа для моделирования не посредственно обрабатываемой детали. Многие виды программного обеспечения не способны воспроизвести моделирование такого процесса.

Еще одной проблемой при моделировании гидроабразивного процесса является наличие абразивных частиц в струе воды. С вычислительной точки зрения, процессорное время будет увеличено за счет увеличения количества этих частиц.

В этой статье представлено моделирование обработки водной струей проводят с использованием LS-DYNA.В связи с этим, были использованы метод SPH и метод ALE.

SPH Моделирование.

Связанные методы SPH/FEM используются для моделирования имитации гидроабразивной обработки. Материал мишени моделируется FEM и абразивная струя воды с частицами моделируется SPH. Для того, чтобы применить метод SPH в процессе моделирования, рассматриваются следующие допущения.

•      Скорость струи воды определяется равномерно и профиль скорости вывода не учитывается. Скорость струи определяется путем применения уравнения Бернулли на входе и выходе из трубы с учетом влияния потери жидкости в сопле.

VJ = 40.24 P^{1 / 2}                                                                       (1),

•      После ввода воздуха, струя воды остается в ядре до достижения материал.

Среднюю длину сердечника определим по следующей формуле.

X_C / d_N = 100                                                        (2),

где d_N обозначает диаметр струи воды.

•      Нормальная скорость абразивных частиц равна скорости струи воды. Для того, чтобы подтвердить полученные результаты, необходимые условия для резки струей воды моделирования рассматриваются в соответствии с экспериментальными условиями, определенными в работе. Эти данные приведены в таблице 1.

Таблица1.

Условия гидроабразивной резки

Абразивная струя воды имеет высоту 76 мм и диаметр 1,02 мм и разделяется на 2938 частиц SPH. Это количество частиц, основано на размере диаметра одной абразивной частицы, полученной из экспериментов (около 367 мкм). В безматериальной модели вместе с уравнением Грюнайзена состояния в LS-DYNA используются для введения модели материала воды. Рассмотренные основные параметры, чтобы иметь отношение к каждой модели указаны в таблицах 2 и 3.

Таблица 2.

Безматериальные свойства, используемые для воды

Таблица 3.

Значение коэффициентов в уравнении Грюнайзена используется для воды

Aбразивные частицы состоят из граната, свойства которых представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Свойства материала граната абразивной плотности

Эти частицы также смоделированы с помощью метода SPH. Линейное полиноминальное уравнение состояния считается за поведение материала абразива. Предлагаемое уравнение состояния принимается во внимание в соответствии следующим образом:

P = C1μ+ C2μ2+ C3μ3+ (C4μ+ C5μ2+ C6μ3)ρ0e

Распределение абразивных частиц среди частиц струи воды, объемная доля каждого материала сначала определяется на основе воды и абразивных частиц массового расхода и объема струи воды. Число SPH частиц граната и поток воды получается с учетом объема каждой абразивной частицы и её реального размера. Например, есть 2340 SPH частицы воды и 58 SPH абразивных частиц в модели при давлении 100 МПа. Наконец, абразивные частицы SPH распределены случайным образом между частицами воды SPH в модели, как показано на рис.1.

Рисунок 1. Распределение абразивных и водяных SPH частиц

Для имитации целевого фрагмента, который изготовлен из низкоуглеродистой стали сплава (таблица 5), используется блок с восемью узлами и возможностью модели материала к кинематическому закаливанию. Эта модель имеет размеры 30×10×55 мм и находится в зацеплении с помощью полностью интегрированного элемента с восемью узлами, чтобы преодолеть проблему режимов песочных часов.

Таблица 5.

Значения механических свойств использования низкоуглеродной стали

Рисунок 2 Моделирование поперечного сечения мишени во время резки струей воды

Поперечное сечение заготовки через разные промежутки времени контакта между струей воды и цели определяется с помощью контактной CONTACT-ERODING-NODES–TOSURFACE. Следует отметить, что все частицы представляют SPH в качестве рабов и целевая часть представляет в качестве ведущего.Здесь, глубина резания может быть определена путем применения вызванных скоростей при различных давлениях. На рис.5 показано поперечное сечение мишени части во время резки струей воды моделирования.

Моделирование ALE.

В данном разделе, все предположения, параметры и условия эксперимента выбраны в предыдущем разделе. В дополнение к целевой части и струе воды, окружающий воздух также должен быть смоделирован при моделировании ALE (рис. 2). Все указанные компоненты должны быть смоделированы с помощью ALE элементов. Требуемые свойства для моделирования воздуха представлены в таблицах 6 и 7.

Таблица 6.

Нулевая свойства модели воздуха

Таблица 7.

Константы линейного уравнения состояния воздуха

Для сокращения времени работы центрального процессора, целевая часть имеет размеры 15×10×55 мм. Тем не менее, рассматриваемые размеры не имеют никакого влияния на результат. Вот некоторые необходимые команды для выполнения моделирования ALE в LS-DYNA:

NITIAL-VOLUME-FRACTION – инструмент используется для определения объемной доли каждого материала в этой симуляции. На самом деле, эта команда снимает ограничение, что каждый элемент должен состоять из одного вещества.

ALE-REFERENCE-SYSTEM-GROUP – способность, которая заставляет струю воды и элементы воздуха следовать за струей воды по заданной траектории.

CONSTRAINED-LAGRANGE-IN-SOLID – команда обеспечивает связь между методами LAGRANGE, эйлеровых или ALE методом. И, наконец, глубина резания может быть определена в соответствии с различными начальными скоростями. На рис.3 показано поперечное сечение мишени части во время резки струей воды под имитацию давлении 100 Мпа.

Рисунок 3. Поперечное сечение заготовки в разные отрезки времени

Результаты, полученные с использованием SPH и моделирования ALE при нескольких значениях давления, сравниваются с имеющимися экспериментальными результатами на рис.8. Как показано на этом рисунке, глубина резания возрастает по мере приложенного давления в связи с увеличением энергии струи воды. Важно отметить, что результаты метода ALE имеют более низкие значения, чем те, которые получены из метода SPH и экспериментального исследования. Основная причина этого различия состоит в том, что каждый из частиц абразивного материала в методе SPH рассматривается как единое сосредоточение частиц, в то время как в методе ALE, все абразивные частицы растворяются в воде.

Заключение.

В данном исследовании была смоделирована струйная гидроабразивная резка с использованием метода SPH и метода ALE. Есть три важных вопроса, включая взаимодействие текучих сред с твердыми частицами, динамики ударных нагрузок и истирания в этом процессе. На основании особенностей LS-DYNA для моделирования такого типа режущих проблем и умение анализировать вышеуказанные вопросы одновременно, это программное обеспечение было использовано в качестве инструмента анализа. Полученные результаты очень хорошо соответствуют экспериментальным данным и свидетельствуют о надежности данного программного обеспечения для имитации такого процесса обработки. Конечно, это программное обеспечение имеет недостаток в контактном моделировании, так как некоторые частицы SPH могут проникать в целевую часть, не сталкиваясь препятствием. Исследования показывают, что полученные результаты от метода ALE имеют гладкое поведение в отличие от синусоидального поведения в методе SPH.И наконец, настоящее моделирование превосходит существующие методы резания струей воды. Более подробные выводы по использованию методов ALE и SPH в численном моделировании процесса гидроабразивной резки можно будет сделать лишь тогда, когда будут проведены дальнейшие более глубокие исследования.