В лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab) выполнено конечно-элементное (КЭ) исследование поведения пластмассовых деталей, изготовленных методом литья под давлением, в том числе отливки прямоугольного параллелепипеда (балки) и детали сложной геометрии - крышки мотора автомобиля BMW.
Целью работы была демонстрацию возможностей программной системы Moldex3D в области реального 3D-моделирования литья пластмасс, а также интеграции системы Moldex3D и систем конечно-элементного анализа, в частности, программной системы ANSYS. Также была поставлена задача исследовать, насколько дефекты, приобретаемые пластмассовой деталью в процессе производства методом литья под давлением, такие как остаточные напряжения, появление линий холодного спая, усадка и коробление, т.е. деформация формы изделия вследствие действия внутренних напряжений, вызванным неравномерным охлаждением, влияют на механические свойства искомой детали, в частности, на спектр собственных частот колебаний [1].
Произведена оценка усадки и коробления отливки балки, сделано сравнение результатов численного эксперимента и данных, полученных с помощью технологических формул. Численное решение с высокой точностью аппроксимирует аналитическое решение. Также выполнена оценка усадки и коробления при различных местах впрыска материала в формующую полость, выбран оптимальный вариант расположения литников. [2]
На рис. 1 представлена КЭ модель балки, построенная в программе ANSYS, а на рис. 2 - две собственные формы колебаний балки, полученные в ANSYS с учётом дефектов отливки в сравнении с аналитическим решением.
В ходе исследования был проведён анализ литья детали сложной геометрической формы, а именно крышки двигателя автомобиля BMW (на рис. 3 представлена её CAD-модель) [2].
Рис. 1. Конечно-элементная модель балки
Рис. 2. Собственные формы колебания балки
На рис. 1 представлена КЭ модель балки, построенная в программе ANSYS, а на рис. 2 - две собственные формы колебаний балки, полученные в ANSYS с учётом дефектов отливки в сравнении с аналитическим решением.
Рис. 3. CAD-модель крышки двигателя автомобиля BMW
В ходе исследования был проведён анализ литья детали сложной геометрической формы, а именно крышки двигателя автомобиля BMW (на рис. 3 представлена её CAD-модель) [2].
Были получены оценка усадки, коробления и остаточных напряжений данной детали. При анализе отливки моделировался такой важный фактор, как ориентация стекловолокна в отливаемой детали. Кроме того, было экспериментально определено давление выдержки, необходимое для ликвидации линий спая в отливке. Далее в программной системе ANSYS был проведён анализ спектра собственных частот для анизотропной гетерогенной и изотропной моделей детали. Также произведена оценка влияния усадки, коробления и остаточных напряжений на спектр собственных частот детали.
Рис. 4. Заполнение литьевой формы (Moldex3D)
Рис. 5. Объёмная усадка детали (%) (Moldex3D)
Рис. 6. Линии холодного спая (Moldex3D)
Рис. 7. Ориентации волокна (Moldex3D)
Было получено, что в результате отливки объёмная усадка детали составила около 5%. Значения частот первых собственных форм колебаний детали при учёте усадки, коробления и остаточных напряжений понижаются по сравнению с частотами изотропной модели без учётов дефектов производства методом литья.
Рис. 8. Анизотропный гетерогенный материал
Рис. 9. Конечно-элементная модель крышки двигателя в ANSYS
Таким образом, с использованием комплекса программных систем Moldex3D – ANSYS, позволивших смоделировать процесс изготовления детали и учесть его влияние на механические свойства изделия, получен уточнённый спектр собственных частот колебаний крышки двигателя. Немаловажно, что анализ проводился при достаточно высоких значениях коробления и остаточных напряжений. Хотя при этих величинах деталь пригодна и для эксплуатации, но особенности процесса изготовления оказывают заметное влияние на собственные частоты детали.
Рис. 10. Полное коробление в детали - поле распределения (ANSYS)
Рис. 11. Поле распределения остаточных напряжений в детали (ANSYS)
Рис. 12. Вторая собственная форма колебаний - анизотропный гетерогенный материал с учётом усадки, коробления и остаточных напряжений (частота f = 130.64 Гц, ANSYS)
Рис. 13. Вторая собственная форма колебаний - изотропный материал
(частота f = 141.56 Гц, ANSYS)
Полученный спектр собственных частот детали с учётом данных особенностей наиболее близок к спектру частот реальной детали, который необходимо знать, чтобы предотвратить резонанс колебаний мотора и крышки в двигателе. Если же данный резонанс будет допущен, то это приведёт к нежелательным акустическим колебаниям.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Список литературы:
1. Т. Оссвальд, Л.-Ш. Тунг, П. Дж. Грэманн, Литьё пластмасс под давлением. Издательство "Профессия", Санкт-Петербург, 2008.
2. Святогоров И.Г. Конечно-элементное моделирование и исследование механического поведения пластмассовых деталей, изготовленных методом литья под давлением. Диссертация на соискание академической степени магистра по направлению 150300 "Прикладная механика", Санкт-Петербург, СПбГПУ, каф. "Механика и процессы управления", научн. руководители: А.И. Боровков, Д.С. Михалюк, 2010.