Πειραματική & αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας διέλασης διμεταλλικών σωλήνων

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αρχικά μελετάται η διέλαση διμεταλλικών σωλήνων από θεωρητική και μαθηματική άποψη. Κατόπιν παρουσιάζονται αποτελέσματα εργαστηριακών δοκιμών. Ακολουθεί μοντελοποίηση και παραμετρική μελέτη της κατεργασίας με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, τα αποτελέσματα της οποίας συγκρίνονται με τα αντίστοιχα πειραματικά. Στο 1ο Κεφάλαιο δίνονται αρχικά ο ορισμός της διέλασης καθώς και τα γενικά χαρακτηριστικά της. Κατόπιν επιχειρείται η ταξινόμηση των μεθόδων διέλασης σε 4 κατηγορίες. Ακολουθεί σύντομη αναφορά στη ροή του υλικού κατά τη διέλαση και στις 4 διακριτές φάσεις της άμεσης διέλασης. Στη συνέχεια εξετάζονται γενικά τα χαρακτηριστικά των διμεταλλικών σωλήνων και ορισμένα βασικά στάδια παραγωγής τους. Ακολουθεί ειδική μνεία στις εφαρμογές των διμεταλλικών σωλήνων. Σε επόμενη ενότητα γίνεται αναφορά στην ήδη υπάρχουσα βιβλιογραφία επί του θέματος της διέλασης διμεταλλικών σωλήνων. Πιο συγκεκριμένα, ανάμεσα στα αμέτρητα σχετικά επιστημονικά άρθρα, γίνεται ειδική μνεία σε ορισμένες δημοσιευμένες εργασίες που θεωρήθηκε ότι παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Παρουσιάζονται μία σύντομη περίληψη της εκάστοτε δημοσίευσης καθώς και τα πολύτιμα συμπεράσματα στα οποία κατέληξαν οι ερευνητές. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, τα συμπεράσματα αυτά αξιοποιήθηκαν για την εκπόνηση της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας. Τέλος, παρατίθεται η μαθηματική ανάλυση της διέλασης διμεταλλικών σωλήνων και δίνονται οι εξισώσεις που προκύπτουν και περιγράφουν επαρκώς το μοντέλο. Στο 2ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται το πειραματικό μέρος πάνω στο οποίο βασίστηκε ολόκληρη η εργασία. Περιλαμβάνει παρουσίαση του εργαλείου, αναφορά στα υλικά από τα οποία ήταν κατασκευασμένα το εργαλείο και τα δοκίμια, παράθεση των τεχνικών χαρακτηριστικών της πρέσσας στην οποία διεξήχθησαν τα πειράματα, την παρουσίαση των δοκιμίων, τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας καθώς και κάποια σύντομα σχόλια. Στο 3ο Κεφάλαιο κρίθηκε σκόπιμο να δοθούν ορισµένα βασικά στοιχεία σχετικά µε τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων, καθώς και τα βασικά βήµατα που ακολουθεί προκειµένου να αναλύσει και να µοντελοποιήσει µηχανικά προβλήµατα, τα οποία δεν είναι εύκολα ή / και καθόλου επιλύσιµα µε τις κλασικές αναλυτικές µηχανικές µεθόδους. Επίσης, δίνεται με την βοήθεια φωτογραφιών η κατασκευή της γεωμετρίας των μοντέλων. Στη συνέχεια αναλύονται οι παράμετροι της μοντελοποίησης, όπως είναι η ταχύτητα μοντελοποίησης, τα υλικά των δοκιμίων, οι συνθήκες επαφής και άλλα στοιχεία. Οι παράμετροι αυτές εισήχθησαν στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ώστε να προκύψει λύση του προβλήματος της συνδιέλασης διμεταλλικών σωλήνων. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για καθένα εκ των 12 δοκιμίων. Τα αποτελέσματα αυτά ελήφθησαν με την βοήθεια του Post-Processor (ETA POST-GL) του LS-DYNA και αφορούν τις φάσεις της κατεργασίας, την παραμόρφωση του πλέγματος των υπό εξέταση δοκιμίων – για καθένα σωλήνα ξεχωριστά, αλλά και συνολικά για το διμεταλλικό δοκίμιο – κατά την διάρκεια της διέλασης, το διάγραμμα φορτίου-μετατόπισης, καθώς και την ανάλυση του τασικού πεδίου. Όλα τα αποτελέσματα συνοδεύονται από μετρήσεις, διαγράμματα και κατατοπιστικές εικόνες. Στο 5ο Κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη της πειραματικής και αριθμητικής προσομοίωσης της κατεργασίας διέλασης διμεταλλικών σωλήνων. Αφορούν μεν και την πειραματική διαδικασία, ωστόσο επικεντρώνονται στην αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας. Ακολουθούν μία σύντομη αναφορά σε αδυναμίες και πλεονεκτήματα της μεθόδου καθώς και προτάσεις για μελλοντικές επεκτάσεις. Σε επόμενη ενότητα γίνεται αναφορά στις βιβλιογραφικές πηγές στις οποίες βασίστηκε η παρούσα διπλωματική εργασία. Τέλος, στα Παραρτήματα καταγράφονται οι εντολές για την κατασκευή της γεωμετρίας των μοντέλων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων στον Προ-επεξεργαστή του LS-DYNA και παρουσιάζεται το αρχείο δεδομένων *.dyn το οποίο εισάγεται στον επιλυτή του προγράμματος.

The present study is dealing with the implementation of the explicit FE Code LS-DYNA to the simulation of extrusion of bimetallic tubes made of Cu (outer tube) and Al -6063 F25 (inner tube), taking into consideration certain critical parameters, which govern the whole process. The obtained numerical results are compared with actual experimental data from physical models in terms of deformation modes, max load and mean load, showing very good agreement.