Osnovni koncept numerične simulacije radialnega kovanja Basic Concepts of Numerical Simulation of a Radial Forging Process T. Rodič*, D. R. J. Owen** UDK: 621.73.045:519.6 ASM/SLA: F22, Q24,1-66, U4g, U4k 1. UVOD S spoznanji splošnih principov fizikalne metalurgije1 postajajo preoblikovalni procesi v vročem pomembnejši. Preoblikovanje v vročem že dolgo ni več samo spreminjanje oblike preoblikovanca, temveč termomehanska obdelava materiala, ki naj privede do ugodnih strukturnih sprememb. Pri upoštevanju medsebojnih odvisnosti med strukturo, lastnostmi in obnašanjem materiala med plastičnim preoblikovanjem so deformacija, hitrost deformacije in temperatura tiste fizikalne večine, ki imajo odločilni vpliv. Nadzorovana porazdelitev teh termo-mehanskih parametrov med preoblikovanjem je potrebna pri optimiranju preoblikovalne operacije. Preoblikovalni procesi v vročem so zahtevni za eksperimentalna opazovanja zaradi visokih temperatur in preoblikovalnih hitrosti. Od tod tudi potreba po matematičnih in numeričnih modelih, ki pripomorejo k boljšemu razumevanju eksperimentalnih rezultatov ali celo delno nadomeščajo draga preizkušanja. Tri klasične metode za analizo preoblikovalnih procesov so bile pogosto uporabljane v preteklosti2: — metoda elementarne plastomehanike — metoda drsnih linij — metoda zgornje in spodnje meje. Analiza preoblikovalnih procesov je zahtevna in mnogo poenostavitvenih predpostavk je bilo vpeljanih v klasičnih metodah, da bi se izognili matematičnim težavam, kar je seveda zmanjševalo njihovo uporabnost. Napredek numeričnih metod v zadnjem času, posebej metode končnih elementov3 (MKE) in vzporedno zmanjševanje cen računalniških obdelav, ponuja možnost za realnejše simulacije preoblikovalnih procesov. 2. MATEMATIČNI MODEL Za analizo porazdelitev napetosti, deformacij in temperature, ki se spreminjajo znotraj deformacijske cone med preoblikovanjem, je nujna uporaba numeričnih metod. Razvoj MKE na področju plastomehanike4 in prenosa toplote ponuja zadovoljivo orodje za računalniško simulacijo preoblikovalnih procesov v vročem. Simulacijo preoblikovalnega procesa v vročem lahko idealiziramo5, kot je to prikazano na sliki 1. 1. INTRODUCTION Since the general principles of physical metallurgy were recognised1, the hot vvorking processes are no longer only concerned with shape changes but also con-sider the thermomechanical treatment vvhich contributes to beneficial structural changes vvithin the material. In considering the interaction betvveen the structure, properties and performance of the material under plastic deformation, the strain, strain rate and temperature are quantities vvhich have a fundamental influence and a controlled variation of these thermomechanical parame-ters is essential for optimising the forming operation. The nature of hot vvorking processes makes experimen-tal observations difficult, due to the high temperatures and speeds involved. Therefore mathematical and numerical models have a role to play in either improving the interpretation of experimental results or even replac-ing, in part, an expensive testing programme. Three classical methods for analysing metal forming problems have been widely used in the past2: — elementary plasticity — the slip line method — the upper and lovver bound method. Metal forming processes are complex and many sim-plifying assumptions have been introduced to these classical methods in order to avoid mathematical diffi-culties. This, hovvever, limits their applicability. Recent developments of numerical methods, in particular the Fi-nite Element Method3 (FEM), and a parallel reduction in unit computing costs offer an opportunity for a more realistic simulation of vvorking processes. 2. MATHEMATICAL MODEL The complex stress-strain and temperature distribu-tions vvhich vary across the deformed region during the deformation process require the use of numerical methods. Developments in the FEM in the field of plastome-chanics4 and heat transfer offer a satisfactory tool for computer simulation of hot vvorking processes. The numerical simulation of the hot vvorking process can be idealised5 as shovvn in Fig. 1. * FNT — Odsek za metalurgijo, Univerza E. Kardelja, Ljubljana ** Dept. of Civil Engineering, University of VVales, Swansea, U. K. Slika 1: Simulacija preoblikovalnega procesa. Vhodni podatki predstavljajo lastnosti in začetno stanje preoblikovanca, kot so: oblika, porazdelitev temperature, sestava in mikrostruktura materiala. Matematična simulacija preoblikovalnega procesa: Pri MKE razdelimo preoblikovanec na manjša območja, imenovana elementi. Togost vsakega elementa je določena z njegovo geometrijo in lastnostmi materiala, ki jih elementu pripišemo. Oba vpliva obravnavamo ločeno in zato relativno enostavno vgrajujemo različne materialne modele. Model preoblikovanca dobimo s sestavljanjem togostnih matrik elementov. Takšen pristop omogoča analizo različnih geometrijsko zahtevnih preoblikovalnih procesov. Z robnimi pogoji simuliramo različne pogoje, v katerih poteka proces. Izhodni rezultati. Po obdelavi rezultatov numerične analize določimo optimalne tehnološke pogoje. Nazoren grafični prikaz rezultatov je pomemben sestavni del analize z MKE. 3. MATERIALNI MODEL Pri modeliranju obnašanja materiala med plastično deformacijo je potrebno poznavanje ustrezne napetosti tečenja. V splošnem je ta odvisna od sestave in mikro-strukture materiala in od hitrosti deformacije, temperature ter deformacijskega stanja, povzročenega s plastično deformacijo. Napetost tečenja določimo z nateznim, tlačnim ali torzijskim preizkusom6. Pogosto napetosti tečenja niso dosegljive za specifične kombinacije termome- Slika 2: Ploskve napetosti tečenja v prostoru termomehanskih parametrov. Fig. 2: Flow stress surfaces in the space of the thermomechanical par-ameters. Fig. 1: Simulation of the vvorking process. Input data represent the material properties and in-itial state of the vvorkpiece; such as shape, temperature distribution, composition and microstructure of the material. Mathematical simulation of the vvorking process: In FEM the workpiece is divided into small regions termed elements. The stiffness of each element is determined by its geometry and material properties. Both effects are considered separately and therefore it is relatively sim-ple to incorporate different material models. The vvorkpiece model is obtained by combining the stiffness con-tribution of each element. Thus any complex shape of the vvorkpiece model can be analysed using the FEM. Boundary conditions are applied to simulate different conditions under vvhich the process is to operate. Output results: A decision on the most suitable set of operating conditions can be made by postprocessing the numerical results. Graphical representations play an integral part in the interpretation of the numerical results of a FEM analysis. 3. MATERIAL MODELS In the modelling of material behaviour during metal-vvorking processes a knovvledge of the appropriate flovv stress for the material is essental. In general this will de-pend on the composition and microstructure of the material and on the strain rate, temperature and deforma-tion modes imposed by the vvorking process. The flovv 0 0d=0-0p H \op O. > U (u > w 77777777777777 Slika 3: Osnovni enodimenzionalni elasto-viskoplastični reološki model. Fig.3: Basic one-dimensional elasto-viscoplastic rheological model. hanskih parametrov in jih ocenimo s pomočjo poznanih podatkov. Znane so različne interpolacijske enačbe, kot na primer Hajdukova7 ali Sellars-Tegartova enačba8. Na podlagi teh enačb lahko določimo potencial napetosti tečenja v prostoru deformacije, hitrosti deformacije in temperature5 (SI. 2). Ploskev A-B-C-D je določena z (p, 3F 3{