Nghiên cứu ứng dụng kết quả mô phỏng số vào thực nghiệm lăn ép tấm phẳng trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy

Nội dung text: Nghiên cứu ứng dụng kết quả mô phỏng số vào thực nghiệm lăn ép tấm phẳng trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy

1. P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VÀO THỰC NGHIỆM LĂN ÉP TẤM PHẲNG TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY RESEARCH ON THE APPLICATION OF THE NUMERICAL SIMULATION RESULTS TO EXPERIMENTAL ROLLING OF FLAT PLATES IN SHIP HULL MANUFACTURING TECHNOLOGY Phạm Văn Liệu1,*, Trần Hải Đăng2 TÓM TẮT 1. GIỚI THIỆU Nhu cầu chế tạo các chi tiết tấm có chiều dày, kích thước lớn và biên dạng Bước sang thế kỷ XXI, công nghệ thông tin phát triển cong phức tạp trong các ngành công nghiệp đóng tàu, giao thông vận tải, mạnh mẽ với sự xuất hiện của nhiều phương pháp tính quốc phòng ngày càng tăng. Các phương pháp truyền thống như uốn, nắn, gia toán hiện đại (phần tử hữu hạn (PTHH), phần tử biên, sai công nhiệt cục bộ, tạo hình thủ công trên các thiết bị máy ép vạn năng, sau đó phân hữu hạn [4] ), các phần mềm cùng máy tính cho hàn ghép lại [1, 2, 3], nên năng suất cũng như chất lượng sản phẩm thường phép phân tích tính toán những quá trình tạo hình phức không cao. Để nâng cao hiệu quả trong việc tạo hình chi tiết tấm có biên dạng tạp hơn nhiều, tính toán nhanh và cho kết quả chính xác. cong phức tạp, các nhà kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng những công nghệ Phương pháp mô phỏng số quá trình tạo hình [5, 9, 10, 11] hiện đại cho phép tạo hình nhanh, chính xác như vê, miết, lăn ép, tạo hình cục được thực hiện ngay trên máy tính, khảo sát bài toán với bộ liên tục trên các thiết bị điều khiển số. Bài báo này sẽ trình bày các kết quả các điều kiện biên phức tạp, và cho phép nhà kỹ thuật đánh nghiên cứu, ứng dụng kết quả mô phỏng số vào thử nghiệm tạo hình các chi giá chất lượng sản phẩm, phân tích ảnh hưởng của các tiết mẫu bằng công nghệ tạo hình lăn ép. Các kết quả nghiên cứu này sẽ được thông số công nghệ tới quá trình tạo hình và chất lượng ứng dụng trong công nghiệp chế tạo vỏ tàu thủy tại các nhà máy đóng tàu ở sản phẩm, nhanh chóng tối ưu công nghệ, xác định được Việt Nam. bộ thông số công nghệ phù hợp nhất để sản phẩm có chất Từ khóa: Biến dạng; lăn ép; mô phỏng số; tạo hình tấm lớn. lượng tốt nhất. Mô phỏng số giúp cho quá trình thiết kế công nghệ chính xác, giảm chi phí cho sản xuất thử ABSTRACT nghiệm, nâng cao chất lượng sản phẩm nhưng đồng thời The need to fabricate sheet components with large thickness, size and mở ra những cơ hội cho những ý tưởng công nghệ và sản complex curvature in the shipbuilding, transportation, and defense industries is phẩm mới trong áp dụng vật liệu mới. increasing. Traditional methods such as stroke stamping, bending, forming, local 2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU heating, manual forming on universal press equipment, then re-welding [1, 2, 2.1. Vật liệu 3], so productivity as well as product quality is usually not high. In order to improve the efficiency in shaping the sheet components with complex curvature, Việc xác định chính xác vật liệu để đưa vào mô phỏng technicians research and apply modern technologies that allow fast and precise số rất quan trọng vì có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả mô shaping such as pressing, rolling, continuous local shaping on digital control phỏng số. Trong nghiên cứu này, các tác giả lựa chọn vật devices. This article will present the research results and apply the numerical liệu là thép SS400 theo tiêu chuẩn JIS G 3101, có thành simulation results to the experimental forming of the sample by rolling phần hóa học như trong bảng 1. technology. These research results will be applied in ship hull manufacturing Bảng 1. Thành phần hóa học của thép SS400 industry in shipyards in Vietnam. Thành phần hóa học (%) Keywords: Deformation; rolling; numerical simulation; large plate forming. Thép C Si Mn Ni Cr P S 1Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội SS400 0,11 - 0,18 0,12 - 0,17 0,40 - 0,57 0,03 0,02 0,02 0,03 2Trường Đại học Sao Đỏ Mẫu phôi tấm thí nghiệm có kích thước giống như *Email: phamvanlieu@haui.edu.vn trong mô phỏng là 600 x 80 x 20mm được chế tạo từ thép Ngày nhận bài: 22/10/2020 tấm có mác SS400. Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/02/2021 Để phục vụ cho nghiên cứu, vật liệu được chuẩn bị sẵn, Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 gia công thành các tấm có kích thước mẫu: 600mm x 80mm, chiều dày S = 10, 15, 20, 25, 30mm. Website: Vol. 57 - No. 2 (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 67
2. KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 2.2. Thiết bị Với hệ thống thuỷ lực và bộ phận điều khiển được lựa chọn - Máy lăn ép thủy lực có lực danh nghĩa 1500 tấn, do cho phép máy đạt lực ép đúng giá trị mong muốn. hãng Nieland (Hà Lan) chế tạo (Nhà máy Đóng tàu Hạ Long - Bảng 2. Thông số kỹ thuật của máy ép thủy lực SBP - 1500 Quảng Ninh). TT Thông số kỹ thuật Đơn vị - Thiết bị đo áp suất (Phòng Đo lường, Viện Tên lửa, Bộ 1 Lực ép danh nghĩa 15000kN Quốc phòng). 2 Truyền động Điện - Thuỷ lực - Thiết bị đo bán kính FARO Prime của CHLB Đức. 3 Số lượng xi lanh ép 1 - Thiết bị đo lượng ép của hãng Mitutoyo - Nhật Bản 4 Khoảng cách giữ hai trụ 6000mm - Máy tính kết hợp phần mềm Dasy Lab 7.0. 5 Kích thước bàn máy 1500x1000mm 2.3. Phương pháp nghiên cứu 6 Kích thước bao (dài x rộng x cao) 7960 x1800 x 7670mm Sau khi thiết lập được bài toán mô phỏng số quá trình lăn ép tạo hình phôi tấm và phân tích đánh giá kết quả mô 7 Trọng lượng máy 60 tấn phỏng, kết quả cho thấy mô phỏng số không chỉ cho phép 8 Đường kính trong xi lanh  648mm khảo sát quá trình tạo hình phôi tấm cong tại từng thời 9 Hành trình Pittong 680mm điểm lăn ép, các giá trị về lực, bán kính cong của tấm theo phương dọc và phương ngang, mà còn giải thích được 10 Vận tốc đầu trượt không tải 80mm/s nguyên nhân, làm tấm bị cong khi lăn ép dựa trên vết tiếp 11 Áp suất làm việc lớn nhất 350bar xúc giữa phôi và các con lăn, trường phân bố ứng suất, biến 12 Vận tốc lăn lớn nhất 30rpm dạng trên tấm, sơ bộ đánh giá được chất lượng của sản phẩm, đảm bảo sản phẩm không bị phá hủy, nứt gãy  Xây dựng hệ thống thực nghiệm Các mô hình trong mô phỏng số được xây dựng sát nhất với thực tế. Sử dụng tính toán mô phỏng số bằng phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp gần đúng, các điều kiện biên dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học vật rắn nên cũng chấp nhận các giả thuyết khi xây dựng bài toán. Vì vậy, để kiểm chứng kết quả mô phỏng số đạt yêu cầu, hệ thống thực nghiệm được xây dựng theo sơ đồ hình 1. Các mô đun chính được tích hợp với nhau để kiểm soát quá trình cài đặt các thông số công nghệ, thực hiện các bước tạo hình theo đúng trình tự và đồng thời tự động đo, lưu trữ và xử lý số liệu. Hình 2. Máy ép thủy lực SBP - 1500 T  Bộ phận lăn ép Hình 1. Các mô đun chính trong hệ thống thực nghiệm  Máy ép thủy lực Máy ép thuỷ lực có lực ép danh nghĩa từ 1000 đến 1500 tấn có các chức năng phù hợp với yêu cầu công nghệ lăn ép, đặc biệt trong việc tạo lực ép ban đầu và giữ đầu trượt mang con lăn trên ở vị trí cố định, giữ lực ép ổn định trong suốt quá trình lăn. Thiết bị máy ép thuỷ lực được lựa chọn có lực danh nghĩa 1500 tấn (hình 2), có các thông số kỹ thuật như trong bảng 2. Máy có bộ phận điều khiển đặt lực, chống lún, ổn định áp Hình 3. Bộ phận lăn ép suất xi lanh khi làm việc, dễ dàng thay đổi giá trị lực sau một Bộ phận lăn ép (hình 3) bao gồm hai con lăn, trên và chu trình thao tác, khung máy có khả năng di động, đảm bảo dưới có đường kính, biên dạng đúng như thiết kế trong mô cho lăn ép các sản phẩm vỏ tàu thuỷ có hình dạng phức tạp. phỏng số. Con lăn trên có biên dạng tang trống quay trơn 68 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 2 (4/2021) Website:
3. P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY trên trục. Con lăn dưới được dẫn động riêng bởi một động + Phần mềm hiển thị và lưu giữ kết quả đo: cơ thuỷ lực và lắp vào bàn máy ép thủy lực. Khi lắp ráp lên Việc hiển thị và lưu giữ kết quả đo được thực hiện trên máy ép thuỷ lực, con lăn được đặt trong khung để đảm bảo thiết bị đo aps suất nhờ sự hỗ trợ của phần mềm đo lường độ chính xác về vị trí. Dasy Lab 7.0, phần mềm có nhiều chức năng thu thập số  Thiết bị đo áp suất liệu đo của một hệ thống đo chuyên dụng [6, 7, 8]. Để đo được áp suất chất lỏng công tác khi lăn ép và lưu Chương trình đo và đọc áp suất được biểu diễn như sơ kết quả trên máy tính, hệ thống đo được xây dựng bao đồ hình 7. Thiết bị đo áp suất đã được thử độ nhạy, độ gồm các bộ phận (hình 4) cảm biến áp suất, bộ xử lý tín chính xác và làm việc ổn định. hiệu đo, bộ chuyển đổi tương tự - số và phần mềm ghi các dữ liệu đo, biểu diễn dưới dạng đồ thị. + Nguyên lý làm việc: Khi có sự thay đổi về áp suất cảm biến sẽ tiếp nhận và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện được đưa tới thiết bị xử lý tín hiệu. Tại đây, tín hiệu được khuếch đại và lọc nhiễu cao tần rồi đưa tới bộ phận chuyển đổi tương tự - số, sau đó đưa vào máy tính. Tín hiệu đo được hiển thị trên màn hình máy tính và lưu trữ nhờ phần mềm Dasy Lab 7.0 [6, 7]. Hình 7. Chương trình đo áp suất  Thiết bị đo bán kính Việc đo bán kính của tấm sau khi lăn ép được tiến hành với sự hỗ trợ của thiết bị đo FARO Prime của CHLB Đức (hình 8). Đây là thiết bị đo tiếp xúc, dùng đầu dò dạng cầu, thao tác đo đơn giản, nhiều tính năng đo linh hoạt và cho Hình 4. Sơ đồ thiết bị đo áp suất độ chính xác cao. Thiết bị này rất phù hợp cho đo độ dài, + Bộ xử lý tín hiệu đo: bán kính, đường kính, đo góc, đo biên dạng hình học, đo Tín hiệu từ cảm biến rất nhỏ (chỉ vài chục V đến vài tương quan vị trí của các bề mặt Độ chính xác cao nhất: mV), nên để có thể nhận biết được tín hiệu này cần phải có 16μm; Độ lặp lại: ±16μm. Thiết bị được kết nối máy tính, có một thiết bị xử lý tín hiệu từ cảm biến. Sau khi thu, tín hiệu phần mềm xử lý số liệu và hiển thị kết quả đo. được đưa tới bộ chuyển đổi và vào máy tính. Thiết bị xử lý tín hiệu là bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn cùng các mạch lọc và các mạch phụ trợ khác (hình 5). Hình 5. Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu đo áp suất + CARD thu thập số liệu đo: Để thu thập số liệu thực nghiệm, các tác giả sử dụng card thu thập số liệu để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, kết quả được hiển thị trên máy tính. Trong hệ thống đo card thu thập số liệu (card ADC) được ghép nối như hình 6. Hình 6. Sơ đồ ghép nối card thu thập số liệu với hệ thống Hình 8. Thiết bị đo FARO Prime sử dụng đo bán kính tấm khi thực nghiệm Website: Vol. 57 - No. 2 (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 69
4. KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619  Thiết bị đo lượng ép cong theo phương dọc và phương ngang, cũng như đo Đo lượng ép, sự thay đổi chiều dày của phôi tấm, bằng chiều dày của tấm sau khi lăn ép. đồng hồ đo điện tử chuyên dụng có mác hiệu 543-494B của hãng Mitutoyo - Nhật Bản (hình 9). Thông số kỹ thuật của thiết bị: - Phạm vi đo: 0 - 50,8mm - Độ hiển thị: 0,01mm - Độ chính xác: ±0,01mm Hình 10. Thí nghiệm lăn ép phôi tấm Hình 9. Đồng hồ so điện tử 543-494B đo lượng ép sản phẩm lăn ép 3. THỬ NGHIỆM VÀ KIỂM TRA KẾT QUẢ MÔ PHỎNG  Trình tự lăn ép Bước 1: Khởi động hệ thống thiết bị. Bước 2: Khởi động máy ép thuỷ lực. Đầu trượt mang Hình 11. Đồ thị áp suất chất lỏng công tác trong suốt quá trình lăn ép con lăn trên đi xuống kẹp phôi đúng vị trí ban đầu, nằm So sánh hình dạng của tấm sau khi lăn ép giữa thực giữa hai con lăn. Đặt giá trị áp suất chất lỏng công tác ban nghiệm với mô phỏng biểu diễn trên hình 12 có thể thấy đầu của xi lanh ép, đọc giá trị trên màn hình hiển thị hệ được kết quả về vết tiếp xúc, hình dạng tấm bị uốn cong thống đo. Giá trị áp suất (đơn vị bar) sẽ được qui đổi hoàn toàn tương đồng. tương đương với lực ép (đơn vị tấn). Dưới tác dụng của lực ép, phôi tấm sẽ bị biến dạng. Van tràn hoạt động giữ cho áp suất không đổi. Bước 3: Khởi động thiết bị lăn ép. Đặt vận tốc cho con lăn dưới ở giá trị 10 v/ph (tương ứng với 1,05rad/s). Bước 4: Cho con lăn dưới quay, kéo phôi chuyển động, con lăn trên quay theo, phôi bị biến dạng và kéo qua khe hở giữa hai con lăn. Khi đi hết chiều dài phôi cần lăn, động cơ thuỷ lực tác động cho con lăn dưới dừng lại. a) Sản phẩm thực nghiệm Trong suốt quá trình, thiết bị đo, ghi áp suất hoạt động sẽ đo, lưu dữ liệu và hiển thị đồ thị áp suất chất lỏng công tác trên màn hình máy tính. Bước 5: Đầu trượt mang con lăn trên đi lên. Phôi sau khi tạo hình, đạt bán kính cong như mong nuốn sẽ được tháo gỡ ra khỏi thiết bị.  Kiểm tra kết quả thử nghiệm Thực hiện lăn ép thử nghiệm với vật liệu SS400, kích b) Sản phẩm mô phỏng thước phôi tấm 600 x 80 x 20mm giống như trong mô phỏng (hình 10, 11). Hình 12. Tấm sau khi lăn ép Xuất kết quả thực nghiệm dưới dạng đồ thị áp suất chất Để đánh giá độ sai số giữa thực nghiệm và mô phỏng, lỏng công tác và thời gian thu được giá trị lực ép ban đầu và ta tiến hành thực nghiệm với 6 mẫu thí nghiệm. Tổng hợp lực ép khi lăn. Các mẫu thí nghiệm được xác định bán kính kết quả được trình bày trong bảng 3. 70 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 2 (4/2021) Website:
5. P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY Bảng 3. Kết quả thử nghiệm 4. KẾT LUẬN p P p P Dựa trên mô phỏng có thể xác định được bán kính cong TT 0 0 ΔS  R (mm) R (mm) (bar) (tấn) (bar) (tấn) 2 d n của tấm khi biết các thông số điều kiện biên ban đầu như lượng ép, chiều dày ban đầu của tấm, vận tốc lăn. 1 29 95,6 16,5 54,4 1,5 0,078 495,34 3430,15 Với việc so sánh kết quả mô phỏng số với thực nghiệm 2 29 95,6 16,4 54,1 1,51 0,079 483,25 3475,45 xây dựng trên thiết bị thực tế có thể khẳng định, việc thiết 3 30 98,9 16,9 55,7 1,55 0,081 460,20 3215,26 lập các mô hình và mô phỏng số đạt độ chính xác theo yêu 4 30 98,9 17,2 56,7 1,56 0,082 468,36 3190,56 cầu (<5%). 5 31 102,2 17,5 57,7 1,59 0,083 440,52 3020,15 Trình tự mô phỏng số có thể áp dụng khi thay đổi các 6 31 102,2 17,9 59,0 1,61 0,084 434,28 2970,51 điều kiện đầu vào đối với mô hình hình học và điều kiện biên để khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ TB 30 98,9 17,1 56,3 1,55 0,081 473,11 3217,01 đến bán kính cong của sản phẩm tấm bằng cách khảo sát Trong đó: với nhiều chiều dày phôi, mức độ biến dạng và tốc độ lăn. p0 - Áp suất đặt chất lỏng công tác ban đầu (bar); p - Áp suất chất lỏng công tác khi lăn ép (bar); P0 - Lực ép ban đầu qui đổi (Tấn); TÀI LIỆU THAM KHẢO P - Lực trong quá trình lăn ép qui đổi (Tấn); [1]. Hanoi University of Science and Technology, 2009. Bai giang Cong nghe So sánh kết quả thí nghiệm trong bảng 3 với kết quả mô Gia cong ap luc. phỏng số trong bảng 2 ta có kết quả so sánh và đánh giá [2]. Nguyen Dac Trung, Nguyen Trung Kien, 2007. Cong nghe che tao cac chi sai số như trong bảng 4. tiet vanh co lon phuc vu cong nghiep nang, nghien cuu che tao chi tiet vanh thay Bảng 4. Đánh giá sai số kết quả thí nghiệm và mô phỏng doi ban kinh cong, nho can dat lam thay doi chieu day vanh o trang thai nong. Hanoi University of Science and Technology. P P R TT 0 ΔS  d R (mm) (tấn) (tấn) 2 (mm) n [3]. Phạm Văn Nghệ, 2010. Thiet bi gia cong ap luc. Viet Nam Education Publishing House. Kết quả thí nghiệm 98,9 56,3 1,55 0,081 473,11 3217,01 [4]. Tran Ich Thinh, Nguyen Manh Cuong, 2011. Phuong phap phan tu huu Kết quả mô phỏng 96,1 54,6 1,6 0,08 480,45 3322,9 han ly thuyet va bai tap. Viet Nam Education Publishing House. Sai số trung bình (%) 2,83 3,02 3,12 1,23 1,52 3,18 [5]. Nguyen Dac Trung, Le Thai Hung, Nguyen Nhu Huynh, Nguyen Trung - Sai số trung bình về lực ép ban đầu: 2,83% Kien, 2011. Mo phong so qua trinh bien dang. Bach Khoa Publishing House. - Sai số trung bình về lực lăn ép: 3,02% [6]. Dao Mong Lam, Le Vinh Ha, Pham Quang Minh, 2004. Multipurpose - Sai số trung bình bán kính dọc của sản phẩm: 1,52% strain gauge circuit combination. Journal of Military Science and Technology No. 7. - Sai số trung bình bán kính ngang của sản phẩm: 3,18% [7]. Dao Mong Lam, Pham Quang Minh, Pham Nhat Quang, 2010. Do luong - Sai số về lượng ép ΔS: 3,12% cac tham so dong co phan luc voi phan mem DasyLab. People’s Army Publishing - Sai số về mức độ biến dạng theo phương chiều dày 2: House, Hanoi. 1,23% [8]. Phan Ba, Dao Mong Lam, 2001. Do luong - sen xo. People’s Army Qua so sánh quá trình lăn ép phôi tấm giữa mô phỏng Publishing House, Hanoi. và thực nghiệm cho thấy có sự tương đồng cao giữa mô [9]. Dieter G.E., 1988. Mechanical metallurgy. SI metric edition, McGraw-Hill, phỏng và thực nghiệm thể hiện ở chỗ: ISBN 0-07-100406-8. - Tiến trình tạo hình phôi tấm bị cong tại từng thời [10]. R.J. Roark, 2012. Formulas for Stress and Strain. McGraw-Hill, New York. điểm của quá trình lăn ép. [11]. S. S. Rao, 1984. Optimization: Theory and Applications (2 ed.) pp. 292 - Hình dạng sản phẩm tấm sau quá trình lăn ép. 300. Wiley Eastern-Limited, New Delhi, India. - Biểu đồ lực, áp suất chất lỏng công tác. - Sai số về lực ép ban đầu, lực lăn ép, lượng ép, mức độ AUTHORS INFORMATION biến dạng, bán kính cong theo phương dọc và phương Pham Van Lieu1, Tran Hai Dang2 ngang của tấm đều nhỏ hơn 5%. 1Hanoi University of Industry Như vậy có thể kết luận được, các mô hình được xây 2 dựng đảm bảo yêu cầu về độ chính xác, mô hình vật liệu Sao Do University phù hợp, các điều kiện biên thiết lập phù hợp với thực tế, kết quả mô phỏng số tin cậy, có khả năng làm cơ sở để khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình tấm và độ chính xác của sản phẩm. Website: Vol. 57 - No. 2 (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 71