MTF STU Trnava
MSPO2_6I · Úvodná prednáška

Modelovanie a simulácia
procesov tvárnenia

Úvod do fyzikálneho, matematického a výpočtového modelovania technológií tvárnenia kovov.

Ing. Martin Necpal, PhD.
Materiálovotechnologická fakulta STU (MTF STU), Trnava
Slovenská technická univerzita v Bratislave
Zimný semester 2026/2027 · Streda 13:00–14:50 · Miestnosť T-032
Vitajte

Dnešný program (110 minút)

ČasBlok
0:00–0:10Privítanie a predstavenie predmetu
0:10–0:25Organizačné informácie k predmetu
0:25–0:50Motivácia — prečo simulovať procesy tvárnenia
0:50–1:15Prehľad procesov tvárnenia
1:15–1:45Modelovanie a simulačné prístupy
1:45–1:50Zhrnutie a ďalšie kroky

Softvérové nástroje (DEFORM, Simufact, Abaqus, LS-DYNA...) budú podrobne predstavené na budúcej prednáške.

Predstavenie predmetu

MSPO2_6I — Základné informácie o predmete

  • Materiálovotechnologická fakulta (MTF), Trnava
  • 2. stupeň (inžiniersky) štúdia
  • Kredity: 5
  • Bez podmieňujúcich predmetov pre zápis
  • Prednáška: 2 h/týždeň (26 h/semester, denná forma)
  • Cvičenie: 2 h/týždeň (26 h/semester, denná forma)
  • Konzultácie: 8 h (kombinovaná forma)
  • Určené pre: 2I-PPNV-PPNV, 2I-PPNV-RVS
Predstavenie predmetu

Rozvrh a vyučujúci

  • Streda 13:00–14:50, miestnosť T-032
  • prof. Ing. Maroš Martinkovič, PhD. — garant predmetu, prednášajúci
  • Ing. Martin Necpal, PhD. — cvičiaci, prednášajúci
  • prof. Dr. Ing. Jozef Peterka — skúšajúci, cvičiaci, prednášajúci
  • Ing. Róbert Sobota, PhD. — cvičiaci
Predstavenie predmetu

Hodnotenie a klasifikácia

  • Seminárna práca: max. 20 bodov
  • Písomná skúška: max. 80 bodov
ZnámkaBody
A92–100
B83–91
C74–82
D65–73
E56–64
FX0–55
Predstavenie predmetu

Výstupy vzdelávania

  • Pochopiť fyzikálne a matematické modelovanie technologických procesov tvárnenia
  • Pripraviť vstupné dáta a definovať okrajové podmienky pre vybrané prípady modelovania procesov tvárnenia
  • Ovládať simulačný softvér používaný v technológii tvárnenia
Predstavenie predmetu

Obsah predmetu — 6 tém

  • 1. Úvod do modelovania — fyzikálne a matematické modelovanie, klasifikácia, tvorba modelov dnes
  • 2. Simulácia matematických modelov — numerické metódy, simulačný softvér
  • 3. Materiálové modely — pružnosť, plasticita, deformácia, rýchlosť deformácie, deformačné spevnenie
  • 4. Príprava dát (preprocessing) pre modelovanie technologických procesov
  • 5. Postprocessing — príklady simulácie procesov plošného tvárnenia
  • 6. Postprocessing — príklady simulácie procesov objemového tvárnenia
Predstavenie predmetu

Odporúčaná literatúra

  • NECPAL, M.; SOBOTA, R. Modelovanie a simulácia procesov tvárnenia. Bratislava: Spektrum STU, 2023. — učebnica predmetu, príklady spracované v softvéri DEFORM
  • SPIŠÁK, E. Matematické modelovanie a simulácia technologických procesov: Ťahanie. TYPOPress, 2000.
  • MARKOPOULOS, A. P. Finite Element Method in Machining Processes. Springer, 2013.
  • DIXIT, P. M.; DIXIT, U. S. Modeling of Metal Forming and Machining Processes. Springer, 2010.
  • BÍLIK, J.; KAPUSTOVÁ, M.; RIDZOŇ, M. Teória tvárnenia. AlumniPress, 2015.
  • HRIVŇÁK, A.; PODOLSKÝ, M.; DOMAZETOVIČ, V. Teória tvárnenia a nástroje. Alfa, 1992.
Časť 1

Motivácia

Prečo modelujeme a simulujeme procesy tvárnenia?

Motivácia

Čo nám simulácia prináša

  • Predikcia toku materiálu počas deformácie
  • Analýza rozloženia napätia, deformácie a teploty
  • Určenie potrebných tvárniacich síl a energie
  • Včasné odhalenie chýb a porúch
  • Zlepšenie kvality dielu a zníženie výrobných nákladov
Motivácia

Prečo simulovať pred výrobou?

Fyzická metóda pokus-omyl pri nástrojoch je drahá a pomalá — simulácia nahrádza nákladné iterácie v dielni rýchlymi iteráciami na počítači.

Návrh (dizajn) zvyčajne predstavuje len 5–15 % celkových výrobných nákladov — no rozhodnutia urobené v tejto skorej fáze do veľkej miery určujú náklady všetkého, čo nasleduje.
Fáza projektu Náklady (%) Koncept Návrh a simulácia Nástroje Výroba ~80–90 % nákladov je zaviazaných tu Zaviazané náklady Skutočne vynaložené náklady
Rozhodnutia urobené počas návrhu a simulácie zaväzujú väčšinu budúcich výrobných nákladov, dávno predtým, než sa tieto náklady skutočne minú na nástroje a výrobu.
Motivácia

Simulácia v reťazci návrhu

  • Modelovanie a simulácia sú integrálnou súčasťou návrhu výrobku a procesu
  • Používajú sa od návrhu výrobku cez plánovanie procesu až po riadenie procesu
  • Podporujú udržateľný, odolný a nákladovo efektívny návrh procesu
  • Znižujú počet potrebných fyzických skúšok a iterácií nástrojov
Časť 2

Prehľad procesov tvárnenia

Klasifikácia a kľúčové fyzikálne javy

Procesy tvárnenia

Procesy objemového tvárnenia

  • Valcovanie — pozdĺžne valcovanie, krúžkové valcovanie, kalibrovacie valcovanie
  • Kovanie — voľné kovanie, zápustkové kovanie
  • Pretlačovanie (extrúzia)
  • Ťahanie (tyčí / drôtu / rúr)

Veľké plastické deformácie, zložitý kontakt nástroj–polotovar, často spojené s prenosom tepla (tvárnenie za tepla).

Polotovar (hrubý) Pás (tenší, dlhší) valec ω valec ω
Pozdĺžne valcovanie: protibežné valce znižujú hrúbku polotovaru — základná operácia objemového tvárnenia.
Procesy tvárnenia

Procesy plošného tvárnenia

  • Hlboké ťahanie
  • Ohýbanie
  • Lisovanie (razenie)
  • Preťahovanie, prírastkové tvárnenie plechu

Tenkostenná geometria, anizotropia, pružinový spätný odpor (springback) a medza tvárniteľnosti (zúženie/trhliny) sú kľúčové problémy.

Razník sila Pridržiavač Polotovar (plech) Matrica
Hlboké ťahanie: razník tlačí upnutý plechový polotovar do dutiny matrice a vytvára dielec v tvare misky.
Procesy tvárnenia

Kľúčové fyzikálne javy

  • Prechod z pružnej do plastickej oblasti a veľké plastické deformácie
  • Trenie a kontakt medzi nástrojom (matricou) a polotovarom
  • Vznik a prenos tepla (deformačné teplo, trecie teplo)
  • Deformačné spevnenie materiálu
  • Anizotropia plechových materiálov, pružinový spätný odpor po odľahčení
Časť 3

Modelovanie a simulačné prístupy

Od fyzikálnych modelov k metóde konečných prvkov

Prístupy k modelovaniu

Dva prístupy k modelovaniu

Systémový prístup

  • Chápe proces ako systém: teplota nástroja, napätie v nástroji, trenie, rýchlosť beranu, vlastnosti polotovaru atď.
  • Zjednodušená geometria → rýchly a lacný prehľad vplyvu parametrov

Mechanicko-detailný prístup

  • Podrobný popis deformácie na báze mechaniky kontinua
  • Základ numerickej (MKP) simulácie — vyššia presnosť, vyššie náklady
Prístupy k modelovaniu

Správanie materiálu: základy

  • Pružná odozva: lineárny vzťah napätie–deformácia, plne vratná
  • Medza klzu — začiatok plastickej deformácie
  • Za medzou klzu: deformačné spevnenie — napätie rastie so stále klesajúcou rýchlosťou
  • Medza klzu a krivka spevnenia (tečenia) sú dve základné veličiny definujúce plastickú deformáciu kovov
  • Téma 3 predmetu sa tomu venuje podrobne: pružnosť, plasticita, deformácia, rýchlosť deformácie, deformačné spevnenie
Deformácia ε Napätie σ Medza klzu σᵧ Pružná oblasť Plastická oblasť (spevnenie)
Za medzou klzu materiál ďalej spevňuje — táto krivka spevnenia je základným vstupom pre každú simuláciu tvárnenia.
Prístupy k modelovaniu

Od fyzikálneho k počítačovému modelu

  • Fyzikálny model — idealizuje a abstrahuje reálny systém tak, aby vyhovoval predpokladanej fyzikálnej teórii (napr. mechanika kontinua, pružné teleso)
  • Matematický model — určuje riadiace rovnice (napr. parciálne diferenciálne rovnice) spolu s okrajovými a počiatočnými podmienkami
  • Výpočtový model — definuje typ prvku, hustotu siete a parametre riešenia (tolerancie, iterácie, kritériá konvergencie)
  • Simulačný model je len aproximáciou reality — musí byť validovaný a verifikovaný predtým, než možno jeho výsledkom dôverovať
Fyzikálny model idealizovaný systém idealizácia / formulácia Matematický model riadiace rovnice + okrajové podmienky diskretizácia Výpočtový model sieť, riešič, tolerancie riešenie Výsledky simulácie validácia a verifikácia voči realite
Reťazec od fyzikálneho po výpočtový model získava dôveryhodnosť až po overení výsledkov voči realite.
Prístupy k modelovaniu

Metóda konečných prvkov — základná myšlienka

  • Systém sa diskretizuje na konečný počet malých prvkov
  • Pre každý prvok sa počítajú fyzikálne veličiny (teplota, napätie, deformácia, rýchlosť)
  • Pre každý prvok sa generuje približná riadiaca rovnica
  • Zostavením rovníc všetkých prvkov sa získa správanie celého systému
  • Presné modely tečenia materiálu (konštitutívne modely) sú nevyhnutné — umožňujú MKP predpovedať priebeh deformácie, rýchlosti deformácie a teploty počas procesu
Spojité teleso diskretizácia Sieť konečných prvkov
MKP rozdeľuje spojité teleso na konečný počet prvkov, z ktorých každý má vlastnú približnú riadiacu rovnicu.
Prístupy k modelovaniu

Typy riešičov a dôveryhodnosť modelu

Implicitná vs. explicitná MKP

  • Statická implicitná — stabilná, vhodná pre pomalé/kvázistatické tvárnenie
  • Dynamická explicitná — robustná pre náročný kontakt a veľké deformácie

Validácia a verifikácia

  • Validácia: reprezentuje model správne reálnu fyziku?
  • Verifikácia: bol model implementovaný správne?
  • Obe sú potrebné predtým, než výsledky môžu podporiť rozhodnutia
Zhrnutie

Ďalšie kroky

  • Budúca prednáška: simulačný softvér pre technológiu tvárnenia — DEFORM, Simufact, Abaqus, LS-DYNA a ako si medzi nimi vybrať
  • Učebnica predmetu: Necpal & Sobota, Modelovanie a simulácia procesov tvárnenia (2023) — príklady spracované v softvéri DEFORM 12.1.1
  • Čítanie: preštudovať kapitoly 1–2 učebnice pred budúcou prednáškou
  • Téma seminárnej práce bude pridelená po nastavení softvéru

Otázky?

Ing. Martin Necpal, PhD. · martin.necpal@gmail.com

MTF STU Trnava