Реферат: Реферат Харків 2009

Лавiнський Денис Володимирович


Теоретичне дослідження фундаментальних властивостей термопластичного деформування складених конструкцій технологічної оснастки для обробки матеріалів тиском та магнітно-імпульсного штампування


Реферат


Харків – 2009

Актуальність теми. Сучасний розвиток машинобудування відбувається із застосуванням ефективних технологій, які дозволяють створити економічні, енергозберігаючі та екологічні виробництва і підвищити продуктивність праці.

Теоретичні дослідження фундаментальних властивостей термопластичного деформування складених конструкцій технологічної оснастки для обробки матеріалів тиском та магнітно-імпульсного штампування набувають приоритетне значення у проектуванні нових технологічних систем для безвідходних технологій та при удосконаленні існуючого обробного устаткування. В обробці металів тиском до таких технологій належать технології холодного й напівгарячого видавлювання (НГВ) та магнітно-імпульсного штампування (МІШ) металів.

До теперішнього часу, за відсутності ефективних методів щодо розв’язування теплових та контактних задач нелінійного деформування тіл складної геометрії із врахуванням попередніх натягів та зазорів, різних механізмів тертя в зонах контакту, нерівномірності температури при дії інтенсивних зовнішніх силових та теплових полів, залишаються невирішеними проблеми міцності складених конструкцій технологічного оснащення.

Таким чином, тема роботи є актуальною як в науковому, так й практичному відношенні, має важливе значення при створенні нових видів технологічного оснащення для сучасних технологій.

^ Метою роботи є створення на базі методу скінченних елементів (МСЕ) теоретично й експериментально обґрунтованого методу для розв’язування нелінійних контактних і температурних задач пружно-пластичного деформування складених конструкцій та рішення на цій основі задач міцності технологічного оснащення для НГВ та МІШ, що проектуються для впровадження на машинобудівних підприємствах.

^ Наукова новизна одержаних результатів полягає в теоретичному дослідженні фундаментальних властивостей термопластичного деформування складених конструкцій технологічної оснастки для обробки матеріалів тиском та магнітно-імпульсного штампування.

^ Практичне значення одержаних результатів. Створені в роботі методи, алгоритми і програмне забезпечення поширюють розрахункову базу для аналізу міцності і жорсткості складених вісесиметричних тіл з урахуванням термомеханічних явищ в областях контакту. На цій основі можна проводити розрахунки для отримання характеристик міцності і жорсткості складних елементів нового технологічного оснащення для прогресивних технологій на етапах проектування індукторних систем магнітно-імпульсного штампування тонкостінних циліндричних зразків. Результати роботи в частині розрахунку складених бандажованих матриць для напівгарячого видавлювання використані при проектуванні нових технологічних процесів на ДП "Завод ім. Малишева" (м. Харків).

^ Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи обговорювалися на наукових конференціях: Міжнародній науково-технічній конференції «Комп'ютер: наука, техніка, технологія, здоров'я», Харків – Мишкольц, 2001-2006р.р.; Міжнародній конференції "Актуальні проблеми механіки оболонок", Казань, 2000р.; ІІ і V Міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві”, Харків, 2001-2009р.р.

Публікації. За результатами досліджень, що наведено у роботі, опубліковано 15 наукових праць, з яких 8 статей - у спеціалізованих виданнях за переліком ВАК України, 4 доповідей - у збірниках наукових праць міжнародних конференцій і 3 тези доповідей.
^ ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та предмет дослідження, показано новизну та достовірність наукових результатів та їх практичне значення, приведено інформацію про апробацію роботи та публікації основних результатів.

^ У першому розділі досліджено сучасний стан та проаналізовано технологічні процеси обробки металів тиском (ОМТ) та магнітно-імпульсного штампування (МІШ) металів, які часто застосовуються в різних галузях машинобудування. Надано огляд робіт по проектуванню технологічного оснащення в обробці металів тиском, включно тих, де розглядаються рішення проблем міцності та жорсткості складених конструкцій технологічного оснащення, а також робіт, які присвячені методам розв’язування температурних та контактних задач пружного та пружно-пластичного деформування. Обґрунтовано вибір напрямків нових досліджень за темою роботи.

У сучасних технологіях обробки металів найбільш поширені традиційні методи, серед яких до ефективних і ресурсозберігаючих відносяться холодне й напівгаряче видавлювання (ХВ і НГВ). На шляху широкого впровадження цих технологічних процесів, особливо при обробці деталей з важко деформуючих металів, виникають проблеми, які пов'язані з недостатньою міцністю і надійністю елементів оснащення. Ці проблеми вирішують за рахунок створення більш ефективних ніж існуючі чисельних методів щодо розв’язування теплових та контактних задач нелінійного деформування .

Центральним питанням при розробці методів аналізу міцності і жорсткості складених конструкцій технологічного оснащення, до яких відносяться технологічні системи ОМТ і МІШ, є питання надійного моделювання складних ефектів контактної взаємодії елементів систем. В літературі є добре відомими методи розв’язання контактних задач теорії пружності. Величезний внесок у розвиток аналітичних і чисельних методів розв'язання контактних задач механіки внесли вчені: М. П. Векуа І. М. Векуа, Л. О. Галін, Н. Губер, Б.Я. Кантор, Г.І. Львов, Р. Д. Міндлін, С. Г. Міхлін, М. І. Мусхелішвілі, В.Л. Рвачев, К.М. Рудаков, Д. І. Шерман, І. Я. Штаєрман та інші. Існує ряд підходів щодо розв’язування змішаних контактних задач на базі МСЕ, однак, як показав огляд літератури, найбільш ефективним є підхід із введенням в зони контакту так званих контактних скінченних елементів (КСЕ) із спеціальними механічними властивостями.

Відомі на теперішній час аналітичні методи є практично непридатними для застосування у розрахунках матриць ХВ і НГВ, які є основними елементами штампу, у зв'язку з неадекватністю припущень та складнощами математичного апарату. З появою чисельних методів, серед яких найбільш розповсюдженим є МСЕ, стало можливим здійснити більш точний аналіз напружено-деформованого стану (НДС) елементів конструкцій технологічних систем. Існує багато закордонних (К. Ланге, Г.Ю. Висмаер) і вітчизняних (О.А. Ганаго, В.Л. Марченко, В.В. Ковтун, В.В. Торяник) публікацій, у яких авторами проведені розрахунки НДС складених матриць за допомогою МСЕ, визначені оптимальні значення натягів та інше. Нажаль, ці розробки не мають загального характеру і не враховують суттєвого фактору - однобічність контакту між елементами матриць.

Перспективні методи обробки металів на базі магнітно-імпульсного штампування відносяться до передових і сучасних імпульсних технологій, що використовують ефекти взаємодії магнітного поля з добре провідними металами. При створенні технологічного обладнання МІШ вирішуються електродинамічні проблеми з вибором електротехнічних параметрів системи та проблеми міцності елементів систем «індуктор – заготовка – матриця», із врахуванням критеріїв працездатності.

Нові завдання, які отримали рішення в роботі, стосуються контактних і температурних задач міцності для технологічного оснащення ХВ, НГВ та для МІШ тонкостінних заготовок, що є важливим і актуальним для сучасного машинобудування.

^ У другому розділі надано загальну математичну постановку задачі термопружно-пластичного контактного деформування стосовно складених конструкцій. Для розрахунків на міцність і жорсткість складених конструкцій застосовувався МСЕ у рамках методу перемінних параметрів пружності для лінеаризації задачі.

Одною зі складових загального навантаження складених конструкцій технологічного оснащення є змінне температурне поле. В розділі розглянуто розв’язання задачі стаціонарної теплопровідності, що застосовується при оцінці усталеного температурного навантаження, відповідно до процесів НГВ. Розв'язання задачі стаціонарної теплопровідності зведено до пошуку мінімуму функціоналу:



, (1)

де T(r,z) – функція розподілу температури, Q(r,z) – щільність внутрішніх джерел тепловиділення, що визначається через роботу пластичного деформування заготовки і вихід тепла при терті, q(r,z) – щільність потоку через границю L2,  – коефіцієнт конвективного теплообміну через границю L3, – температура зовнішнього середовища.

Далі розглянуто постановку задачі термопружнопластичного деформування вісесиметричної складеної конструкції, яка моделюється об'єднанням n контактуючих вісесиметричних тіл, напружений стан яких при відсутності об'ємних навантажень визначається з диференціальних рівнянь рівноваги виду:

, (2)

а умови на відповідних поверхнях - прийняті у виді:

. (3)

У загальному випадку, для точок, що належать контактним поверхням, умови сполучення сформульовані нерівностями:

(4)

де - нормальні переміщення точок поверхонь контактуючих областей і початковий зазор (натяг), - нормальні напруження на контактуючих поверхнях. Перша умова в (4) фізично означає «не проникнення» контактуючих тіл. При виборі зазору, між тілами виникає контактний тиск.

Механізми контактної взаємодії між відповідними точками контактуючих поверхонь областей в роботі моделювались шляхом введення контактного шару зі спеціальними властивостями. У межах можливої області контакту цей шар наділено спеціальними властивостями, що дозволяє "зовнішню нелінійність", обумовлену умовами (4), звести до "внутрішньої нелінійності" контактного шару і розглянути взаємодію тіл, розділених шаром з відомими нелінійними властивостями. За допомогою описаного моделювання враховано такі механізми взаємодії контактуючих тіл, як зчеплення, прослизання, сухе тертя й інші. У роботі умови фрикційної взаємодії прийняті у формі законів Кулона або Зібеля в залежності від типу можливого контакту.

Узагальнені рівняння стану, що встановлюють зв'язок між напруженнями і деформаціями в точках деформуючих тіл, представлені тензорно-лінійними співвідношеннями виду:

, (5)

де Aijkl - компоненти тензора, прийнятого для опису властивостей матеріалу, - компоненти тензора температурного розширення матеріалу.

У межах лінійної пружності матеріалу, співвідношення (5) відповідають узагальненому закону Гуку. Для пружно-пластичного деформування при простому навантаженні та при розгляді малих пластичних деформацій, співвідношення (5) відповідають деформаційній теорії малих пружно-пластичних деформацій Ілюшина у формі змінних параметрів пружності з тензором матеріальних постійних:

, (6)

де – змінні параметри пружності, які визначаються через інтенсивності напружень і деформацій, відповідно до діаграми деформування матеріалу.Далі в цьому розділі розглянуто варіаційний принцип Лагранжа, побудована скінченно - елементна (СЕ) схема задачі. За базовий скінчений елемент (СЕ) прийнято чотирьох вузловий ізопараметричний СЕ із білінійною апроксимацією температури і переміщень. Методика рішення сформульованої вище термопружнопластичної контактної задачі побудована в рамках єдиної ітераційної схеми. З цією метою в роботі прийняті покрокове навантаження й ітераційна схема, що узагальнює відомий метод перемінних параметрів пружності для рішення термопружнопластичних задач. Запропонований метод реалізований у програмному модулі для програмного комплексу SPACE-T. Далі в розділі розглянуті тестові приклади, за вирішенням яких встановлена ступень вірогідності запропонованого в роботі методу розв’язання температурних і контактних задач міцності і жорсткості складених конструкцій.

^ У третьому розділі наведені рішення контактних і температурних задач міцності складених бандажованих матриць для НГВ циліндро-конічних втулок. Розрахункова схема матриці у вигляді СЕ моделі надана на рис.1. У розрахунках матриці моделювались набором вісесиметричних тіл з циліндричними та конічними поверхнями. Між елементами матриць враховані



Рис.1. СЕ модель складеної матриці

умови однобічного контакту, а також пружне обпирання нижніх торців робочої вставки та внутрішнього бандажу і жорстке закріплення нижнього торцю зовнішнього бандажу. У розрахунках враховано попередній натяг, шляхом завдання переміщень (Uзат) верхнього торця зовнішнього бандажа. У СЕ моделі представлені усі основні складові, притаманні великому класу складених матриць: робоча вставка і бандажі, які прийняті двомірними.

Умови однобічного контакту тіл конкретизовані шляхом введення шарів контактних скінченних елементів (КСЕ), якими моделювались натяг між складовими матриці та тертя за законом Кулона. У розрахунках видавлювання заготовки навантаження на заготовку моделювалось шляхом введення переміщень її верхнього торця, а тертя між заготовкою і робочою вставкою моделювалося за законом Зібеля. На рис.2 наведені перерізи А-А та Б-Б, у яких інтенсивності напружень є найбільшими.

Розрахунки міцності матриць проведені з урахуванням нерівномірного температурного поля, що на усталених режимах визначалось шляхом розв’язання задачі стаціонарної теплопровідності. Аналіз НДС виявив наступні закономірності. Радіальні переміщення внутрішньої поверхні робочої вставки, обумовлені нагріванням в області верхнього торця, досить значні і за певних умов можуть перевищити припустимі. З метою з'ясування можливих варіантів зниження величини радіальних переміщень робочої вставки був проведений ряд розрахунків, у яких варіювалися температура охолодження і величина зовнішнього бандажа. Проведені розрахунки дозволяють визначити, що при температурі охолоджувальної рідини порядку 298 – 303К, максимальні переміщення не перевищують припустимі для технологічного відхилення радіальних розмірів. При збільшенні висоти зовнішнього бандажа розрахункові результати свідчать про невисоку ефективність цього прийому. Це зв'язано з тим, що максимальні переміщення значно (приблизно на 30 %) зменшуються практично при досягненні висоти зовнішнього бандажа загальної висоти матриці. При цьому виникнуть проблеми конструктивного характеру, зв'язані з кріпленням «високого» бандажа. Відзначимо, що у випадку гранично високого бандажа на 25 % зростає максимальна інтенсивність напружень, що відповідає, як жорсткості конструкції, так і збільшенню перепаду температури по товщині матриці.

Подальші розрахунки НДС складеної матриці проводилися разом з деформуємою заготовкою. З метою усунення концентратора розглядався варіант матриці, у якої висота зовнішнього бандажа свідомо вище лінії дії максимального навантаження на робочу поверхню. Відповідно до розрахункових даних по розподілу інтенсивності, у зазначеному перетині зменшення інтенсивності напружень у зоні концентратора склало приблизно 40 %. Отже, одна з загальних рекомендацій із проектування матриць подібного класу полягає в можливо більш гладкій конструктивній формі елементів бандажа. Варто передбачити переміщення вихідних геометричних концентраторів напружень вище відповідних зон дії максимального навантаження на матрицю.

а)б)

Рис. 2. Максимальні радіальні переміщення робочої вставки і інтенсивності напружень від температури охолодження (а), висоти зовнішнього бандажа (б)

^ У четвертому розділі наведені результати досліджень по розробці умов досягнення технологічності операції магнітно-імпульсної «роздачі» для формування окружних гофрів на тонкостінному циліндрі.



Рис.4. Модель індуктора для роздачі циліндричної труби: 1–комутатор; 2– накопичувач; 3–індуктор; 4–заготовка; 5 – матриця

Схема операції «роздача» показана на рис.4. При замиканні комутатора – 1 відбувається розряд ємнісного накопичувача – 2 на одновитковий індуктор – 3. Порушуване магнітне поле, взаємодіючи з вихровими струмами в стінках металевої труби – 4, створює в робочій зоні індуктора могутній локальний тиск, під дією якого відбувається роздача за формою зовнішньої матриці – 5.

Перш ніж досліджувати НДС заготовки і матриці були розглянуті електромагнітні процеси, що відбуваються в індукторних системах при «роздачі». Розгляд електромагнітних процесів дозволив визначити магнітний тиск, що діє на заготовку:

, (7)

де H1, H2 – напруженості на граничних поверхнях заготовки, які були винайдені із розв’язку фундаментальної системи рівнянь Максвела. На рис.5 наведені розрахункові дані по розподілу магнітного тиску вздовж поверхні циліндричної заготовки для двох типів індукторів. Далі на базі знайдених розподілів магнітного тиску були розв’язані задачі, які стосуються дослідження НДС системи «заготовка – матриця» при одержанні двох окружних гофрів на тонкостінному циліндрі. За розрахункову схему була прийнята система із тонкостінного циліндра і двох кілець. Метою аналізу було знаходження конструкційних параметрів, за яких умови досягнення мети технологічної операції виконуються найкращим способом.



Рис.5. Розподіл магнітного тиску по поверхні труби:

а) одновитковий індуктор; б) двовитковий індуктор


Аналіз результатів розрахунків дозволив сформулювати наступні висновки. Граничною умовою для циліндра повинне виступати вільне обпирання торців. Внутрішній тиск повинний бути прикладеним в локальних зонах, порівнянних з товщиною кілець. Варіювалася форма меридіонального перерізу кілець з метою одержання найбільш однорідного розподілу інтенсивності напружень у зоні контакту. На наступному малюнку представлені розподіли інтенсивності напружень при різних варіантах профілю кілець.

Виявилося, що найбільш вдалим є другий варіанта виконання. Далі була проведена серія розрахунків з метою визначення величини зовнішнього тиску, при якому інтенсивність напружень у матеріалі заготовки досягне границі текучості. Максимальна інтенсивність напружень у матеріалі заготовки перевищила границю текучості при величині зовнішнього тиску 25 МПа, при цьому значення максимальної інтенсивності дорівнює 178 МПа і відповідні деформації є малими. Максимальна інтенсивність напружень у матеріалі матриці приблизно така ж, отже, оснащення залишається працездатним.




Рис. 6. Інтенсивності напружень у зоні контакту при різному профілі кілець


Висновки


Найбільш важливі наукові і практичні результати роботи містять наступне:

Створено новий метод розрахунку на міцність і жорсткість із врахуванням критеріїв працездатності вісесиметричних складених конструкцій технологічного оснащення, що засновано на розв’язуванні методом скінченних елементів теплових та термопружно-пластичних контактних задач нелінійного деформування тіл із складної геометрією, які взаємодіють з різними механізмами тертя, при попередніх натягах або зазорах, в умовах нерівномірності температури і інтенсивних зовнішніх силових та теплових полів.

Надано розвиток методам моделювання контактної взаємодії між елементами складених конструкцій за рахунок введення в скінчено-елементні моделі “контактних шарів”, що здатні адекватно моделювати ідеальний тепловий контакт, зчеплення, прослизання, відрив, натяг, зазор і тертя за законами Кулона та Зібеля.

Встановлено достатню ступінь достовірності запропонованого методу та програмного забезпечення для розв’язування теплових та термопружно-пластичних контактних задач нелінійного деформування тіл із складною геометрією за їхнім тестуванням в окремих прикладах, які виявили, що для найбільш складних прикладів максимальна розбіжність між одержаними та аналітичними й відомими з літератури даними інших авторів не перевищує 20%.

Одержані рішення задач міцності і жорсткості для нових перспективних конструкцій складених бандажованих матриць для ХВ та НГВ, за якими надані обґрунтовані рекомендації для вибору раціональних значень параметрів охолодження та геометричних параметрів складеної матриці для НГВ циліндрово-конічних втулок, що використані на ДП "Завод ім. Малишева" (м. Харків) при розробці конструкторської документації на проектування.

Розроблено метод для дослідження операції “роздача” тонкостінних циліндричних заготовок при магнітно-імпульсному штампуванні за рахунок уперше створеної математичної моделі індукторних систем, одержаних розв’язків задач електродинаміки для визначення магнітного тиску та рішення проблеми контактної міцності системи «заготовка – матриця».

6. Отримані розрахункові дані з пружно-пластичного деформування елементів системи “заготовка – матриця” та надані експериментально і теоретично обґрунтовані пропозиції щодо створення нових видів технологічного оснащення для проектних технологічних систем МІШ.