WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Левщанов Владимир Викторович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ В РОЛИКАХ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Тольятти – 2008

Работа выполнена в Ульяновском государственном педагогическом университете им. И.Н. Ульянова.

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Филимонов Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Левин Виталий Ильич

кандидат технических наук

Тарасова Елена Геннадьевна

Научный консультант:

доктор физико-математических наук,

профессор Леонтьев Виктор Леонтьевич

Ведущая организация:

Ульяновский государственный технический

университет

Защита диссертации состоится « 25 » декабря 2008 г. в 16 часов на заседании совета Д212.264.03 Тольяттинского государственного университета по адресу: 445020, Тольятти, ул. Белорусская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 24 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь совета Пивнева. С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена разработке аналитических моделей и комплексному исследованию, с применением метода конечных элементов, процессов формоизменения заготовки в роликах (валках) профилировочных станков.

Актуальность:

В последние годы активно развиваются новые методы пластического деформирования, в том числе холодного профилирования заготовок, позволяющие получать детали с высоким классом точности и чистотой поверхности до 10 класса и выше. К наиболее перспективным методам, сочетающим в себе высокую универсальность и эффективность, можно отнести метод интенсивного деформирования (МИД), созданный в последнее десятилетие.

МИД позволяет получать требуемое сечение профиля при небольшом числе переходов, что повышает эффективность производства и снижает себестоимость продукции, однако недостаточная изученность процессов формообразования является сдерживающим фактором, ограничивающим широкое применение этого метода.

Несмотря на значительное количество опубликованных работ, посвященных данной проблеме, до настоящего времени отсутствует достаточно точное количественное описание большого числа факторов оказывающих влияние на процесс формообразования. Сложность и высокая стоимость натурных экспериментов (стоимость одного комплекта оснастки может достигать 500 тыс. рублей), ограниченные возможности доступных контрольно-измерительных приборов, изменение свойств заготовки в процессе формоизменения – это лишь малая часть проблем, с которыми приходится сталкиваться исследователям и технологам. Остаются вопросы, требующие детальной теоретической и практической разработки.

Учет и оценка влияния каждого отдельно взятого фактора на технологический процесс профилирования – непростая задача, успешное решение которой возможно только с использованием достижений математических дисциплин, современной вычислительной техники и программного обеспечения.

Целью работы является комплексное исследование процессов формоизменения заготовки в роликах путем создания аналитических математических моделей и применения МКЭ для выработки состоятельных рекомендаций по совершенствованию технологии изготовления гнутых профилей МИД.

Для достижения цели работы решались следующие задачи:

– изучение степени влияния различных факторов на процесс формообразования профиля и определение круга физико-механических явлений, подлежащих учету при разработке аналитических моделей;

– разработка аналитических моделей формообразования, включающих модель формоизменения перфорированной заготовки при поджатии в торец, модель деформирования зоны изгиба в условиях деформационного упрочнения материла с высвобождением угловой зоны, модель зоны плавного перехода при интенсивном формообразовании профиля из упрочняющегося материала;

– тестирование аналитических моделей на асимптотическую корректность и физическое соответствие процессам формообразования профиля;

построение моделей материалов и моделей нагружения для конечно-элементного анализа процессов формообразования и его реализация для частных случаев, подтверждающих адекватность аналитических моделей.

– установление границ применимости используемых аналитических и конечно-элементных моделей;

– разработка установки и проведение на ней экспериментальных исследований формообразования и устойчивости заготовки в очаге деформации;

– выработка практических рекомендаций для специалистов предметной технологической области.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись:

– методы механики деформируемого твердого тела;

– методы математического моделирования и вычислительной математики;

– методы статистического анализа.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность научных положений и полученных результатов исследований обеспечивается совпадением результатов теоретических моделей, конечно-элементных расчетов и экспериментальных данных в пределах 10 – 15 %, а также их применением в практике профилирования. Результаты, полученные в данной работе, находят подтверждение в экспериментальных исследованиях других авторов в ряде частных случаев.

Основные положения, обладающие новизной и выносимые на защиту:

модель интенсивного деформирования перфорированных заготовок при профилировании в условиях нормального нагружения по кромке;

модель деформирования зоны изгиба с учетом упрочнения при профилировании и высвобождением угловой зоны;

модель зоны плавного перехода при интенсивном формообразовании профиля из упрочняющегося материала с учетом прогибов донной части профиля;

результаты численного конечно-элементного моделирования процессов формоизменения заготовки;

– результаты экспериментальных исследований и практические рекомендации для специалистов предметной области.

Практическая значимость работы состоит в ее непосредственной ориентации на решение задач моделирования интенсивного формообразования и обобщения результатов на широкую номенклатуру профилей с целью совершенствования технологии их производства.

Использование результатов. Результаты диссертационного исследования позволили выработать рекомендации для совершенствования технологии МИД 12-ти типоразмеров многоэлементных гнутых профилей, которые были использованы в НПО «ИДМ» (Научно-Производственное Объединение «Интенсивное Деформирование Материалов») при разработке схем формообразования и технологического оснащения.

Апробация работы. Результаты основных положений диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции, (г. Ульяновск, 2004 год), научно-технических конференциях «Вузовская наука в современных условиях» в 2005, 2006, 2008 гг., а также на расширенном заседании кафедры общей физики Ульяновского государственного педагогического университета (в полном объеме диссертации) в 2008 году.

Публикации. По теме диссертации имеется 13 научных публикаций, в том числе 3 статьи из перечня изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 170 наименований. Основная часть работы изложена на 170 страницах машинописного текста. Работа содержит более 100 рисунков и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении указаны актуальность задач исследования и цель работы.

В первой главе проведен обзор литературных источников, отражающих методы и способы формообразования тонкостенных профилей. Показаны преимущества и ограничения существующих методов производства гнутых профилей.

Рис. 1. Один из основных типов потери устойчивости кром-ковая волнистость

Обоснован выбор МИД как одного из наиболее универсальных методов, отличающегося высокой производительностью, сравнительно низкой энергоемкостью и незначительными потерями металла при производстве изделий.

Рассмотрены проблемы, сдерживающие широкое применение МИД, и выделены основные из них:

– отсутствие установленных взаимозависимостей между физико-механическими, размерными характеристиками исходного профиля, параметрами профилировочного оборудования, технологическими факторами и технологическими параметрами процесса формообразования профиля МИД;

– отсутствие моделей формоизменения перфорированной заготовки при поджатии в торец, позволяющих прогнозировать деформации отверстий и их допустимую топологию на подгибаемых элементах;

– отсутствие моделей деформирования зоны изгиба в условиях деформационного упрочнения материла с высвобождением угловой зоны, позволяющих назначать надлежащие режимы формообразования для обеспечения размерной точности профилей, в частности, определения углов пружинения;

– отсутствие моделей зоны плавного перехода при МИД, в которых был бы учтен эффект прогиба донной части для интенсификации процесса путем ужесточения режима подгибки элементов, сокращения числа переходов и предотвращения переформовки заготовки с целью сохранности ресурса пластичности заготовки, повышения качества профиля путем предотвращения дефектов неустойчивости пластического деформирования в форме кромковой волнистости (рис. 1), снижения энергетических затрат и уменьшения износа инструмента.

Обзор работ теоретического и прикладного характера отечественных и зарубежных исследователей, посвященных указанным проблемам, показал, что в связи со сравнительно недавним созданием МИД, для достаточно точного количественного описания большого числа факторов, влияющих на процесс формообразования, наиболее целесообразно применение методов математического моделирования и конечноэлементного анализа для верификации аналитических моделей или решения частных задач в приложении к формообразованию профиля в роликах. В известной степени это вызвано высокой трудоемкостью проведения натурных экспериментов, ограниченными возможностями доступных контрольно-измерительных приборов, неустойчивостью в ряде случаев пластического деформирования и изменением свойств заготовки в процессе формообразования.

Рассмотрены основные методы математического моделирования процессов профилирования, а также их возможности и ограничения. Предложен комплексный метод, включающий создание аналитических и конечно-элементных математических моделей.

Выполнен сравнительный анализ современных программных пакетов, реализующих принцип конечно-элементного анализа и применяемых для решения технологических задач ОМД, обоснован выбор программных комплексов ANSYS 8.0 и LS-DYNA как наиболее универсальных.

Первая глава диссертационной работы заканчивается рассмотрением причин возникновения погрешностей, при использовании численных методов, и способов их оценки.

Во второй главе представлены разработанные аналитические модели:

Рис. 2. Схема нагружения участков заготовки при формовке в горизонтальных роликах (а) и с межклетьевой проводкой (б)

1. Модель интенсивного деформирования перфорированных заготовок. Данная модель отражает напряженно-деформированное состояние металла вблизи отверстий различных размеров и топологии при профилировании перфорированной ленты МИД.

Расчетная схема и принятые допущения:

  1. часть заготовки в межклетьевом пространстве рассматриваем как пластину неограниченной длины;
  2. влиянием смежных с очагом пластической деформации участков пренебрегаем, а нагружение считаем близким к нагружению, указанному на (рис. 2).

Напряженное состояние в произвольной точке заготовки описывается зависимостями:,,, где rr,, r напряжения.

Для осесимметричной части, представляемой модельной задачей сжатия кольца, нагруженного напряжением по наружному контуру и имеющего свободный от напряжений внутренний контур, решение в терминах функции Эри известно:, где Фс(r) функция Эри; r текущая радиальная координата.

Функция напряжений Эри Фн(r, ) для задачи сжатия кольца с напряжениями на внешней границе:, представляется в виде:.

Определив функцию f(r) из общего бигармонического уравнения и просуммировав осесимметричную и неосесимметричную функции напряжений Эри, получим:.

Взяв соответствующие частные производные, получаем формулы для соответствующих решений: ,,.

Из полученных формул, в частности, следует, что при r = R (контур отверстия):, откуда видно, что для некоторых направлений осей напряжение может троекратно превышать значение напряжения, приложенного к торцевой поверхности заготовки.

Рис. 3. Распределение радиальных (а) и тангенциальных (б) напряжений по радиусу r, под углом 45о к оси Х1 в упругой области для отверстий с различными радиусами R, мм: 5(1), 10(2), 15(3), 20(4)

Характер распределения напряжений в упругой области согласно полученным формулам представлен на рис. 3. Выявлена локализация напряжений в области, примыкающей к отверстию, а также их затухание по мере удаления от границ отверстия.

Для круглого отверстия в пластической области нагрузка действует в плоскости полки, при этом напряжения обозначенные на рис. 3 индексом «3», равны нулю, при условии дисторсии полки на протяжении всего процесса деформирования.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.