WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

0,2 пч При экспериментальном изучении объемных наноматериалов, полученных РКУП, наблюдается неоднородность распределения пластических деформаций по объему заготовки, от которых напрямую зависит распределение структур в материале. Данная неоднородность зависит от конструктивных характеристик оснастки и ряда энергосиловых параметров. Исследования НДС, выполненные в работе Смолякова А.А., показали возможность моделирования процесса РКУП в трехмерной постановке, однако в ней при численном моделировании использовался программный пакет, предназначенный для динамических исследований, который не позволяет в полной мере учесть ряд технологических факторов, присущих процессу, а также отсутствовали исследования влияния концентрации напряжений на усталостную прочность объемных наноматериалов. В работах Будилова И.Н., Лукащука Ю.В. были показаны первые исследования образцов круглого поперечного сечения, однако в них отсутствовали качественное исследование НДС данных заготовок при различных размерах поперечных сечений, а также детальная картина НДС, которая в полной мере может быть сопоставлена с реальными заготовками, полученными РКУП.

На основании обзора научно-технической информации и имеющихся данных об опытах численного моделирования процесса с учетом того, что имеющиеся модели не могут претендовать на полноту описания данного процесса, были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе изложены основные положения численной методики расчета НДС и полей пластических деформаций и результаты ее тестирования.

Численное решение задачи моделирования процесса РКУП было достигнуто с помощью метода конечных элементов (КЭ), реализованного в трехмерной объемной постановке задачи с использованием современного программного пакета Deform-3D. В ходе моделирования оснастка, состоящая из пуансона и штампа РКУП, представляла собой абсолютно жесткие тела, а заготовка – пластичное тело разбитое сеткой КЭ в виде тетраэдров с заданием модели материала и граничных условий.

Для определения НДС заготовки при РКУП при математическом моделировании в программном пакете Deform-3D применялся способ получения системы разрешающих уравнений с использованием вариационного принципа Лагранжа. В соответствии с данным принципом, если u, v, w – действительные перемещения точек тела, то они обращают в нуль вариацию полной потенциальной энергии на любых возможных перемещениях точек тела от положения равновесия, т.е. действительному полю перемещений точек тела соответствует минимум полной потенциальной энергии Э. Для КЭ модели полная потенциальная энергия равна сумме:

NЭ (1) Э Э(n), т где Э(n) – энергия некоторого n-го элемента, NЭ – число КЭ. Выразив энергию Э(n) через узловые перемещения и используя условия стационарности:

NЭ Э или 0 Э(n), (2) {U} {U}т приходим к системе уравнений:

[K]{U} {P}, (3) где [K] – квадратная матрица жесткости всей системы, имеющая размерность 3Nу3Nу, где Nу – количество узлов; {U} – вектор-столбец искомых узловых перемещений, содержащий 3Nу элементов; {P} – вектор фиктивных узловых сил той же структуры. Решив данную систему, можно найти искомый вектор {U}, а затем – напряжения и деформации в любой точке заготовки.

В ходе тестирования модели была решена задача о распределении полей накопленных пластических деформаций в образцах из чистой меди и титана в сравнении с результатами, полученными в экспериментах во ВНИИЭФ и УГАТУ. Модель материала с изотропным упрочнением была задана на основе диаграмм деформирования, полученных для меди и титана после каждого прохода РКУП соответственно:

,T, (4), где девиаторная компонента деформации, скорость эффективной деформации, T – температура.

Расчетная схема процесса, модель материала и граничные условия при моделировании были выбраны в соответствии с данными УГАТУ и ВНИИЭФ.

На рис.1 показано сравнение экспериментальных результатов, полученных во ВНИИЭФ, УГАТУ и рассчитанных автором с использованием программного пакета Deform-3D. Установлено, что расчетные данные при сравнении накопленных пластических деформаций, энергетического параметра – силы необходимой для деформирования в процессе РКУП, распределений напряжений в заготовке демонстрируют соответствие предшествующим экспериментам и позволяют применить описанную методику численного математического моделирования для последующих исследований процесса РКУП.

а) б) в) Рисунок 1 – Характер распределения деформаций при наличии трения:

а) эксперимент ВНИИЭФ, б) эксперимент УГАТУ, в) расчет Deform-3D.

В третьей главе описан детальный подход к построению физической и математической моделей процесса РКУП, учитывающий многофакторность данного процесса.

Установлено, что структурообразование, происходящее в заготовке при РКУП, зависит от многих факторов, характеризующих этот процесс. Существенную роль в равномерности распределения накопленных пластических деформаций по сечению заготовки играют ее трение о стенки штампа, геометрия зоны пересечения каналов, внешний и внутренний радиусы сопряжения каналов. Корректный учет данных факторов при трехмерном моделировании процесса РКУП важен при дальнейшем построении расчетной схемы. В ходе моделирования было выявлено значительное искажение КЭ сетки, поэтому, для получения достоверных результатов, в расчете использовался алгоритм перестройки сетки, в ходе которого данные из «старой» сетки интерполировались в «новую» при достижении критерия максимального искажения формы элементов. Точность интерполяции зависит от множества факторов, в том числе и от размеров КЭ, при этом перестроение сетки КЭ и ее сгущение особенно важны в зонах с большим градиентом деформаций.

Для определения оптимального числа и размеров КЭ, обеспечивающих качественное решение, были проведены эксперименты на заготовках круглого поперечного сечения. В ходе экспериментов было установлено, что оптимальный линейный размер элементов, обеспечивающий наиболее полное описание процесса РКУП при приемлемом времени счета и отсутствии значительных погрешностей вычислений применительно к условиям процесса РКУП, находится в диапазоне 2,5-5,0% от поперечного размера заготовки, при этом исходная сетка КЭ насчитывает 15000-21000 элементов.

При исследовании влияния наружного и внутреннего радиуса сопряжения каналов (поперечные размеры заготовки 8х8мм) установлено, что с увеличением наружного радиуса с 2 до 6мм происходит снижение на 6-9% общего уровня накопленных пластических деформаций, а также возрастает на 10-15% неравномерность их распределения в нижней части заготовки в выходном канале штампа. Увеличение внутреннего радиуса приводит к смещению зоны с максимальным уровнем пластических деформаций (на 16-26% относительно высоты сечения) от верхней части заготовки. Установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения распределения пластических деформаций являются наружные радиусы, составляющие R=0,06-0,2t, и внутренние радиусы r=0,030,15t, где t – характерный размер поперечного сечения заготовки (для образцов квадратного поперечного сечения это ширина заготовки, а круглого – диаметр).

При рассмотрении изотропной модели поведения материала (в случае меди и титана) были использованы имеющиеся экспериментальные диаграммы деформирования исходных материалов после первого, второго и последующих проходов. Кроме этого, для геометрического центра заготовки после каждого прохода, существует установленная теоретическая и экспериментально подтвержденная величина приращения степени деформации 2 3 1,15 при i угле пересечения каналов штампа РКУП =90°. Установлено, что на НДС заготовок при РКУП существенное влияние оказывает характер упрочнения материала. Материалы, близкие по свойствам к идеально-пластичным, имеют большую неравномерность в распределении пластических деформаций по сечению заготовки (соотношение между максимальным и минимальным уровнем накопpl pl 6 9% ленных пластических деформаций составляет ) в сравнении eqvmax eqvmin pl pl 2 5% с менее пластичными материалами ( ). Однако, выявлено, что eqvmax eqvmin идеально-пластичные материалы имеют больший диапазон накопленных пластических деформаций, достигающих или превышающих теоретический уровень приращения степени деформации за один проход, в сравнении с менее pl pl pl pl пластичными 72 95% и 38 56% соответственно.

eqvnom eqv eqvnom eqv Выявлено, что влияние трения на равномерность распределения деформаций в образце выражается в увеличении «обратного течения» материала, а также в «торможении» деформаций и снижении их уровня в приграничной к стенкам канала зоне (рис.

2). В отсутствие трения в выхода) б) ном канале штампа РКУП в перРисунок 2 – Характер вом эксперименте и при факторе деформирования материала:

трения 0,2 – во втором зона «оба) без трения, б) с трением.

ратного течения», локальное снижение уровня накопленных пластических деформаций материала увеличиваются с 10% до 23% соответственно. Под воздействием трения происходит существенное сжатие слоев материала в верхней части заготовки вне зоны «обратного течения». Так при факторе трения 0,2 в сравнении с отсутствием трения в канале относительное уменьшение первоначальных продольных размеров заготовки достигло 23%.

При анализе углов пересечения каналов не равных 90° установлено, что при угле пересечения в 120° равномерность распределения пластических деформаций по высоте сечения близка к результатам, получаемым на оснастке с углом пересечения каналов в 90°, однако уровень накопленных пластических pl pl деформаций =0,33-0,62 (после второго прохода РКУП – =0,87-1,24) нахоeqv eqv дится ниже практически в 2 раза. При угле пересечения каналов в 30° на 80% площади поперечного сечения заготовки в ее «рабочем» участке наблюдается pl уровень пластических деформаций =1,1-1,5 (после второго прохода РКУП – eqv pl =2,3-2,8), а на оставшейся площади уровень пластических деформаций на 5eqv 15% ниже, чем при угле пересечения каналов в 90°.

В четвертой главе проведен анализ НДС в заготовках с учетом многопроходной схемы РКУП, масштабного фактора и при последующей механической обработки, а также, показана теоретическая оценка концентрации напряжений в объемных наноматериалах.

При численном моделировании многопроходного процесса РКУП по соответствующим маршрутам прессования (рис.3) необходимо учитывать историю нагружения заготовки. Для повторного деформирования заготовки данная операция реализовывалась путем переноса, поворота и повторной ее установки, с последнего шага расчета процесса РКУП, во входной канал штампа. При этом перестроение КЭ сетки отсутствовало.

а) б) в) Рисунок 3 – Маршруты РКУП (а, б, в - маршрут А, В и С соответственно) На рис. 4 показано распределение деформаций в образце круглого поперечного сечения за четыре прохода РКУП. Установлено, что после многократного деформирования увеличиваются зоны неравномерности деформаций в хвостовых частях образцов (примерно в 1,5-2 раза больше размеров поперечного сечения), что приводит к значительному уменьшению «рабочей зоны», в которой наблюдаются достаточно равномерно распределенные по сечению накопленные пластические деформации.

а) б) в) г) д) Рисунок 4 – Распределение деформаций в заготовке круглого поперечного сечения: а) первый; б) второй; в) третий; г) четвертый проход РКУП (по объему заготовки и в продольном сечении); д) в поперечном сечении «рабочего» участка, для четырех проходов соответственно.

Так при длине заготовки в 60 мм доля непроработанных зон может составлять порядка 40%. Теоретический уровень приращения деформаций для геометрического центра заготовки соответствует экспериментальным значениям, однако в ходе деформирования происходит существенное смещение зоны максимальных накопленных пластических деформаций в виду поворота заготовки на 90° относительно своей оси.

Кроме того, установлено, что в заготовках круглого поперечного сечения в отличие от квадратного сечения, проявляется существенная неравномерность деформаций (порядка 12-16% за проход) в приповерхностном слое заготовки, обусловленная трением и геометрией штампа РКУП. Установлено, что уровень накопленной пластической деформации в заготовке круглого поперечного сеpl чения после первого прохода РКУП находится в пределах =0,66-1,18, при eqv этом имеется общая тенденция к снижению неравномерности распределения накопленных пластических деформаций при реализации многопроходной схемы деформирования. Так, неравномерность распределения накопленной пластической деформации после первого прохода составляет 44,1%, а после второpl го происходит ее снижение до 38,7% ( =1,38-2,25), после третьего – до 29,4% eqv pl pl ( =2,52-3,57), после четвертого – до 20% ( =3,75-4,70).

eqv eqv Немаловажным геометрическим фактором, влияющим на распределение пластических деформаций в заготовке, является масштабный фактор процесса РКУП. В экспериментах с заготовками из меди было установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения уровня накопленных пластических деформаций за один проход РКУП и равномерности их распределения в заготовке, при одинаковых конструктивных параметрах оснастки, является диапазон квадратных поперечных сечений 6х6мм – 12х12мм (рис. 5).

С увеличением поперечных размеров канала штампа РКУП происходит снижение уровня накопленных пластических дефорpl маций по высоте сечения =0,95-1,1 (сеeqv чение 16х16мм), а при уменьшении возрастает неравномерность их распределения по pl высоте сечения =0,55-1,15 (сечение eqv 4х4мм). Аналогичные зависимости были получены с заготовками круглого поперечного сечения с соответствующими характерными размерами t.

Рисунок 5 – Относительное распределение деформаций по высоте заготовки из Cu.

а) б) в) г) Рисунок 6 – Относительное распределение деформаций по высоте заготовки из Ti: а) – г) 1 – 4 проходы РКУП соответственно.

В ходе исследования масштабного фактора для титановых заготовок квадратного поперечного сечения было установлено, что наиболее равномерное pl ( =0,86-1,17) за первый проход РКУП, распределение и уровень накопленных eqv пластических деформаций соответствуют диапазону сечений от 6х6мм до 12х12мм. С увеличением размеров сечения до 16х16мм происходит снижение уровня деформаций на 10-12% к четвертому проходу РКУП. С уменьшением размеров сечения до 4х4мм наблюдается рост неравномерности распределения pl накопленных пластических деформаций до 53% ( =0,52-1,11) в первом проeqv ходе, однако последующие проходы уменьшают данную неравномерность до pl 12% ( =3,52-4,01) к четвертому проходу, при этом общий уровень, в сравнеeqv нии с сечением 8х8мм, находится на 12-14% ниже.

Pages:     | 1 || 3 |






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