WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

СОСНИН Александр Александрович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА

01.02.04 – механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИМиМ ДВО РАН)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Одиноков Валерий Иванович.

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Черномас Вадим Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры «Машины и технологии обработки материалов давлением» Южно-Уральского государственного университета Каплунов Борис Григорьевич (г. Челябинск) доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология самолетостроения» Комсо- мольского-на-амуре государственного технического университета Феоктистов Сергей Иванович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация: Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс Больших систем машин» УРО РАН (г. Екатеринбург)

Защита состоится 24 октября 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.02 в ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, факс (4217) 53-61-50, E-mail: dis@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» Автореферат разослан «21» сентября 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.092.доктор физико-математических наук, доцент Г.С. Лейзерович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время возрастает роль моделирования сложных технологических процессов, которое позволяет значительно упростить и уменьшить объем экспериментальных исследований и опытноконструкторских работ, необходимых для их разработки. При получении металлоизделий с применением установки горизонтального литья и деформации металла (УГЛДМ) реализуется совмещенный металлургический процесс, при котором в подвижном составном кристаллизаторе материал металлоизделия одновременно кристаллизуется и деформируется. Известно, что для реализации устойчивого процесса получения металлоизделий на УГЛДМ определяющее значение имеет четкое соблюдение требуемых температурных режимов, обеспечивающих наиболее благоприятные условия пластического деформирования материала металлоизделия. Эти условия определяются конструктивными параметрами металлоизделия и инструмента (подвижных частей кристаллизатора УГЛДМ), а также теплофизическими, физико-механическими и технологическими свойствами материалов металлоизделия и инструмента. Определение требуемых температурных режимов процесса и оценка их влияния на напряженно-деформированное состояние формирующегося металлоизделия и инструмента связано с большими трудностями, как из-за отсутствия критериев оценки предельных значений напряжений и деформаций в металлоизделии и инструменте с точки зрения их технологически приемлемых значений, так и из-за сложности расчета этих значений. Кроме того, отсутствует методика построения численной схемы для решения краевых задач с целью определения полей температур и напряженно-деформированного состояния в системе «формирующееся металлоизделие – инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия совмещенным методом литья и деформации металла. В этой связи описание и анализ процессов, протекающих в кристаллизаторе УГЛДМ на базе совокупности теоретических и экспериментальных исследований с учетом кинематики и области контакта инструмента с формирующимся металлоизделием, является актуальным направлением исследования.

Соответствие научному плану работ и целевым комплексным программам. Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований 11-01-98500 р_восток_а «Математическое моделирование процессов протекающих в многокомпонентных системах» (2011-2013 гг.), гранта 09-I-ОЭМПУ-07 «Моделирование и исследование процессов формирования заготовки на установке горизонтального литья и деформации металла» (2009-2011 гг.), реализованного в рамках Программы фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН № 13 «Трибологические и прочностные свойства структурированных материалов и поверхностных слоев», а также в соответствии с планом НИР ИМиМ ДВО РАН «Разработка, исследование и внедрение нетрадиционных методов обработки металлов давлением» (№ госрегистрации 01.2.006 11977).

Целью работы является построение адекватной модели, описывающей тепловые и деформационные процессы, протекающие в кристаллизаторе УГЛДМ при формировании металлоизделия совмещенным методом литья и деформации металла.

Научная новизна обусловливается следующими положениями:

- осуществлена постановка, разработана численная схема и решена пространственная краевая задача для определения напряженно-деформированного состояния в системе «формирующееся металлоизделие – инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия совмещенным методом литья и деформации металла;

- осуществлена постановка, разработана численная схема и решена пространственная краевая задача для определения температур в системе «формирующееся металлоизделие – инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия;

- установлена взаимосвязь между напряженно-деформированным состоянием формирующегося в кристаллизаторе УГЛДМ металлоизделия и технологическими режимами его получения.

Обоснованность и достоверность полученных результатов и выводов диссертации обеспечивается математической корректностью постановок решаемых задач, основанных на использовании фундаментальных уравнений механики деформируемого твердого тела, уравнений математической физики, апробированного численного метода расчета, подтверждается соответствием теоретических результатов экспериментальным данным, полученным с помощью поверенного комплекса контрольно-измерительного оборудования.

Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в системе «формирующееся металлоизделие – инструмент деформации», разработан пакет программ расчета значений температур, напряжений и деформаций, а также определены критерии их оценки с целью реализации устойчивого процесса получения металлоизделий совмещенным методом литья и деформации металла. Программы могут быть использованы в инженерной практике для определения основных параметров совмещенных процессов литья и деформации металла.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены автором на:

- VIII-ой Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века». Пенза, 2010 г.;

- XXXV-ой Дальневосточной Математической Школе-Семинаре имени академика Е.В. Золотова. Владивосток, 2010 г.;

- всероссийской конференции «Школа по фундаментальным основам моделирования обработки материалов». Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.;

- научно-технической конференции «Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем». Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.;

- VI-ой международной заочной электронной научно-практической конференции «Технология». Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.;

- научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИКОР». Екатеринбург, 2011 г.;

- VII-ой Российской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». Екатеринбург, 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Из них 4 в ведущих рецензируемых журналах, 9 на конференциях, также имеются 2 свидетельства о Государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Личный вклад автора. В совместных работах [1-15] автор диссертационной работы принимал активное участие в теоретических и экспериментальных исследованиях, а также обработке и анализе полученных результатов. Работа [11] выполнена автором лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы (134 наименования). Общий объем работы – 140 страниц, в том числе 94 рисунка и 22 таблиц, включенных в текст.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описан объект исследования, обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель и определены задачи, решаемые в диссертации, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.

Объектом исследования является УГЛДМ. На рис.1 представлена принципиальная схема УГЛДМ.

ППРис. 1. Принципиальная схема УГЛДМ Конструктивной особенностью УГЛДМ является наличие двух плоскостей симметрии – продольной (П1, рис.1) и поперечной (П2, рис.1). Установка включает двухручьевой охлаждаемый кристаллизатор, который состоит из четырех частей: двух боковых стенок 1, верхней 2 и нижней 3 стенок.

Расплавленный металл через разливочный стакан 4 заливается во внутреннюю полость кристаллизатора, где происходит кристаллизация и деформация металла в твердожидком и твердом состояниях. При вращении приводных эксцентриковых валов боковые стенки совершают навстречу друг другу сложное движение в горизонтальной плоскости, а верхняя и нижняя стенки совершают возвратно-поступательное движение. Такое взаимное движение стенок кристаллизатора способствует циклической деформации металла и попеременную выдачу металлоизделия в один их ручьев кристаллизатора УГЛДМ. Цикличность процесса деформации металлоизделия для каждого из ручьев выражается через угол поворота эксцентриковых приводных валов боковых стенок кристаллизатора УГЛДМ. Для первого ручья этот угол находится в пределах от 00 до 1800, а для второго ручья от 1800 до 3600 за один оборот эксцентриковых приводных валов. Деформация материала металлоизделия осуществляется за счет механического давления, которое создается за счет перемещения боковых стенок кристаллизатора относительно продольной плоскости симметрии (П1) УГЛДМ и перемещений верхней и нижней стенок кристаллизатора относительно поперечной плоскости симметрии (П2) УГЛДМ.

Первая глава диссертационной работы посвящена математическому моделированию процесса получения металлоизделий из технического алюминия АД0 на УГЛДМ. Представлены обоснование выбранного метода исследования и математическая постановка задачи, определены начальные и граничные условия, разработаны численная схема и алгоритм решения задачи, а также результаты численного исследования тепловых и деформационных процессов, протекающих в металлоизделии на примере получения полосы (шинопровода) поперечного сечения 4012 мм из технического алюминия АД0.

Схема деформации металла с учетом плоскостей симметрии представлена на рис. 2. Области 1 и 2 – области жидкого и твердого металла соответственно.

xx e xxА-А e xА SSSc SSSSxxSSА b Рис. 2. Схема деформации металла Поверхность боковой стенки кристаллизатора разбита на 2 области S3 и S4, так как боковая стенка имеет зоны контакта как с жидким металлом, так и с твердым, в следствии чего эти области имеют различные граничные условия.

Весь цикл поворота эксцентрикового вала разбивался на m шагов. Исследовался процесс деформации на угле поворота 180о. Величина одного шага pm= 180о/m. Принимали, что деформируемый материал металлоизделия является несжимаемым и изотропно упрочняющимся. Массовыми и инерционными силами пренебрегали. Записывали в эйлеровой системе координат систему уравнений на временном шаге нагружения m ij, j=0, (4) 1 i = j - ij = 2*ij, ij = 0 i j, (5) ij 1 T 1/ = , ij = 0,5(vi, j + v ); * = ; T = T (H,, ); H = (2ijij ), ii j,i 3 H ii = 0, (6) c = div(grad ), (7) i = 1, 2, 3 (суммирование по повторяющимся индексам i, j).

Где ij – компоненты тензора напряжений; ij - компоненты тензора скоростей пластических деформаций; vi - проекции скоростей перемещений по координатным скоростям xi, i = 1, 2, 3; - коэффициент теплопроводности.

При этом = ( ) ; - температура; c – удельная теплоемкость; - плотность.

Интенсивность касательных напряжений определяется по апТ = T (H,, ) проксимации экспериментальных данных для материала металлоизделия.

Hm .

= Hd m m В области, где металл находится в жидком состоянии, выполняются уравнения (4, 6, 7), а уравнения (5) будут иметь вид ij -ij = 2µij. (8) Здесь µ - коэффициент вязкости.

Начальные условия записывали следующим образом о При = 0 : 0 = 0 ; 0 = 0 ; = 0, (9) где 0 - угол поворота эксцентрикового вала, 0 - начальная деформация металла, 0 - начальная температура в исследуемой области при полном раскрытии бойков (0 = 0). Температуру 0, в отличие от 0 и 0, необходимо найти.

При установившемся режиме изменения температуры в системе в процессе деформации происходит в течении одного цикла, то есть при повороте эксцентрика от = 0о до = 180о. Далее боковые стенки расходятся и следует продвижение формирующегося металлоизделия верхней и нижней стенками в сторону выхода металлоизделия. Угол при этом изменяется от 180о до 360о.

Это период разгрузки (холостой ход). Считали, что за этот период происходит полная рекристаллизация деформируемого металла, то есть следующий цикл начинается с начальных условий (9). Начальное поле температур перед циклом определяли из предположений, что при = 0o калибрующие участки боковых стенок находятся на максимальном удалении друг от друга. Вся масса формирующегося металлоизделия перемещается верхней и нижней стенками кристаллизатора УГЛДМ при соответствующих граничных условиях, при этом скорость этого перемещения определяется скоростью движения верхней и нижней стенок Уравнение теплопроводности для стационарно движущейся среды по областям кристаллизатора УГЛДМ записывали в следующем виде.

cv1 = div(grad ), (10) xгде криволинейная координата x1 близка к траектории движения металла.

Граничные условия записывали из предположения, что граница исследуемой области описывается системой ортогональных поверхностей, а также, что для боковой стенки кристаллизатора учитывается агрегатное состояние металла:

(11 = 12 = 13) = 0 ; (12 = 13) = 0 ;

S5 S( = = ) = 0 ; ( ) = 0;

22 21 23 S3 S(vск) ( ) = - ; ( = ) = 0 ; (11) 21 21 S4 4 s Svи (vск ) (31 = 32) = 0 ; (32) = 0; (31) = - s 7 ;

S6 S7 S7 v v1 S2 = 0 ; v2 S1 = 0 ; v2 S4 = -(vn) ;

v3 Si = 0, i = 6, 7;

= i, i = 2, 3, 4, 5, 7; q = 0, i = 1, 6. (12) Si Si Где - предел текучести материала при сдвиге; v – нормирующая скоs рость; (vск )i = (vм - vи )i - скорость скольжения металла (vм)относительно инструмента деформации на i-й поверхности контакта; (vn)i - скорость перемещения инструмента по нормали на i-й поверхности контакта; q - тепловые потоки Si через поверхности Si, являющиеся поверхностями симметрии; - коэффициi енты трения на поверхности Si; скорость перемещения (vn)i определяется из уравнения движения стенок кристаллизатора УГЛДМ путем дифференцирования по и последующего проектирования на нормаль к поверхности формообразующего инструмента.

Уравнения движения стенок кристаллизатора УГЛДМ получали из геометрических и кинематических параметров кристаллизатора с использованием методов теоретической механики.

Для боковой стенки координаты произвольной точки в зависимости от угла поворота приводного вала:

x1()= e cos + (x1 - e + )cos - x2 sin (13) ()= (x1 - e + )sin + x2 cos + c xДля точек верхней и нижней стенок:

x1() = x1 + e1 sin (14) () = xxe sin где = arctg ; 0 = - ; x1, x2 - координаты точки при = 0 ;

b L()- 2b =, где L()= 2 b2 + e2 sin2 ; b – расстояние от центра кристаллизатора до центра приводного вала; е – величина эксцентрика приводного вала боковой стенки кристаллизатора; е1 – величина эксцентрика приводного вала верхней и нижней стенки кристаллизатора; c – расстояние от центра приводного вала до продольной оси симметрии кристаллизатора. Температурыi определяли с помощью линейной аппроксимации Для решения задачи использовали численный метод, предложенный профессором Одиноковым В.И. и программу [14]. Согласно этому методу вся исследуемая область разбивалась на элементы ортогональной формы и для каждого элемента записывали в общем разностном виде системы (4-7) через значения ij, vi, по граням элемента и значениям по элементу. После этого, полученные алгебраические системы решали с учетом начальных (9) и граничных условий (11, 12) по разработанным алгоритмам. Результатами решения задачи являлись значения средних температур по каждому элементу, напряжений, скоростей перемещения точек среды и деформаций.

На рис. 3 изображены эпюры нормальных напряжений, температур и деформаций, полученные из решения задачи.

X3, мм -6.-6. X1, мм 2X3, мм 47X1, мм 2X2, мм 0.X1, мм 0.2Рис. 3. Эпюры (сверху вниз) нормальных напряжений (кгс/мм2), температур (0С) и деформаций в металлоизделии на шаге 5 ( =1500).

Поскольку формирование напряженно-деформированного состояния металлоизделия в кристаллизаторе УГЛДМ напрямую связано с его тепловым режимом, то первоначально оценивали адекватность решения тепловой задачи (7) с начальным полем распределения температур (10) и граничными условиями (12). При этом 2= 750 °С, 7 = 350 °С, температура кристаллизации к = 658,7o C, = 2,7103 кг/м3; = 226 Вт/(м·°С); с = 930 Дж/(кг·°С). Геометрические параметры кристаллизатора УГЛДМ задавали исходя из реальных размеров кристаллизатора экспериментального стенда для физического моделирования процесса (рис. 3). В таблице 1 представлены данные средних температур вблизи поверхности боковой стенки различных сечений кристаллизатора УГЛДМ, полученные из физического и математического моделирования процесса при =90о. Значения температур, полученные из математического моделирования тепловых процессов, завышены по сравнению с результатами физического моделирования. Среднее отклонение значений температуры по сечениям кристаллизатора УГЛДМ составляет 34,7°С. Очевидно, что значения напряжений в этом случае будут занижены по сравнению с реальными процессами.

Таблица Средние значения температур вблизи поверхности контакта формирующегося металлоизделия с боковой стенкой кристаллизатора УГЛДМ № сечения 2-3 4-5 7-8 9-10 12-13 14-15 17-750 635,7 578,6 492,9 407,1 366,1 3Расчетные значения, °С Экспериментальные 695,5 589,6 537,3 460,5 380,7 341,6 333, значения, °С 54,5 46,1 41,3 32,4 26,4 24,5 17,Величина отклонения, °С Кроме того, скорости перемещения (vn)i частей составного кристаллизатора УГЛДМ, полученные из уравнений (13, 14) и оказывающие существенное влияние не деформационные процессы, могут быть приняты только в первом приближении к реальным процессам, протекающим в кристаллизаторе УГЛДМ.

Это обусловлено тем, что уравнения (13, 14) получены с учетом допущений, построенных на идеализации устройства и не учитывающих условия сопряжения различных узлов и деталей реального устройства.

В связи с этим для адекватного описания процесса формирования металлоизделий с использованием УГЛДМ возникла необходимость построения комплексной модели устраняющей указанные недостатки.

Вторая глава диссертационной работы посвящена физическому моделированию тепловых процессов, протекающих в кристаллизаторе УГЛДМ при получении полосы (шинопровода) поперечного сечения 4012 мм из технического алюминия АД0 ГОСТ 4784-97, в результате которого получены данные о распределении температур вблизи поверхностей контакта формирующегося металлоизделия с рабочими поверхностями формообразующего инструмента и на плоскости продольной симметрии металлоизделия.

Наличие продольной и поперечной плоскостей симметрии кристаллизатора УГЛДМ позволяет определить распределение температур на рабочих поверхностях боковых стенок, верхней и нижней стенок одной четвертой части составного кристаллизатора. На рис. 4 представлен вид одной четвертой части составного кристаллизатора, где схематично показаны точки, в которых установлены датчики измерения температуры (верхняя стенка кристаллизатора не показана). В качестве датчиков измерения температуры использованы термоэлектрические преобразователи (термопары) градуировки ХА(К) по ГОСТ Р8.585-2001 с диаметром проволоки 0,5 мм. Показания термопар фиксировали с помощью многоканального измерителя температуры марки «Термодат-29М1» (ТУ 4218-004-12023213-2004, государственный реестр средств измерения России № 17602-04). Исследования проводили на экспериментальном стенде УГЛДМ при следующих начальных условиях и параметрах: температура заливки расплава - 750°С; степень обжатия металлоизделия в калибрующей части кристаллизатора - 0,25; скорость вращение приводных эксцентриковых валов – Xа I II h 9 XIII hlX1 lblldldl3 lб bРис. 4. Вид одной четвертой части составного кристаллизатора со схемой расположения точек установки термопар и областей кристаллизатора (а) и конструкцией системы охлаждения (б) 2 с-1; геометрические параметры кристаллизатора - h1=40 мм; h2=25 мм; l4=мм; l5=170 мм; l6=50 мм; l7=239 мм; b2=6 мм; b1=22,5 мм; геометрические параметры системы охлаждения кристаллизатора - d1=16 мм; d2=12 мм; l1=60 мм;

l2=30 мм; l3=12 мм; номинальное давление в системе охлаждения - регулируемое (0,05-0,2 кгс/см2); температура воды на входе в систему охлаждения - 5°С;

объемный расход воды в системе охлаждения - регулируемый (30-50 см3/с); начальная температура центральной области кристаллизатора (значение температуры в точке 1 на рис. 3, а) - регулируемая (630-710°С).

Определение температурных полей вблизи поверхностей контакта металлоизделия с рабочими поверхностями формообразующего инструмента осуществляли при установившемся тепловом режиме кристаллизатора. Распределения температур в сечениях по высоте боковой стенки h1 вблизи ее рабочей поверхности по длине линии, описывающей профиль боковой стенки кристаллизатора (l*=l4 + l5 + l6) формируют область, ограниченную кривыми распределения температур при различных технологических режимах. После аппроксимации данных распределения температур экспоненциальными зависимостями получены уравнения кривых, ограничивающих область значений температур.

Эту область записывали в виде неравенства:

, 491,11е-0,005 x + 178.696 T 647.329e-0.003 x + 36.586 x l (15) Аналогичным образом определяли распределения температур в точках вблизи рабочей поверхности нижней стенки на ее продольной плоскости симметрии по длине кристаллизатора (l7). После аппроксимации данных распределения температур экспоненциальными зависимостями получены уравнения кривых, ограничивающих область значений температур.

522,781 e-0,007 x + 202,237 T 633,129 e-0,004 x + 96,557, (16) 0 x lДополнительно получены уравнения регрессии, адекватно описывающие распределения температур во всех рассматриваемых точках и сечениях в зависимости от регулируемых (управляемых) параметров, что позволило записать начальные и граничные условия первого рода для решения тепловой и деформационной задач при построении математической модели процесса для случаев плоской и пространственной симметрии кристаллизатора УГЛДМ.

В третьей главе представлен алгоритм и результаты построения 3D модели в CAD-системе T-Flex УГЛДМ. Проведен динамический анализ работы установки и анализ контактного взаимодействия подвижных частей кристаллизатора УГЛДМ с формирующимся металлоизделием.

Из анализа 3D-модель УГЛДМ в среде CAD-системы T-Flex получены данные перемещений, скоростей и ускорений рабочих поверхностей стенок кристаллизатора в виде базы данных, включающей электронные таблицы для каждой из рабочих поверхностей кристаллизатора в формате TXT с матрицами размером mn. Параметр m численно равен количеству положений эксцентриковых приводных валов в рассматриваемом пределе за их один оборот, а параметр n – количеству точек границ интервалов на которые разбивается образующая рабочей поверхности стенок кристаллизатора. Дополнительно получе ны данные о величине участков (зон) образующих рабочих поверхностей стенок кристаллизатора, контактирующих с формирующимся металлоизделием в зависимости от угла поворота эксцентриковых приводных валов при деформации клиновидной заготовки, характеризующей условную область затвердевшего в кристаллизаторе УГЛДМ металла. Данные автоматически сгруппированы в виде базы данных, с электронными таблицами в формате TXT для каждой из рабочих стенок кристаллизатора, со столбцами, каждый из которых соответствует одной из условных границ клина и строками, каждая из которых соответствует одному из положений эксцентриковых приводных валов в рассматриваемом пределе за их один оборот. Полученные из анализа 3D-модель УГЛДМ результаты в дальнейшем используют для решения деформационной и контактной задач.

В четвертой главе работы предложен и реализован алгоритм построения комплексной модели процесса получения металлоизделий на УГЛДМ, представлены данные численного решения и исследования его сходимости и устойчивости, а также сравнение результатов моделирования процесса по исходной и комплексной моделям. Проведена оценка адекватности разработанной комплексной модели.

При построении комплексной модели процесса в качестве исходной модели, была взята модель, описанная в главе 3. При этом значение температуры 0 в начальные условиях (9), а также значения температур i на внешних поверхностях Si в граничных условиях (12) задавали по экспериментальным данным (2, 3), которые были получены из физического моделирования установившегося теплового режима кристаллизатора УГЛДМ. Значения скоростей точек инструмента (vn)i в граничных условиях (11) определяли из кинематического анализа 3D-модели УГЛДМ.

На рис. 5 представлена блок схема алгоритма построения комплексной модели. В блок-схеме присутствует 2 цикла с постусловием. Первый отвечает за цикличность вычислений задачи на конкретном шаге до требуемой точности.

Второй – за количество шагов у задачи в целом. Система уравнений, составленная для решения деформационной задачи, находится в первом цикле и постоянно проверяется на ошибку. Если ошибка составляет меньше необходимой точности, происходит переход на следующий шаг. В программе комплексной модели установки горизонтального литья и деформации металла для кинематической задачи координаты всех точек берутся из файла, полученного с помощью 3D-Модели в CAD-системе T-Flex. Так же для температурной задачи данные берутся из файла, содержащего необходимое поле температур, полученных экспериментально.

В таблице 2 представлены результаты решения задачи с использованием исходной и комплексной моделей по характерным сечения кристаллизатора УГЛДМ.

начало Вводятся начальные условия; импортируются данные геометрии области деформации; шаг по времени ; шаг по углу поворота эксцентрикового вала .

область деформации разбивается Рассчитывается матрица на элементы ортогональной формы длин дуг элементов граничные условия и пер Импорт поля темпе вое приближение 0.

IJ ратур на шаге , полученных экспериопределяются зоны жидкого или твердоментально го металла для каждого элемента.

Решается система линейных уравнений НасчитываютсяIJ.

нет n n-да (*) - (*) 0.00ij ij импортируются данные геометрии области деформации на новом шаге по углу поворота эксцентрикового вала .

Осуществляется переход к новой области в соответствие с поворотом экс-центрикового вала на угол . При этом в каждом элементе новой области будет иметь место деформация , насчитанная на предыдущем временном шаге, и температура IJ.

m да * нет < i конец Рис. 5. Блок схема алгоритма построения комплексной модели Таблица Результаты решения задачи с использованием исходной и комплексной моделей по характерным сечения кристаллизатора УГЛДМ.

№ сечения 2-3 4-5 7-8 9-10 12-13 14-15 17-750 * 689.5 631.7 523.3 433.1 428.1 396.Tmax,°С 742.7 670.7 612 507 420.2 399 3748.8 635.7 578.6 492.9 407.1 366.1 3Tmin,°С 700 595.5 543.2 464.8 386.4 345.2 334.0 1.01 -6.25 -24.64 -39 -45.62 -27.11,МПа max 0 3.71 -6.57 -26.51 -42 -49.01 -29.0 0.2 -17.5 -51.21 -69.79 -64.24 -55.,МПа 22max 0 0.26 -19.73 -55.03 -74.9 -68.97 -59.0 0.19 0.06 0.15 0.24 0.24 0. 0 0.24 0.05 0.15 0.24 0.24 0.* Примечание: Числитель – значения без уточнения граничных условий, знаменатель – с уточнением.

Из таблицы 2 видно, что в сечении 14-15 (рис. 3) находятся максимальные значения напряжений и деформаций, что было учтено при анализе получаемого металлоизделия.

Результаты исследования сходимости решения задачи представлены в таблицах 3 и 4. Для определения сходимости были выполнен расчет, в ходе которого на каждой итерации, для первого элемента сетки, брались в сравнение T коэффициенты * =. Так же для определения сходимости дробилась сетка.

H Таблица Результаты расчетов на сходимость решения задачи.

Номер итерации 12 13 14 15 16 340.58 340.49 340.49 340.49 340.49 340.*, Па с n n-0.09 0 (*) -(*), Па с 0 Таблица Результаты расчетов на устойчивость решения задачи.

Количество Значение температур по сечениям, oC элементов в сечении 589.6 Значение температуры в сечении 4-5 из эксперимента 3 567.6 595.9 569.12 627.3 608.9 590.7 572.24 648.2 635.1 622 608.9 590.3 589.5 582.8 569. 537.3 Значение температуры в сечении 7-8 из эксперимента 3 534.6 543.64 517.12 554.1 535.8 517.5 499.24 556.7 548.7 543.6 536.1 521. 517.5 504.4 491. 460.5 Значение температуры в сечении 9-10 из эксперимента 3 500.6 491.38 465.12 480.9 462.6 444.3 426.24 480 478.3 468.2 461.1 439.1 426.1 412.9 399.Из таблицы 3 видно, что решение сходится на 13 итерации, и разность составляет 0.09, в связи с чем, дальнейшее увеличение количества итераций не целесообразно. Так же при исследовании на сходимость были взяты 4 разные сетки, а так же выбраны 3 произвольные значения температур (в данном случае на наклонном участке по сечениям 4-5, 7-8, 9-10 рис. 3). Берем во внимание то, что сетку дробили на интервале этих трех сечений. Первая сетка очень грубая, состояла из 3х элементов. Разница между экспериментальным значением и расчетным по сечению 4-5 составляет 22.2 0С. Следующая сетка выбрана в 2 раза мельче предыдущей, и составляет 6 элементов на данном отрезке. Минимальная разница между экспериментальным значением и расчетным, по сечению 45, составляет 6.3 0С. Далее сетка опять дробилась, и составляет уже 12 элементов на тот же участок. Искомая разница уже 1.1 0С, что находится уже в пределах погрешности вычислений. Но была взята ещё одна избыточная сетка, где количество элементов составляет 24 элемента на данный отрезок. Искомая разница составляет (по тому же сечению) 0.7 0С. Видим, что при дроблении сетки расчетные значения сходятся к экспериментальным. Следовательно, метом сходится.

Для анализа данных моделирования процесса получения металлоизделий были разработаны основные критерии, которым должен отвечать рассматриваемый процесс, и которые описывают предельное состояние материала металлоизделия в калибрующей области кристаллизатора УГЛДМ.

Т =Т max Т =Т III III < <, i=1,2,3, (17) T ii В max где - максимальные нормальные напряжения в направлении осей x1, ii x2 и x3, возникающие в металлоизделии при его обжатии в калибрующей обласТ =Т III ти кристаллизатора, МПа;

- предел прочности материала металлоизде В лия на сжатие (растяжение) при соответствующей температуре калибрующей Т =Т III области кристаллизатора, МПа; - предел текучести материала металлоиз T делия на сжатие (растяжение) при соответствующей температуре калибрующей области кристаллизатора, МПа Условие для степеней деформаций:

max Т =Т Т = Т III < < III, (18) кр кр III max где - максимальная степень деформации, возникающая в металлоиз III Т =Т III делии при его обжатии в калибрующей области кристаллизатора, %; - кркритическая степень деформации материала металлоизделия на сжатие (растяжение, сдвиг) при заданной температуре калибрующей области кристаллизатора и соответствующая первому максимуму на кривой рекристаллизации матеТ =Т III риала, %; - критическая степень деформации материала металлоизделия крна сжатие (растяжение, сдвиг) при заданной температуре калибрующей области кристаллизатора и соответствующая второму максимуму на кривой рекристаллизации материала, %.

Для проверки адекватности разработанной комплексной модели данные моделирования процесса получения металлоизделий из сплава АД0 были опробованы на экспериментальном стенде УГЛДМ. Установлено, что при указанных технологических и конструктивных параметрах процесса условия (17, 18), а также условия требуемого распределения температур по областям кристаллизатора удовлетворяются (обеспечивается устойчивость процесса). Физикомеханические свойства, полученной полосы (рис. 5), сравнивали с физикомеханическими свойствами полосы, полученной по традиционной технологии холодной прокатки. Отмечено увеличение, более чем в 2 раза, пределов прочности (с 42 до 94,5 МПа) и текучести (с 28,6 до 94,2 МПа) образцов металлоизделий, полученных на УГЛДМ, при снижении, более чем в 3 раза, относительного удлинения (с 19 до 5,4%) по сравнению с холоднокатаными образцами.

Рис. 6. Внешний вид полосы Полученные данные свидетельствуют о значительном упрочнении материала металлоизделия, полученного совмещенным методом литья и прокатки по сравнению с традиционной технологией холодной прокатки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Осуществлена постановка, разработана численная схема и решена пространственная краевая задача для определения напряженно-деформированного состояния в системе «формирующееся металлоизделие – инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия совмещенным методом литья и деформации металла.

2. Осуществлена постановка, разработана численная схема и решена пространственная краевая задача для определения температур в системе «формирующееся металлоизделие – инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия.

3. С помощью физического моделирования тепловых процессов, протекающих при изготовлении металлоизделий на УГЛДМ, установлена продолжительность выхода теплового режима кристаллизатора на установившийся режим. Определены значения температур в сечениях по высоте боковой стенки и вблизи продольной плоскости симметрии по всей длине кристаллизатора, что позволило оценить распределения температур вблизи поверхностей контакта формирующегося металлоизделия и формообразующего инструмента.

4. В среде CAD-системы T-Flex разработана 3D-модель УГЛДМ, позволяющая определить кинематические характеристики формообразующего инструмента и установить области контакта инструмента с формирующимся металлоизделием в зависимости от угла поворота приводных валов УГЛДМ.

5. Установлена взаимосвязь между напряженно-деформированным состоянием формирующегося в кристаллизаторе УГЛДМ металлоизделия и технологическими режимами его получения.

6. Разработан пакет программ расчета значений температур, напряжений и деформаций, а также определены критерии их оценки с целью реализации устойчивого процесса получения металлоизделий.

7. Результаты экспериментального опробования технологии получения полосы (шинопровода) поперечного сечения 4012 мм из технического алюминия АД0, свидетельствуют об адекватности разработанной комплексной модели. Это подтверждается устойчивостью процесса получения металлоизделия и высокими показателями его физико-механических свойств.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ 1. Одиноков В.И., Соснин А.А. Математическое моделирование процесса деформации металла на литейно-ковочном модуле горизонтального типа // Проблемы машиностроения и надежности машин, М.: Наука, 2012. №3, стр. 48-53 – ISSN 0235-712. Черномас В.В., Ловизин Н.С., Соснин А.А. Исследование теплового режима кристаллизатора установки горизонтального литья и деформации металла при изготовлении металлоизделий из алюминиевых сплавов // Кузнечно-штамповочное производство - обработка материалов давлением, М., 2011, №10, стр. 39-45 – ISSN 0234-823. Черномас В.В., Ловизин Н.С., Соснин А.А. Исследование распределения температур на поверхности контакта металлоизделия с верхней и нижней стенками кристаллизатора установки горизонтального литья и деформации металла вблизи его продольной плоскости симметрии // Кузнечноштамповочное производство - обработка материалов давлением, М., 2011, №12, стр. 21-25 – ISSN 0234-82 4. Черномас В.В., Ловизин Н.С., Соснин А.А. Критерии устойчивости технологического процесса получения металлоизделий на установке горизонтального литья и деформации металла // Проблемы машиностроения и надежности машин, М.: Наука, 2012. №2, стр. 71-77 – ISSN 0235-715. Технологические особенности процесса получения непрерывных металлоизделий с использованием установки литья и деформации металла. / В.В. Черномас, Н.С. Ловизин, С.Ю. Скляр, А.А. Соснин // Материалы и технологии XXI века: сборник статей VIII Международной научно-технической конференции. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. стр. 59-62. – ISBN 978-5-8356-0977-6. Ловизин Н. С., Черномас В. В., Соснин А. А. Математическая модель процесса получения металлоизделий на установке горизонтального литья и деформации металла. // Материалы и технологии XXI века: сборник статей VIII Международной научно-технической конференции. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. стр. 65-67. – ISBN 978-5-8356-0977-7. Ловизин Н. С., Черномас В. В., Соснин А. А. Математическая модель формирования металлоизделий с помощью совмещения процессов литья и деформации. // XXXV Дальневосточная математическая школа-семинар имени академика Е.В.Золотова. (31 авг.-5 сент. 2010 г.) – Владивосток сб. докл. [Электронный ресурс]. – Владивосток: ИАПУ ДВО РАН, 2010, стр. 562-565. (очное участие) – ISBN 978-5-7442-1500-8. Черномас В. В., Ловизин Н. С., Соснин А. А. Технологические особенности получения заготовок на установке горизонтального литья и деформации металла. // Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы Всеросскйской конференции «Школа по фундаментальным основам моделирования обработки материалов» и научно-технической конференции «Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем» (Комсомольск-на-Амуре 26-28 октября 2010 года): В 5 т. Т. 4 / Редкол.: А. М. Шпилёв (отв. Ред.) и др. – Комсомльск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. стр. 130133 – ISBN 978-5-7765-0864-9. Черномас В. В., Ловизин Н. С., Соснин А. А. Влияние движение составных частей кристаллизатора установки горизонтального литья и деформации металла на процесс формирования заготовки. / Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы Всеросскйской конференции «Школа по фундаментальным основам моделирования обработки материалов» и научно-технической конференции «Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем» (Комсомольск-на-Амуре 26-28 октября 2010 года): В 5 т.

Т. 4 / Редкол.: А. М. Шпилёв (отв. Ред.) и др. – Комсомльск-на-Амуре:

ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. стр. 134-137 – ISBN 978-5-7765-0864-10. Технология получения непрерывнолитых деформированных металлоизделий из цветных и черных сплавов. / В.И. Одиноков, В.В. Черномас, Н.С. Ловизин, А.А. Соснин // Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завер шенных фундаментальных исследований и НИКОР». В 2 т. Т.2. - Екатеринбург:

УрО РАН, 2011. – стр. 504-509 – ISBN 5-7767-0017-5.

11. Соснин А. А. 3D – модель малогабаритного универсального комплекса по производству алюминиевых шинопроводов. // Актуальные вопросы развития образовательной области «Технология»: материалы VI Международной заочной электронной научно-практической конференции (15-31 ноября 2010 года. – Комсомольск – на – Амуре): Изд-во АмГПГУ,2011. – стр. 234-238+вкладыш с рисунками на 1 стр. – ISBN 978-5-85094-424-12. Одиноков В.И., Соснин А.А., Коновалов А.В., Смирнов А.С. Формулировка задачи для математического моделирования совмещенного процесса получения металлоизделий / Материалы VII Российской научно-технической конференции "Механика микронеоднородных материалов и разрушение" (Электронный ресурс). Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2012. Электронный оптический диск, вкладка «Публикации» 13. Черномас В.В., Соснин А.А., Смирнов С.В., Коновалов А.В. Критерии устойчивости совмещенного технологического процесса получения металлоизделий / Материалы VII Российской научно-технической конференции "Механика микронеоднородных материалов и разрушение" (Электронный ресурс). Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2012. Электронный оптический диск, вкладка «Публикации» 14. Математическое моделирование процессов деформации металла на литейно-ковочном модуле горизонтального типа: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615520 / В.И. Одиноков, А.А. Соснин.

№2011613778; заявл. 24.05.2011; опубл. 14.07.2011. Реестр программ для ЭВМ.

15. Комплексное моделирование тепловых и деформационных процессов, протекающих в кристаллизаторе установки литья и деформации металла при получении металлоизделий: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012613947 / В.И. Одиноков, А.А. Соснин, С.Р. Саликов,;

№ 2012610027; заявл. 10.01.2012; опубл. 27.04.2012. Реестр программ для ЭВМ.

Соснин Александр Александрович ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ И ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА Автореферат Подписано к печати 11.09.2012 Усл. печ. л. 1.16 Уч.-изд. л. 0.Формат 60x84/16 Тираж 100 экз. Заказ №1Издано в ИМиМ ДВО РАН. Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, Отпечатано участком оперативной печати ИМиМ ДВО РАН.

Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов




© 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.