Моделирование процесса обжатия тонкостенных цилиндрических деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование процесса обжатия тонкостенных цилиндрических деталей

Журавлев Г.М.

Рассмотрен вариант исследования процесса пластического деформирования тонкостенной цилиндрической детали с использованием адаптированного программного комплекса DEFORM-3DTM V6.1. Установлено влияние технологических параметров на процесс пластического деформирования на основании расчета возникающих деформации и напряжений.

Ключевые слова: Компьютерное моделирование, пластическая деформация, обжатия тонкостенных цилиндрических деталей, напряженно-деформированное состояние

В процессе работы многие детали машин, аппаратов, строительных конструкций эксплуатируются в жестких режимах, испытывают интенсивные силовые нагрузки, тепловые воздействия, высокие давления, что приводит к снижению их прочности и долговечности. При изготовлении таких деталей наряду с получением необходимых геометрических размеров и форм требуется формирование заданных эксплуатационных свойств, которые формируются в процессе изготовления. Поэтому, важным вопросом при разработке технологии изготовления является определение технологических режимов обработки. В настоящее время для этого широко применяют адаптированные программные комплексы и, в частности, для процессов пластического формоизменения вычислительный комплекс DEFORM-3DTM V6.1. DEFORM - система, позволяющая конечно-элементное моделирование пластического течения материалов для различных процессов и имеет широкие возможности для обработки результатов и оценки процесса течения металла, наличия дефектов. В работе путем компьютерного моделирования процесса обжатия рассмотрено влияние технологических параметров на пластическое деформирование тонкостенной цилиндрической детали (Прокат горячекатаный круглый диаметром 570 мм обычной точности прокатки (В), II класса кривизны, по ГОСТ 2590-88, марки Ст5пс, категории 1, группы II).

Моделируется процесс обжима цилиндрической заготовки (трубы) высотой l = 500 мм и внешним диаметром d = 570 мм с толщиной стенки s = 35 мм. Обжатие происходит при угле б = 40?. Коэффициент обжим заготовки при отношении толщины стенки к диаметру = 0,07 может быть равен Коб = 1,4 [1], следовательно, обжим можно осуществлять до принимаем диаметр обжима 410 мм. Диаметр абсолютно жесткого пуансона dп = d = 570 мм. Схема процесса пластической деформации в DEFORM-3D представлена на рис 1.

Рис. 1. Схема процесса обжима в DEFORM-3D

Решение строится на основе конечно-элементных методик решения статических задач и разработанного адаптированного программного комплекса DEFORM-3DTM V6.1.

DEFORM-3D - это система моделирования технологических процессов, предназначенная для анализа поведения металла при различных процессах обработки давлением. DEFORM-3D моделирует пространственное течение материала по шагам и предоставляет важную информацию об изменении силовых параметров процесса, напряженно-деформированного состояния во время процесса деформирования и по завершению выдает сведения о процессе. Программа DEFORM-3D основывается на методе конечных элементов (МКЭ), одном из самых известных, надежных и применяемых в настоящее время численных методов [2]. МКЭ имеет преимущества, проявляющиеся при решении реальных задах, например: более гибок в описании геометрии; сетку заготовки можно настроить чаще, где нужно получить более точные результаты; более нагляден и универсален. МКЭ позволяет практически полностью автоматизировать расчет, однако требует выполнения значительно большего числа вычислительных операций по сравнению с классическими методами механики. В современных условиях, с хорошо развитыми технологиями вычислительной техники большой объем вычислений не является серьезной проблемой, и, в связи с этим, МКЭ получил широкое распространение.

Моделирование процесса обжима проводилось в среде конечно-элементного пакета DEFORM 3D со следующими допущениями:

- деформация материала считается холодной (температура металла меньше температуры рекристаллизации), т.е. сопротивление деформации не зависит от скорости деформации;

- принимаются изотермические условия деформации, т.е. разогрев деформируемого материала, пуансона и матрицы от работы деформации не рассматривается;

- трение на всей поверхности контакта пуансона с металлом подчиняется закону трения Кулона, причем коэффициент трения = 0,12 и постоянен на всей контактной поверхности [3].

Полученные основные результаты расчета показаны на (рис. 2, 3).

а

b

Рис. 2 Графики зависимости а - усилия и b - энергии деформирования от хода пуансона пластическая деформация тонкостенный деталь

а b

Рис. 3. Распределение а - деформации и b - эквивалентных напряжений по объему тела в заключительной стадии

Приведенные результаты моделирования процесса в пакете прикладных программ DEFORM-3D по определению силовых параметров и напряженно-деформированного состояния процесса пластического формоизменения при холодном обжатии показывают полноту проводимых исследований. В результате расчета установлено, что при обжиме по приведенной схеме происходит удлинение заготовки, и увеличение толщины обжатой части. Кроме того путем варьирования технологическими параметрами, можно за счет использования системы DEFORM-3D довольно быстро произвести численный эксперимент, обработать данные и при неудовлетворительных результатах, внести корректировки для исходного состояния для получения требуемого результата.

По схеме проведения однофакторного эксперимента, исследовалось влияние одного параметра при постоянных значениях других получения эмпирических статистических выражений для зависимости силы от ряда факторов [4].

На графиках 4, 5 представлены зависимости технологической силы от коэффициента трения, угла конусности матрицы.

График 4. Зависимость технологической силы от коэффициента трения

График 5. Зависимость технологической силы от угла конусности матрицы

Анализ результатов показал, что при скорости деформирования = 0,1 технологическая сила возрастает с увеличением трения на контактной поверхности пуансона и матрицы м = 0,08…0,16, и угла конусности матрицы б = 20…40?. Для исследуемого диапазона изменения параметров минимальное значение технологической силы при м=0,08, б=20?.

Таким образом, при помощи компьютерного моделирования можно прогнозировать характер течения технологических процессов и повышать их эффективность за счет выбора режимов обработки, а также значительно снижать время на подготовку производства за счет проведения численных экспериментов, при оптимизации параметров технологических процессов, как по качеству получаемых деталей, так и по затратам.

Список литературы

1. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение. Ленинград. отдел., 1979. 520с.

2. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 318 с.

3. Комплексные задачи теории пластичности / Тутышкин Н.Д., Гвоздев А.Е, Трегубов В.И., Полтавец Ю.В., Селедкин Е.М., Пустовгар А.С., Журавлев Г.М. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. - 372 с.

4. Гречников Ф.В., Попов И.П., Шляпугин А.Г. Моделирование объектов в металлургии и обработке металлов давлением. ? Самара: Изд-во Самар, гос. аэрокосм, ун-та, 2007. 96 с.

Размещено на Allbest.ru