Формовка тонкостенных осесимметричных оболочек равномерным давлением деформирующей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.09, кандидат технических наук Легейда, Виталий Юрьевич

• Легейда, Виталий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Легейда, Виталий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБОЛОЧЕК.

1.1. Технологические особенности формообразования тонкостенных пространственных оболочек давлением жидкой, газовой или эластичной средой.

1.2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса формообразования тонкостенных заготовок.

1.3. Описание реологического поведения материала.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБОЛОЧЕК.

2.1. Математическая модель процесса пластического формоизменения пространственной осесимметричной оболочки.

2.1.1. Основные допущения.

2.1.2. Базовая система уравнений.

2.1.3. Вариационный метод решения краевой задачи ОМД.

2.2. Применение МКЭ для получения разрешающих уравнений при вариационной постановке задачи.

2.3. Вычисление главных деформаций и напряжений в задачах пластического формоизменения пространственных осесиммет-ричных оболочек.

2.4. Общий алгоритм решения задачи пластического формоизменения.

2.5. Оптимизация параметров конечноэлементной модели.

2.6. Раздача цилиндрической тонкостенной заготовки под действием равномерно распределенного давления.

2.6.1. Аналитическое решение задачи.

2.6.2. Численное решение задачи.

2.7. Выводы по разделу.

3. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОБОЛОЧЕК ЗАМКНУТОГО КОНТУРА

ИЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК.

3.1. Постановка задач формообразования пространственных оболочек равномерно-распределенным давлением с закрепленными и со свободными торцами.

3.2. Раздача цилиндрических оболочек с закрепленными и со свободными торцами.

3.2.1. Свободная раздача цилиндрических оболочек с закрепленными торцами.

3.2.2. Свободная раздача цилиндрических оболочек с незакрепленными торцами.

3.3. Раздача цилиндрических оболочек в жесткую матрицу.

3.4. Выводы по разделу.

4. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОБОЛОЧЕК ЗАМКНУТОГО КОНТУРА

ИЗ КОНИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК.

4.1. Формообразование оболочки из конической заготовки со своббдными торцами.

4.2. Свободная раздача конических оболочек с закрепленными торцами.

4.3. Выводы по разделу.

5. МНОГОПЕРЕХОДНАЯ ШТАМПОВКА ОБОЛОЧЕК СЛОЖНОЙ

ФОРМЫ В ЖЕСТКОЙ МАТРИЦЕ.

5.1. Методика проектирования многопереходных процессов получения пространственных заготовок.

5.2. Формообразование местного уширенного рельефа.

5.3. Многопереходная формовка шарообразной головки.

5.4. Пневмоформовка изделия «Корпус».

5.5. Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формовка тонкостенных осесимметричных оболочек равномерным давлением деформирующей среды»

Актуальность работы. Тонкостенные осесимметричные конструкции получают широкое применение в самых разнообразных изделиях машиностроения, в том числе в изделиях широкого народного потребления. Этому способствуют высокие эксплуатационно-прочностные качества тонкостенных деталей и узлов при минимальной массе последних. Поэтому большое значение приобретают совершенствование существующих и разработка новых процессов штамповки деталей из тонкостенных трубчатых заготовок.

Производственная практика показывает высокие технологические возможности штамповки тонкостенных трубчатых полуфабрикатов давлением жидкости, газа и эластичной среды. В настоящее время штамповка таких заготовок давлением газовой среды наиболее эффективна в состоянии сверхпластичности материала. Однако присущие этому способу деформирования специфические условия, в том числе строго регламентированные температурный и скоростной режимы деформирования, накладывают большие ограничения как по стоимости технологической оснастки, так и по сложности реализации этих процессов в производство.

В связи с этим необходимо рассмотреть возможности получения тонкостенных пространственных оболочек равномерным давлением деформирующей среды без температурных и скоростных воздействий на процесс формбизменения материала.

Проектирование новых технологических процессов на современном этапе немыслимо без применения средств теоретического анализа, позволяющих в виде компьютерного моделирования получить точную картину распределения полей напряжений и деформаций по объему заготовки, определить ее размеры в любой момент формоизменения, а также ресурс деформационной способности. Такой подход позволяет провести оптимизацию I 5 технологических процессов и значительно сокращает сроки внедрения их в производство.

Решению этих вопросов посвящена настоящая диссертация, в которой обоснованы технологические режимы получения пространственных осесим-метричных оболочек равномерным давлением деформирующей среды из тонкостенных трубчатых заготовок с учетом реального реологического пове дения материала, а также условий контактного взаимодействия заготовки и инструмента.

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту № 2.1.2/2843 и РФФИ № 08-08-99036-рофи «Математическое моделирование многопереходных технологических процессов обработки металлов давлением».

Цель работы. Повышение эффективности изготовления тонкостенных осесимметричных оболочек из трубчатых заготовок путем теоретического обоснования выбора параметров нагружения и количества переходов для получения изделий заданной геометрии на базе разработанных математических моделей.

Для достижения указанной цели в работе требовалось решить следующие задачи:

- разработать вариант конечно-элементного анализа формоизменения тонкостенных осесимметричных оболочек под действием равномерного давления деформирующей среды с учетом контактного трения на границе материала и инструмента;

- установить качественные и количественные закономерности процессов свободной раздачи и раздачи в матрицу цилиндрических и конических заготовок при различных условиях закрепления;

- разработать методику выбора количества переходов при изготовлении изделий сложной геометрии.

Автор защищает: вариант конечно-элементного метода анализа напряженно-деформированного состояния материала в процессах пластического формообразования тонкостенных осесимметричных оболочек со сложным профилем меридионального сечения под воздействием равномерно распределенных, нормально приложенных нагрузок; результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния заготовки силовых режимов и предельных I возможностей деформирования при раздаче трубчатых заготовок в матрицы различной геометрии;

- методику выбора количества переходов при изготовлении изделий сложной геометрической формы с точки зрения как достижения предельных возможной формоизменения, так и потери геометрической формы.

Научная новизна состоит в следующем:

- в разработке варианта конечно-элементного анализа деформирования тонкостенных трубчатых заготовок под воздействием равномерно распределенных, нормально приложенных нагрузок, учитывающих контактное трение I между заготовкой и матрицей;

- в создании ряда новых математических моделей, формовки цилиндрических и конических заготовок в матрицы различной формы, отражающих напряженно-деформированное состояние материала в течение процесса формоизменения в любой точке деформируемого изделия;

- в сформулированых критериях многопереходных процессов формообразования тонкостенных осесимметричных оболочек под действием давления равномерно распределенной нагрузки, основанных на предельных возможностях формоизменения материала, а, с другой стороны, в виду возможной потери устойчивости их геометрии в процессе формоизменения.

Методы исследования. Теоретические исследования процессов выполнены с применением основных положений механики деформируемого твердого тела, теории пластического течения, базирующихся на использовании прямого вариационного метода решения краевой задачи обработки металлов давлением, метода конечных элементов и численных методов математики.

Достоверность результатов. Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Практическая ценность и реализация работы.

На основе выполненных теоретических исследований создано программное обеспечение по расчету технологических параметров целой гаммы процессов формовки трубчатых заготовок в матрицы различной геометрии.

Разработана методика по выбору количества переходов длт получения тонкостенных осесимметричных оболочек различной геометрии, основанная на критериях предельного пластического формоизменения материала и потери устойчивости изделия в процессе нагружения.

Результаты исследований были использованы для разработки нового технологического процесса получения изделий «Корпус», который был внедрен йа опытном производстве ОАО «Тульский оружейный заод».

Отдельные материалы исследования использованы в учебном процессе для студентов специальности 150.201 Машины и технологии обработки металлов давлением.

Апробация. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых -новой России» и на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета в 2008-2010 гг.

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, общих выводов по работе, списка литера

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Легейда, Виталий Юрьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в обосновании технологических режимов получения тонкостенных осесимметричных оболочек равномерным давлением деформирующей среды из тонкостенных трубчатых заготовок с учетом реального реологического поведения материала, а также условий контактного взаимодействия заготовки и инструмента.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1.Разработан вариант конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния материала в процессах пластического формообразования тонкостенных осесимметричных оболочек со сложным профилем меридионального сечения под воздействием равномерно распределенных, нормально приложенных нагрузок, в основу которого предложена система линеаризации нелинейных систем уравнений, что значительно сокращает время и трудоемкость вычисления. I

2.Установлены параметры конечно-элементной модели, включающие рациональный тип разбивки, достаточную степень дискретизации расчетной области конечными элементами и заданную степень соответствия полученного кинематически возможного поля скоростей классу несжимаемого течения, позволяющих получить численное решение с заданной точностью.

3.Установлено, что величина и характер распределения главных деформаций (окружной, меридиональной и радиальной) и относительной толщины стенки вдоль образующей оболочки, а также конечная форма I штампуемого полуфабриката зависят от геометрических параметров исходной заготовки, механических свойств материала, приложенного давления и условий закрепления исходной заготовки.

4.Установлено, что при деформировании заготовок с закрепленными торцами потребное давление для получения изделий заданной геометрии в 23 раза выше, чем при получении аналогичного изделия деформированием заготовки со свободными торцами.

5. Совместное решение основной системы уравнений и совокупности уравнений, задающих форму матрицы, с учетом типа контактного взаимодействия (скольжение, прилипание, трение) позволило создать ряд математических моделей формообразования трубчатых заготовок в жесткую матрицу произвольной формы.

6. Разработана методика формовки полуфабрикатов сложной формы, когда процесс деформирования осуществляется за несколько

I „ технологических переходов, на каждой из которых величины главных деформаций не превышают критических значений по предельному формоизменению материала. На каждом последующем переходе восстановление механических свойств материала моделировалось проведением операций типа отжига.

7. Выполнен анализ процессов многопереходной формовки изделий с различной формой донной части из заготовки типа «стакан». Эти результаты были использованы для разработки технологического процесса изделия «Корпус», который был внедрен в опытном производстве ОАО «Тульский I оружейный завод».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Легейда, Виталий Юрьевич, 2011 год

1. Аверкиев АЛО. Методы оценки штампуемости листового металла. М.: Машиностроение, 1985. - 176 с.

2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки:I

3. Учебн. для вузов. М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

4. Аркулис Г.Э., Дорогобиц В.Г. Теория пластичности. М.: Металлургия, 1987.-352 с.

5. Баничук Н.В., Иванова С.Ю., Макеев Е.В. Некоторые задачи оптимизации формы и распределения толщин оболочек на основе генетического алгоритма // Механика твердого тела. 2007. № 6. С. 137-146.

6. Бенерджи 11., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984.

7. Бреббиа К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982.

8. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. М.: Мир, 1987.-542 с.

9. Воронцов А.Л. Сопоставление применения метода конечных элементов и аналитических методов решения задач обработки давлением // Вестник машиностроения. 2003. № 1. - С. 67-71.

10. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. -428 с.

11. Головлев В. Д. Расчет процессов листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1974. - 136 с.

12. Гречников Ф.В., Дмитриев A.M., Кухарь В.Д. и др. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1985.- 184 с.

13. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. М.: Машиностроение, 1979. - 567 с.

14. Дильман В. JI. Пластическая неустойчивость тонкостенных цилиндрических оболочек // Механика твердого тела. 2005. № 4. С. 141-151.

15. Земцов М.И., Поляков С.М. Использование предварительного деформирования при штамповке деталей из плоских и пространственных тонкостенных заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. 2007. № 2. С. 19-24.

16. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М. Мир, 1975. -541 с.I

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

18. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983, 352 с.

19. Илюшин A.A. Пластичность. М.: Изд-во АН СССР. - 1963. - 207 с.

20. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машиностроение, 1967. - 367 с.

21. Качанов J1.M. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. - 312 с.

22. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.- 420 с.I

23. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. -Екатеринбург: Уральский государственный технический университет (УПИ), 2001.- 836 с.

24. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. 688 с.

25. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. М.: Металлургия, 1970.

26. Колотов Ю.В. Гидромеханическая формовка изделий из тонкостенных трубчатых заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. 2005. № 9. С.I16.19.

27. Контактное трение в процессах ОМД / Леванов А.Н., Колмогоров А.Л., Буркин С.П. и др. М: Металлургия, 1976. 416 с.

28. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела: пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 328 с.

29. Кухарь В.Д., Селедкин Е.М., Астахов В.Ю. Математическое моделирование процессов пластического формоизменения пространственных оболочек // Известия ТулГУ. Серия Актуальные вопросы механики. Вып. 1. Тула: ТулГУ, 2007. - С 235-237.

30. Листовая штамповка: Расчет технологических параметров: Справочник / В.И. Ершов, О.В. Попов, A.C. Чумадин и др. М.: Изд-во МАИ, 1999. -516 с.

31. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. Изд. 2. - М.: Машиностроение, 1975.- 400 с.

32. Малинин H.H. Технологические задачи пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1979. 119 с.

33. Малов А.Н. Технология холодной штамповки. М: Машиностроение, 1969. - 568 с.

34. Математическое моделирование процесса пневмомеханической штамповки сферической заготовки / Панченко Е.В., Селедкин С.Е. // Изв.

35. ТулГУ. Сер. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Вып. 3. - Тула, ТулГУ. - 2004. - С. 63-69.

36. Метод граничных интегральных уравнений. Вычислительные аспекты и приложения в механике. Под ред. Т. Круза и Ф. Риццо. М.: Мир, 1978.I

37. Микляев П.Г., Фридман Я.Б. Анизотропия механических свойств металлов. М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

38. Михеев В.А. Разработка процессов формообразования обтяжкой обводообразующих оболочек летательных аппаратов с минимальной разнотолщинностыо: автореф. дис. д-ра техн. наук : 05.03.05 / В.А. Михеев; Сам. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2004. - 32 с.

39. Непершин Р.И. Вытяжка тонкостенной конической оболочки из плоской заготовки // Механика твердого тела. 2010. № 1. С. 139-153.

40. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов М.: Мир, 1981.- 304 с.

41. Полухин П.И., Гунн Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

42. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1977. - 278 с.

43. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 480 с.

44. Прагер А., Ходж Ф.Г. Теория идеально пластических тел. М.: Изд-воIиностр. лит-ры. 1956. - 398 с.

45. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. - 744 с.

46. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение. - 1979. - 540 с.

47. Северденко В.П. Теория обработки металлов давлением. Минск: Высшая школа, 1966. - 223 с.

48. Сегал В.М. Технологические задачи теории пластичности. Минск: Наука и техника, 1977. 256 с.

49. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. - 392 с.

50. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н.Зуева; Под ред. В.Ш.Барбакадзе. М.: Стройиздат, 1993. - 664 с.

51. Селедкин С.Е., Фурсов И.В. Расчет напряженно-деформированного состояния в процессе пневмоформовки заготовки из анизотропного материала // XXVIII Гагаринские чтения. Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции. Том 1. М., 2002. - С. 7В.

52. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Инженерные методы расчета. Л.: Машиностроение, 1968. - 272 с.

53. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. Л.: Машиностроение, 1978. - 368 с.

54. Смирнов-Аляев Г.А., Чикидовский В.П. ЭкспериментальныеIисследования в обработке металлов давлением. Л.: Машиностроение, 1972.

55. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высшая школа, 1969. -608 с.

56. Степанский Л.Г. Расчеты процессов обработки металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1979. 215 с.I

57. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1977. 423 с.

58. Танский В.А. Разработка процессов • и определение параметров штамповки осесимметричных элементов особотонкостенного трубопровода:автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.03.05 / Танский В.А.; Воронеж, гос. техн. ун-т. Воронеж, 2009. - 16 с.

59. Теория ковки и штамповки: учеб. пособие для студентов машиностроительных и металлургических специальностей вузов / Е.П.Унксов, У.Джонсон, В.Л.Колмогоров и др. Под общ. ред. Е.П.Унксова,

60. A.Г.Овчинникова. М.: Машиностроение, 1992. - 720 с.

61. Теория пластических деформаций металлов / Е.П.Унксов, У.Джонсон,

62. B.Л.Колмогоров и др. Под ред. Е.П.Унксова, А.Г.Овчинникова. М.:I

63. Машиностроение, 1983. 598 с.

64. Тимошенко С.П. Теория оболочек. ОГИЗ, 1945.

65. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972.- 408 с.

66. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1969. - 504 с.

67. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956. -408 с.

68. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир. 1972, 408 с.'

69. Чумаченко E.H. Расчет технологических параметров пневмоформовки оболочек в матрицу // Кузнечно-штамповочное производство, 1987. № 2.1. C. 5-6.

70. Шевченко К.Н. Основы математических методов в теории обработки металлов давлением. М.: Высшая школа, 1970. - 351 с.I