Исследование деформирования листовых алюминиевых сплавов при формообразовании деталей летательных аппаратов давлением импульсного магнитного поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат наук Ахмед Солиман Мохамед Шериф Эль Сайед

• Ахмед Солиман Мохамед Шериф Эль Сайед
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Ахмед Солиман Мохамед Шериф Эль Сайед

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

§1.1. Факторы, определяющие точность импульсного формообразования

листовых деталей

§1.2. Принцип и характеристики магнитно-импульсной штамповки

§1.3. Давление электромагнитного поля

§1.4. Расчет величины давления ИМП на заготовку

§1.5. Технологические возможности МИОМ

§1.6. Классификация типовых деталей листовой штамповки методом

МИОМ

§1.7. Разработка конструкции индуктора

§1.8. Конструкции технологического приспособления

§1.9. Краткие выводы по разделу

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ ИМУЛЬСНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ТОЧНОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ ЛИСТОВЫХ

ДЕТАЛЕЙ

§2.1. Численная реализация деформирования листовой заготовки импульсно

магнитным полем

§2.1.1. Описание материала

§2.1.2. Механический решатель

§2.1.3. Тепловой решатель

§2.2. Комбинированный трехмерный и двумерный осесимметричный метод для

моделирования процессов ЭОМД в LS-DYNA

§2.2.1. Основные уравнения LS-DYNA

§2.2.2. Создание математической модели

§2.2.3. Методика создания КЭ моделей магнитно-импульсной штамповкой.53 §2.3. Граничные условия и параметры моделирования

§2.4. Создание конечно-элементной модели и решение задачи в программе LS-

DYNA

§2.5. Основные понятия и гипотезы теории тонких оболочек

§2.6. Сущность процесса гибки листового материала

§2.6.1. Напряженно-деформированное состояние заготовки

§2.6.2. Параметры процесса гибки

§2.7. Верификация процессов воздействия ЭМ поля с использованием

программы LS-DYNA

§2.8. Воздействие ЭМ поля при гибке элемента заготовки и верификация данного

процесса

§2.9. Исследование влияния распределения амплитуды давления ИМП на

точность формообразования деталей

§2.9.1. Применение угла компенсации при гибке прямого борта

§2.9.2. Экспериментальная пригодность угла компенсации

§2.9.3. Анализ методом конечных элементов (МКЭ) - геометрия модели и

электрическая цепь

§2.9.4. Результаты анализа численного моделирования

§2.9.5. Определение давления импульсного магнитного поля

§2.10. Исследования гибки высокого выпуклого борта

§2.10.1. Математическая модель и ее реализация

§2.10.2. Использование медного круглого проводника

§2.11. Процесс динамической посадки гофров при ударе выпуклого борта

заготовки, потерявшей устойчивость, об оснастку

§2.11.1. Математическая модель и ее реализация

§2.11.2. Моделирование штамповки выпуклого борта и посадка

образованных гофров

§2.12. Краткие выводы по разделу

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИМПУЛЬСНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

§3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований

§3.2. Условия моделирования при формовке импульсно-магнитным полем из

листовой заготовки в кольцевую матрицу

§3.3. Исследования процесса формовки-вытяжки заготовки круглой формы при

свободной штамповке методом магнитно-импульсного деформирования

§3.3.1. Эксперимент по формуемости при свободной штамповке формовке

вытяжке в матрице

§3.3.2. Математическая модель и ее реализация

§3.3.3. Комбинированный экспериментально-численный метод получения

диаграммы предельных деформаций (FLD)

§3.3.4. Причины, вызывающие дефекты радиусной кромки

§3.3.5. Определение давления импульсного магнитного поля

§3.4. Исследования процесса формовки-вытяжки заготовки круглой формы в

конической матрице методом магнитно-импульсного деформирования

§3.4.1. Математическая модель и ее реализация

§3.4.2. Комбинированный экспериментально-численный метод получения

диаграммы предельных деформаций (FLD)

§3.4.3. Причины, вызывающие данные дефекты

§3.4.4. Определение давления импульсного магнитного поля

§3.5. Исследование процесса изготовления средней части нервюры с рифтовым

элементом методом магнитно-импульсного деформирования

§3.5.1. Численное моделирование, одновременно формовки полок и рифта

средней части нервюры

§3.5.2. Экспериментально-численный метод раздельной операции формовки

рифта и гибки полок

§3.5.2.1. Формовка рифта

§3.5.2.2. Комбинированный экспериментально-численный метод

получения диаграммы предельных деформаций (FLD)

§3.5.2.3. Причины, вызывающие данные дефекты

§3.5.2.4. Определение давления импульсного магнитного поля

§3.6. Исследования процесса гибки полок в детали средней части нервюры импульсного формообразования с учетом ударного контакта борта с

оснасткой

§3.6.1. Определение давления импульсного магнитного поля

§3.7. Краткие выводы по разделу

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ОПЕРАЦИИ ЛИСТОВОЙ

ЗАГОТОВКИ «НОСКА НЕРВЮРЫ» В ПРОИЗВОДСТВО ЛА

§4.1. Краткие выводы по разделу

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Список использованной литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Условные обозначения и сокращения

[] х В] — векторное произведение вектора объемной плотности у наведенного тока

на вектор индукции магнитного поля В; ¡и — магнитная проницаемость; /л0 — магнитная постоянная (1,257мкГн / м); исд, V — модуль сдвига и коэффициент Пуассона;

— собственная индуктивность (нГн); е — основание натурального логарифма; Р — декремент затухания разрядного тока; со — круговая частота тока; / — частота разрядного тока (Гц); Ь — коэффициент аппроксимации;

у — удельная электропроводность материала (Ом 1 • м 1);

ре — удельное электрическое сопротивление материала (Ом • мм2 / м);

В — плотность магнитного потока;

Е — напряженность электрического поля;

у — плотность тока;

Н — напряженность магнитного поля; 8 — относительная диэлектрическая проницаемость; ту — удельное электрическое сопротивление; Л — теплопроводность;

Мв, Ы^; N, N ; ^, ^ — моменты, усилий, поперечные усилия, меридиональные и

тангенциальные возникающие в элементе оболочки; г, £ — текущие координаты заготовки; криволинейные координаты; г, — составляющие силы трения на оси г и 2; а — электрическая проводимость;

адтз- динамический предел текучести материала; ат - статический предел текучести материала; ав - предел прочности; а - компоненты тензоров напряжений; а8 - нормальное октаэдрическое напряжение;

ав,а - меридиональная и тангенциальная составляющие напряжения;

а - величина а = 0 соответствует плоскому деформированному состоянию, а = 1 - осесимметричному;

я. - компоненты девиатора тензора напряжений;

£в,е - меридиональная и тангенциальная составляющие деформацию; 8 - окружная деформация;

8Р - радиальная пластическая деформация; 8 - радиальная деформация; 8В - относительное удлинение материала; 8 - скорость деформации;

8у - компоненты тензора скоростей деформации;

8р1 - эквивалентная пластическая скорость деформации;

р - плотность материала заготовки; а - нагрузка на материал; а - интенсивность тензора напряжений;

^ост - остаточный радиус кривизны;

^ - радиус нейтрального слоя (реальная кривизна);

^пр - радиус фиктивной (упругой) кривизны;

Ям - радиус матрицы;

гг - радиус изгиба;

Мвн - момент внутренних сил;

Е - модуль упругости (Юнга);

J — момент инерции прямоугольного сечения; ( = 90° — угол изгиба;

в,( — углы меридионального и тангенциального наклона в элементе оболочки; а = 3° — компенсирующий угол пружинения; НБ — высота борта до формирования; ЬБ — высота борта после формирования; G, q — эмпирические константы материалов; V, W — компоненты вектора скорости на оси г и z; — скорость удара;

С — скорость упругой волны; P — давление ИМП;

P(p, e) — общее давление, как функция плотности и удельной внутренней энергии e;

50 — толщина заготовки;

5 — символ Кронекера, (5у = 1 если i = j; 8tj = 0 если i ф j);

упр — угол пружинения;

V — оператор набла;

Л? — неприлегание;

Ak — пружинение (недоформовка);

^ — момент времени контакта борта с оснасткой (тела с преградой); с — скорость звуковой волны в материале; jcm — плотность сторонних токов;

A (p) - изображение векторного потенциала (по Лапласу); n — вектор нормали к поверхности твердого тела;

D / Dt — производная Яумана вдоль траектории материальной частицы; FLD (Forming Limit Diagram) - диаграмма предельных деформаций; FLC (Forming Limit Curve) - кривая предельных деформации; МИОМ - магнитно-импульсная обработка металлов;

МИУ - магнитно-импульсная установка; МКЭ - метод конечного элемента; МКР - метод конечных разностей; МГЭ - метод граничных элементов; ИМП - импульсно-магнитное поле; ЭМ - электромагнетизм;

ЭОМД - электромагнитная обработка металлов давлением; КПД - коэффициент полезного действия; Н.У. - нормальные условия; Г.У. - граничные условия;

RLC - сопротивление-индуктивность-ёмкость накопителя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование деформирования листовых алюминиевых сплавов при формообразовании деталей летательных аппаратов давлением импульсного магнитного поля»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В конструкциях машин и летательных аппаратов широко используются детали, изготовленные из листовых заготовок. Одним из наиболее эффективных методов обработки этих заготовок является магнитно-импульсная штамповка. Однако, в настоящее время исследована и используется в производстве лишь малая часть от возможного числа методов обработки металлов давлением импульсных магнитных полей (ИМП). При этом магнитно-импульсная штамповка в основном применяется для обработки заготовок из материалов с высокой электропроводностью.

В связи с этим, актуальной представляется задача разработки, и исследования перспективных методов формовки листовых заготовок давлением импульсных магнитных полей с применением жестких носителей формы, разработка технологических процессов формообразования и калибровки листовых деталей, из материалов с высокой электропроводностью с использованием спутников.

Перед отечественной наукой и техникой поставлена задача создания и внедрения новых высокоэффективных малоотходных технологий, обеспечивающих высокое качество изделий, экономию материальных и энергетических ресурсов, повышение производительности труда и охрану окружающей среды. К таким новым прогрессивным технологиям относится магнитно-импульсная обработка металлов (МИОМ). Большие энергетические возможности, простота и экономичность обусловили значительный интерес к методу как у нас в стране, так и за рубежом.

Магнитно-импульсная обработка формировалась на стыке таких научных направлений, как техническая электродинамика, техника высоких напряжений, электрические машины и аппараты, механика твердых деформируемых тел, обработка металлов давлением и др. Высокие экономические показатели процессов МИОМ достигаются за счет снижения трудоемкости изготовления деталей, их массы, устранения ручных доводочных работ, экономии материала, снижения металлоемкости оснастки, повышения качества и надежности готовой продукции.

Основой внедрения метода в промышленность являются результаты научных исследований волновых электромагнитных, электродинамических и тепловых процессов в переходном режиме, распространения волн напряжений и зон пластичности в материале заготовки в период и после действия магнитного поля с учетом динамических свойств металла.

Для решения научных задач используются теории поля, электрических цепей, смешанный метод, вариационные принципы механики и теории пластического течения, модифицированный метод конечного элемента (МКЭ). В данном исследовании результаты были обработаны с использованием симплексной аппроксимации конечных элементов. Поле смещения локально аппроксимировалось линейными функциями относительно координат. При аппроксимации экспериментальных результатов использовалась конечно-элементная модель заготовки и линейная аппроксимация поля перемещений. Это позволило аппроксимировать тензорные поля деформаций и напряжений локально постоянными функциями, что соответствует усреднению исследуемых величин по площади конечного элемента. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить и управлять параметрами технологических процессов с целью получения заданной формы, точности и последеформационных свойств готовых деталей и собранных узлов.

Повышение точности штампованных деталей является результатом высоких удельных нагрузок при калибрующих операциях и соударении заготовки с матрицей при осуществлении формообразующих процессов. Импульсный характер нагрузки позволяет упростить конструкцию оснастки, значительно уменьшить ее металлоемкость, использовать для изготовления неметаллических материалов.

Использование методов электромагнитной штамповки имеет ряд

значительных преимуществ по сравнению с другими методами. Но повсеместное

внедрение данного метода еще сдерживается различными факторами. Такими как

отсутствие научно-обоснованных методик расчета процессов электромагнитной

штамповки, управление параметрами электромагнитной штамповки. Применения

программ конечно-элементного моделирования нелинейных высокоскоростных

11

процессов деформирования заготовок позволяет досконально изучить процесс на базовом уровне и выявить различные зависимости для управления данным процессом. Кроме того, моделирование позволяет исследовать механику появления дефектов, возникающих при деформировании электромагнитным полем, понять причину возникновения дефектов и способы их устранения. Использование конечно-элементного моделирования позволяет заменить реальный эксперимент на виртуальный, позволяющий получить значительно больше выходных данных, чем при реальном эксперименте.

Степень разработанности. Широкое внедрение импульсных методов штамповки в промышленность стало возможным, благодаря фундаментальным и прикладным исследованиям в области теорий пластичности, обработки металлов давлением. Особенно заметную роль в области импульсных методов формообразования материалов играют работы Ю.Н. Алексеева, М.А. Анучина, В.Д. Кухаря, К.Н. Богоявленского, В.И. Завьяловой, Е.И. Исаченкова, В.Ф. Карпухина, С.Ф. Головащенко, В.С. Белоусова, В.Г. Кононенко, В.М. Корнеева, Г.С. Писаренко, Р.В. Пихтовникова, С.М. Поляка, Е.А. Попова, О.В. Попова, О.В. Романа, М.В. Сторожева, В.Н. Чачина, У. Джонсона, Дж. Райнхарта, Дж. Пирсона и других ученых. Процесс магнитно-импульсной штамповки получил интенсивное развитие, также, благодаря работам Л.Т. Хименко, И.В. Белого, С.М. Фертика, В.А. Глущенкова, Г.М. Лебедева, Е.Г. Иванова, Ю.А. Попова, В.С. Сотникова, В.Б. Юдаева, Н.В. Курлаева, В.С. Мамутова, С.М. Колесникова и других. Однако механизм формообразования неосесимметричных элементов листовых деталей из алюминиевых сплавов под влиянием магнитно-импульсной нагрузки изучен недостаточно, особенно их штамповка с образованием гофров.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование

процессов формообразования алюминиевых листовых деталей давлением

импульсного магнитного поля и расширения технологических возможностей

процессов формообразования листовых деталей машин, приборов и аппаратуры с

использованием современных математических методов конечных элементов,

моделирования нелинейных высокоскоростных процессов деформирования

12

заготовок с помощью программного комплекса LS-DYNA, анализ и предотвращения дефектов листовых деталей, полученных данным методом. Использование магнитно-импульсной штамповки позволяет улучшить качество продукции, упростить оснастку, обрабатывать труднодеформируемые материалы, сократить сроки подготовки производства.

Задачи исследования:

1. Проведения литературного обзора с целью анализа развития методов электромагнитной штамповки на сегодняшний день. Анализ существующих программ конечно-элементного деформирования, позволяющих моделировать данные процессы.

2. Моделирование процессов электромагнитной штамповки отдельных элементов заготовки (прямолинейных, вогнутых, выпуклых) с целью определения наиболее эффективных параметров импульсного воздействия; установление зависимостей влияние амплитуды давления ИМП на точность формообразования деталей; исследование влияния распределения давления ИМП на точность формообразования деталей; исследование влияния длительности импульса на точность формообразования деталей; исследование влияния угла компенсации при гибке на точность формообразования деталей в зависимости от параметров катушки и исходного тока, частоты воздействия, определение напряженно-деформированного состояния заготовки, предельных степеней деформации и возможных мест разрушения, а также других дефектов характерных при данном процессе.

3. Моделирование процессов пружинения и динамической посадки гофров при ударе борта листовой детали об оснастку в процессе магнитно-импульсной штамповки с учетом ударного контакта борта с оснасткой и потерявшей устойчивость, об оснастку.

4. Провести комплекс экспериментальных исследований магнитно-импульсного формообразования листовых деталей с целью подтверждения результатов конечно-элементного моделирования.

5. Провести экспериментальные исследования по определению точности магнитно-импульсной штамповки листовых деталей на формовку-вытяжку с учетом ударного контакта борта по прямому углу и углу компенсации.

6. Внедрение результатов исследований штамповки листовых деталей давлением ИМП в производство с предложенным новым способом получения двух деталей «носка нервюры» одновременно, с помощью разделительной операции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика путем численного моделирования ЭМ штамповки и процесса формообразования с помощью многоцелевого конечно-элементного программного комплекса LS-DYNA с возможностью варьирования параметров магнитно-импульсной штамповки, характеристик материалов, геометрических размеров изготавливаемых заготовок и исследования основных закономерностей взаимодействия начальных параметров с дефектами формы на поведении материала алюминиевых сплавов при условии магнитно-импульсного воздействия. Дискретизация задачи проводилась на основе метода конечных элементов.

2. Исследованы образования гофров при штамповке выпуклой отбортовки и посадка образовавшихся гофров с помощью давления ИМП.

3. Разработан новый метод с помощью численного моделирования и даны технологические рекомендации по определению диаграмм формируемости детали и диаграмм предельной деформации FLD, которая базировались на основных положениях теории пластического деформирования и заранее прогнозируют, определяют безопасные зоны формуемости листовых деталей, которые в свою очередь исключают дефекты при формообразовании деталей, это снижает трудоемкость и себестоимость их изготовления.

4. Разработана новая оригинальная операция штамповки детали средней части «носка нервюры» с двумя формблоками для магнитно -импульсной штамповки.

5. Путем численного моделирования процессов ЭМ штамповки исследованы

основные закономерности взаимодействия, позволили выбрать оптимальные

параметры технологических процессов и определение дефектов при

14

формируемости материала, что прогнозировало качественные характеристики изготавливаемых деталей. Установлено, что разработанные математические модели адекватно описывают физический процесс.

Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке методики прогнозирования и определения безопасных зон формуемости листовых деталей с помощью диаграмм предельных деформаций. Разработаны методические рекомендации по численному моделированию и определению технологических параметров формообразования алюминиевых листовых деталей давлением ИМП с помощью ПО LS-DYNA (ЭМ).

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные на базе теоретических положений, численного моделирования и экспериментальных данных, технологии и оснащения позволили при их реализации улучшить процесс магнитно-импульсной штамповки, увеличить производительность труда и качество деталей.

Созданы численные модели системы ^С, позволяющие сократить сроки технологической подготовки производства на стадии проектирования, оборудования и оснастки.

Комплексная программа LS-DYNA (ЭМ) позволила нам прогнозировать дефекты, недоформовки, переформовки и их устранение, которые предотвратили многочисленные затраты дорогих цветных металлов в экспериментах.

Построены и разработаны инженерные номограммы на полученных результатах исследования с целью определения давления ИМП и эффективных технологических режимов для технологов в промышленности.

Разработано предложение о внедрении разделительной операции «носка нервюры» в производство ЛА. Новая технология одновременное формообразования и разделение деталей на электромагнитном оборудовании выгодно отличается от существующих, - повышением точности, уменьшением объема ручных доводочных работ и улучшением условий труда.

Методология и методы исследования использовались теоретические,

численные и экспериментальные исследования по формообразованию листовых

15

алюминиевых сплавов Д16АМ под нагружением ИМП. Теоретические и численные исследования проводились с реализацией вихретокового приближения уравнений Максвелла, метода Лагранжа, метода Ньюмарка, обеспечивались условия Куранта-Фридрихса-Леви, условия пластичности Губера-Мизеса, в соответствии с теорией Прандтля-Рейса направление приращений пластических деформаций перпендикулярно поверхности текучести. Использовался конечно-элементный комплекс ПО LS-DYNA (ЭМ). Экспериментальные исследования по нагружению листовых деталей ЛА проводились в лаборатории синтеза композиционных материалов ИГиЛ СО РАН.

Положения, выносимые на защиту:

- численный расчет с необходимым давлением для посадки гофров, возникающих при ЭМ штамповке;

- разработана новая технологическая двухступенчатая операция магнитно -импульсной штамповки с двумя формблоками для производства средней части «носка нервюры»;

- разработан новый численный метод определения дефектных и безопасных зон при формируемости детали с построением диаграмм предельной деформации FLD;

- определены типовые дефекты деталей, отштампованные давлением ИМП в работе.

Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов численного моделирования с верификационным использованием программы LS-DYNA в процессе воздействия ЭМ поля для проверки адекватности выполняемого моделирования с известными теоретическими расчетами и экспериментами; полученные результаты исследования были обобщены в инженерных номограммах с целью определения давления ИМП и эффективных технологических режимов для технологов в промышленности; экспериментальные исследования проведены на оборудовании, оснащенном приборами контроля.

Апробация работы. Результаты исследования доложены на следующих

научных конференциях: I Международной конференции «Современные

16

достижения в области материаловедения и технологий» - «Material science and innovative technology» (CAMSTech-I 2020). Красноярск 31 июля 2020 г.; III Международной конференции «Передовые технологии в аэрокосмической отрасли, машиностроении и автоматизации» - III International Conference «Advanced Technologies in Aerospace, Mechanical and Automation Engineering» (Aerospace 2020). Красноярск с 20-21 ноября 2020 г.; II Международной конференции «Метрологическое обеспечение инновационных технологий» - II International Conference on Metrological Support of Innovative Technologies (ICMSIT-II-2021). Санкт-Петербург и Красноярск с 3-6 марта 2021 г.; III Международной конференции «Прикладная физика, информационные технологии и инжиниринг» -«Conference on Applied Physics, Information Technologies and Engineering» (APITECH-III-2021). Красноярск с 24 сентября - 3 октября 2021 г.; Научном семинаре исполнителей проектов III. 23.3.1,2 «Механика макро- и нано-структур». Новосибирск, ИГиЛ СО РАН 14 марта 2022 г.

Публикации. Основные результаты исследования, вошедшие в диссертационную работу, опубликованы в 15 статьях. Всего автор имеет 20 опубликованных работ, относящихся к магнитно-импульсной штамповке и обработке деталей высоким давлением, из них 4 статьи в перечни изданий, рекомендованных ВАК РФ, 10 работ включены в базу цитирования Scopus.

Личный вклад соискателя. Автор проводил научное обоснование численного моделирования ЭМ штамповки, теоретические и экспериментальные исследования листовых деталей ЛА с выявлением их дефектов и определением необходимого давления ИМП при формообразовании с получением результатов и выводов исследований.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 240 листах машинописного текста, включая 13 таблиц, 180 рисунков и состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, списка использованной литературы из 132 наименований и приложений. Каждая глава содержит краткий вывод.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ §1.1. Факторы, определяющие точность импульсного формообразования листовых деталей

Развитие конструкций летательных аппаратов сопровождается применением высокопрочных, труднодеформируемых материалов, повышенными требованиями точности и качества деталей, требованиями снижения себестоимости изготовления и объемов ручного труда, автоматизацией и механизацией технологических процессов.

Высокоскоростные и импульсные методы деформирования в значительной степени удовлетворяют эти требования. Одним из сравнительно новых и прогрессивных методов является магнитно-импульсная обработка металлов, при которой энергия магнитного поля используется для пластической деформации и направленного изменения физико-механических свойств материалов. Обладая широкими технологическими возможностями, как и другие импульсные процессы, МИОМ выгодно отличается от них мобильностью и гибкостью, низкой себестоимостью выполнения операции, отсутствием передающей среды, возможностью нагрева заготовок на рабочей позиции, высокой производительностью и т. д [1-5].

В конструкции самолета листо-штампованные детали занимают до 70% по номенклатуре. При их изготовлении ручные доводочные работы в серийном производстве достигают 65...75%, а в опытном производстве 80...100%. Ситуация ухудшается при использовании труднообрабатываемых сплавов, которые часто делают невозможным изготовление деталей вручную или их доработку, поэтому необходимо использовать новые эффективные технологические процессы, позволяющие изготавливать без доводочные или с минимальным объемом доработки детали из листовых заготовок.

Внедрение импульсных технологий возможно только при управлении

параметрами быстропротекающих процессов (распределением давления по

площади заготовки, амплитудой, длительностью и формой импульса), без которых

18

импульсные процессы могут давать худшие результаты, чем традиционные методы штамповки, и их внедрение становится нерациональным. Методика проектирования высокоэффективных импульсных процессов изложена на базе численного моделирования и оптимизации параметров по заданной форме детали [6-10].

Частое обновление конструкций самолётов и их постоянное совершенствование при значительном объёме опытного и мелкосерийного производства потребовало создания технологических методов, которые обеспечивают существенные сокращения сроков подготовки производства, не требуют крупных капитальных затрат, являются достаточно мобильными при переходе на выпуск новых конструкций или модификаций. К таким технологическим методам относятся импульсные высокоскоростные методы деформирования металлов: взрывная, электрогидравлическая, магнитно-импульсная штамповка. Эти методы наиболее применимы при изготовлении деталей из листовых и трубчатых заготовок, сварных обечаек и могут использоваться практически для всех операций листовой штамповки [11, 12].

На рисунке 1.1 анализ конструкций деталей показал, что их можно классифицировать по технологическим признакам: гибка прямого, выпуклого, вогнутого борта в плане контура и формовка.

а б в

а - носок нервюры; б - диафрагма; в - заборник Рисунок 1.1. Типовые листовые детали с отбортовкой по контуру и формовка При штамповке листовых деталей ЛА физико - механические свойства материалов и геометрические размеры заготовки заданы. К факторам, которые

могут влиять на точность штамповки деталей, можно отнести силовые параметры МИОМ (амплитуда и распределение нагрузки, время действия импульса), параметры оснастки (материал, радиус гиба), параметры ударного контакта заготовки с оснасткой [13-16].

§1.2. Принцип и характеристики магнитно-импульсной штамповки

Принцип магнитно-импульсной штамповки заключается в следующем (рис. 1.2): переменный ток с напряжением 380В повышается трансформатором Тр до

напряжения 5...20кВ, выпрямляется полупроводниковым устройством В и заряжает батарею импульсных конденсаторов С. При достаточной степени заряда срабатывает дистанционно-управляемый разрядник Р и ток, силой до нескольких сот кА, мгновенно протекает через спираль индуктора. Вокруг спирали возникает мощное импульсное магнитное поле, в силу электромагнитной индукции в заготовке наводятся вихревые токи противоположного направления (токи Фуко). Последние создают вокруг заготовки вторичное ИМП. Взаимодействие двух полей отталкивает заготовку от индуктора. Заготовка приобретает скорость от 100...500ж / сек. и при контакте с оснасткой принимает форму последней. Время деформирования заготовки составляет 100~300х106сек., а время первого полупериода разряда тока и давления на заготовку 10 —100 х 10^сек.

В дальнейшем заготовка двигается, деформируется по инерции. Формообразующая оснастка состоит из пуансона или матрицы. Роль второй универсальной части штампа выполняет ИМП.

Г - повышающий трансформатор; B - выпрямитель; C - батарея

импульсных конденсаторов; P - управляемый разрядник (игнитрон): 1 - индуктор; 2 - листовая заготовка; 3 - матрица Рисунок 1.2. Принципиальная и электрическая схема магнитно-импульсной штамповки С электрической точки зрения индуктор с обрабатываемой заготовкой, включенный в разрядную цепь магнитно -импульсной установки, можно представить в виде магнитно-связанных контуров, в первичную цепь одного из которых включен конденсатор.

Переходные электромагнитные процессы при разряде ёмкосного накопителя на индуктор, характерные в основном для магнитно-импульсного деформирования металлов и индукционно-динамического ускорения проводников, рассчитываются в приближении плоской электромагнитной волны. Однако на практике допущение о наличии единственной составляющей напряженности поля не всегда оказывается справедливым [17, 18]. Исходя из этого обстоятельства, проводится расчет переходных процессов для более общего случая - плоская дисковая катушка с током. В качестве расчетной модели выбираем равномерно распространенным по размеру поверхностным током. При решении любых электродинамических задач используются уравнения Максвелла, которые, пренебрегая токами смещения, запишем для изотропных сред в виде [18, 19]:

rotH = yE + jcm,

шё- дВ (11)

ы

где у — удельная электропроводность среды; ]ет — плотность сторонних токов, заданных внешним источником.

Расчет проведем путем последовательного применения интегральных преобразований. Для исключения дифференцирования по времени £ применим преобразование Лапласа [20]. Тогда

rotH (p) = yE (p) + jcm( p),

rotE(p) = -¡¡u0 pH (p), (1.2)

H (p) = —— rot A (p),

m

где A (p) - изображение векторного потенциала (по Лапласу);

Решая систему уравнений (1.2) аналогично [19], приходим к неоднородному

уравнению Гельмгольца для изображения векторного потенциала:

V2 A(p) + к2 А( p) = -mjcm(p), (1.3)

где к2 = -py¡u¡u0.

Далее будем иметь в виду, что все преобразования совершаются с изображениями функций, не оговаривая это специально.

Для расчета воспользуемся цилиндрической системой координат с осью Z, направленной нормально к поверхностям слоев и совпадающей с осью диска, тогда (1.3) переходит в уравнение второго порядка в частных производных относительноно единственной ( ввиду осевой симметрии) составляющей Ар:

1 А

r dr

dA r — dr

д2 A

k2 -

v r у

A = -¡¡0jcm. (14)

д2г

§1.3. Давление электромагнитного поля

Для решения технологических задач, связанных с использованием силового воздействия электромагнитного поля, необходима информация о распределении напряженности магнитного поля и плотности тока. Для практики интерес представляют также интегральные характеристики: энерговыделение и магнитный поток в проводящей среде.

Объемная электромагнитная (пондеромоторная) сила Р в проводящей однородной среде, по которой протекает ток, определяется соотношением Лоренца [11, 20-22]:

Р = [у хВ], (1.5)

где [у х В] - векторное произведение вектора объемной плотности у наведенного тока на вектор индукции магнитного поля В .

Метод МИОМ является одним из способов обработки деталей давлением и на него переносят понятия, заимствованные из области механической обработки. Механическое давление представляет собой физическое понятие, которое характеризует напряженное состояние вещества, поэтому может существовать только в веществе. Давление Р в некоторой точке среды численно равно силе Г действующей нормально на единицу площади £.

'=%■ А*

Давление имеет такую же размерность, как и плотность энергии. Поэтому в случае неферромагнитного проводника часто величина магнитного давления принимается равной объемной плотности энергии магнитного поля [23, 24]:

В 2

Р = , (17)

где В — магнитная индукция.

Однако между механической и магнитно-импульсной обработкой имеется существенное различие. При механической обработке внешние силы прикладываются к поверхности обрабатываемой детали. Они нормальны к этой поверхности, поэтому могут рассматриваться как давление. При магнитно-импульсной обработке металлов на поверхности детали давлений нет.

Механические напряжения в детали создаются объемными электромагнитными силами. В общем случае электромагнитные силы образуют тензор, определяемый формой поля. Тензор вызывает появление механических напряжений, которые помимо поля объемных электромагнитных сил, зависят еще от формы деформируемого тела.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ахмед Солиман Мохамед Шериф Эль Сайед, 2022 год

Список использованной литературы

1. Смирнов, В.С. Теория обработки металлов давлением [Текст] / В.С. Смирнов. - М.: Металлургия, 1973. - 497 с.

2. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением [Текст] / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. Учеб. для вузов. Изд. 3-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1971. - 424 с.

3. Попова, О.В. Импульсные методы обработки металлов [Текст] / О.В. Попова, Е.Г. Иванов, Е.П. Шалунов и др.- Чебоксары: ЧГУ, 1982. - ДСП.

4. Дмитриев, В.В. Магнитно-импульсная обработка деталей электротехнического производства [Текст] / В.В. Дмитриев, Ю.Я. Лившиц, В.И. Розин // КШП. - 1984. - №7. - С. 8-9.

5. Колмогоров, В.Л. Механика обработки металлов давлением [Текст]: учебник для вузов / В.Л. Колмогоров. - М.: Металлургия, 1986. - 688 с.

6. Пирсон, Д. Высокоскоростное деформирование металлов [Текст] / Д. Пирсон. - М.: Машиностроение, 1966. - 250 с.

7. Степанов, В.Г. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов [Текст] / В.Г. Степанов, И.А. Шавров. - Л.: Машиностроение, 1975. -278 с.

8. Бланка, В.Д. Достижения и перспективы применения высоких давлений в науке и технике: Применение импульсных нагрузок [Текст]: ч.2. / Под ред. В.Д. Бланка. - М.: ВНТЩ, 1987. - 127 с.

9. Кононенко, В.Г. Высокоскоростное формоизменение и разрушение металлов [Текст] / В.Г. Кононенко. - Минск: Вища школа, 1980. - 232 с.

10. Бюхлер, Х. Механические свойства металлов при высокоскоростном деформировании импульсным магнитным полем [Текст] / Х. Бюхлер, Д. Бауэр -Bänder Bleche Rohre, №4. 1968. - С. 230-234.

11. Фомин, В.М. Высокоскоростное взаимодействие тел [Текст] / В.М. Фомин, А.И. Гулидов, Г.А. Сапожников и др. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 1999. - 600 с.

12. Кинслоу, Ф. Высокоскоростные ударные явления [Текст] / Под ред. Ф. Кинслоу. - М.: Мир, 1973. - 533 с.

13. Purtr, K.P. New ideas on magnetic forming [Text] / K.P. Purtr, R.W. Waniek. - Metalworking Production. - 1962. - №13. - vol. 106.

14. Попов, Е.А. Магнитно-импульсная штамповка деталей из плоской заготовки [Текст] / Е.А. Попов, А.И. Легчилин, В.С. Дмитриев // Труды МВТУ им. Баумана. - 1973. - №163. - Вып.10. - С. 216-231.

15. Курлаев, Н.В. Механика импульсного воздействия и ее приложение к обработке давлением деталей из алюминиевых сплавов [Текст]: автореф. дисс... докт. техн. наук / Курлаев Н.В. - Новосибирск: НГТУ, 2006. - 34 с.

16. Курлаев, Н.В. Влияние импульсной обработки на технологические дефекты деталей [Текст] / Н.В. Курлаев, А.И. Гулидов. - Новосибирск: Изд. СО РАН, 2005. -168 с.

17. Шнеерсон, Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов [Текст] / Г.А. Шнеерсон. - Л.: Энергоиздат, 1992. - 414 с.

18. Михайлов, В.М. Импульсные электромагнитные поля [Текст] / В.М. Михайлов. - Харьков: Вища школа, 1979. - 140 с.

19. Кошляков, Н.С. Уравнения в частных производных математической физики [Текст] / Н.С. Кошляков, Э.Б. Глинер, М.М. Смирнов. - M.: Высшая школа, 1970. - 712 с.

20. Новгородцев, А.Б. Переходные процессы и электродинамические усилия в системе соленоид-замкнутый экран [Текст] / А.Б. Новгородцев, Г.А. Шнеерсон // «Труды ЛПИ», 1966. № 273.

21. Исарович, Г.З. Исследование силовых параметров при магнитно-импульсной обработке [Текст] / Г.З. Исарович, В.П. Князев // В сб. «Вопросы технологии производства летательных аппаратов». - Куйбышев, 1978. - С. 2531.

22. Ландау, Л.Д. Электродинамика сплошных сред [Текст] / Л.Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Физматгиз, 1959. - 531 с.

23. Брон, О.Б. Распределение давлений в детали при МИОМ [Текст] / О.Б. Брон, В.П. Епечурин // Кузнечно-штамповочное производство. 1968. - № 5. - С. 26-29.

24. Нейман, Л.Р. Теоретические основы электротехники [Текст] / Л.Р. Нейман, П.Л. Калантаров. - М.: Госэнергоиздат, 1959. ч.3. - 407 с.

25. Lippman, H. Zur Physik der Metallumformung mit hohen Magnetfeld Impulsen [Text] / H. Lippman, H. Schreiner. - Zeitschrift fur Metallkunde, Bd. 55, H. 12, 1964. - p. 737-740.

26. Техника больших импульсных токов и магнитных полей [Текст] / Под ред. В.С. Комелькова. - М.: Aтомиздат, 1970. - 473 с.

27. Поливанов, К.М. Электродинамика движущихся тел [Текст] / К.М. Поливанов. - М.: Энергоиздат, 1982. - С. 123-142.

2S. Юдаев, В.Б. Применение импульсных магнитных полей для формообразования деталей летательных аппаратов [Текст]: учебное пособие / В.Б. Юдаев. - М.: МДМ, 1995. - 168 с., 67 ил.

29. Попов, Ю.А. К расчету давления магнитного поля и его импульса при разрыве батареи конденсаторов на плоскую систему индуктор-заготовка [Текст] / ЮА. Попов // Тезисы докладов ВНТК по МИОМ. - Харьков. 1966.

30. Лысенко, Д.Н. Штамповка импульсным магнитным полем высокой энергии [Текст] / Д.Н. Лысенко, И.В. Витевский // Вестник машиностроения. -1963. - № 7. - С. 52-55.

31. Петров, М.В. Теоретические и экспериментальные основы разработки технологических процессов магнитно-импульсной обработки материалов [Текст]: автореф. дисс... докт. техн. наук / Петров М.В. - Нижний Новгород: Нижегородский гос. техн. ун-т, - 2002. - 42 с.

32. Орешенков, А.И. Об оценке суммарного давления магнитного поля на тонкостенную заготовку [Текст] / A.H Орешенков // Технология электротехнического производства. Вып. 3 (86), 1972.

33. Новгородцев, А.Б. Высокочастотное магнитное поле массового многовиткового соленоида в цилиндрическом экране [Текст] / A^. Новгородцев,

Г.А Шнеерсон // Высоковольтная импульсная техника. - Чебоксары: ЧувГУ, Вып.2, 1975. - С. 25-32.

34. Гун, Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением [Текст] / Г.Я. Гун. - М.: Металлургия, 1980. - 456 с.

35. Белый, И.В. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов [Текст] / И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко. - Харьков, 1977. - 168 с.

36. Высокоскоростное деформирование металлов [Текст]: - М.: Изд-во Машиностроение, 1966. - 175 с.

37. Доронин, Ю.Л. Исследование возможности повышения конструкционных и эксплуатационных характеристик деталей ЛА импульсным воздействием высокоэнергетического электромагнитного поля [Текст]: -автореф. дисс... канд. техн. наук / Доронин Ю.Л. - Москва: МАТИ, 1992. - 18 с.

38. Годин, В.Ф. Магнитное поле обрабатывает металл [Текст] / В.Ф. Годин, А.К. Хохлов, М.Т. Левыкин. - Тула: Приокское книжное изд-во, 1968. -64 с.

39. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. - Введ. 1986.01.01 [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2008. - 26 с.

40. Беляев, А.И. Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов [Текст] / А.И. Беляев, О.А. Романова, О.С. Бочвар и др. // Справочное руководство. - М.: Металлургия, 1971. - 352 с.

41. ГОСТ 21631-76. Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. - Введ. 1977-07-01 [Текст]. - М.: Стандартинформ, 1993. - 28 с.

42. Юдаев, В.Б. Конструкции и эксплуатация плоских крупногабаритных индукторов, полученных механообработкой, для штамповки листовых деталей [Текст] / В. Б. Юдаев, А.М. Балтаханов, Н.В. Курлаев и др. // «Индукторы для МИО»: Тез. докл. Всесоюз. совещания секции МИОМ. - Тула, 1988. - С. 21.

43. Брон, О.Б. Многовитковые индукторы различной формы при магнитно-импульсной обработке металлов [Текст] / О.Б. Брон, А.М. Сегаль // Электротехника, №3, 1971. - С. 22-25.

44. Хименко, Л.Т. Создание конструкций и разработка методов расчета индукторов для МИО [Текст] / Л.Т. Хименко // КШП. - 1994. - №7. - С. 20-22.

45. Ахмед Солиман, М.Э. Проектирование участка магнитно-импульсной штамповки листовых деталей летательных аппаратов [Текст] / М.Э. Ахмед Солиман. - ВКР. - Новосибирск: НГТУ, 2019. - 104 с.

46. Лебедев, Г.М. Распределение давления магнитного поля плоских многовитковых индукторов [Текст] / Г.М. Лебедев, Г.З. Исарович, Л.С. Вислова // Межвуз. сб. «Получение деталей авиационной техники методами пластического деформирования». Вып.2. - Куйбышев, 1961. - С. 108-112. -ДСП.

47. Талалаев, А.К. Индукторы и установки для магнитно-импульсной обработки металлов [Текст] /А.К. Талалаев. - М.: Информтехника, 1992. - 143 с.

48. Курлаев, Н.В. Механика импульсного воздействия и ее приложение к обработке давлением деталей из алюминиевых сплавов [Текст]: дисс... докт. техн. наук / Курлаев Н.В. - Новосибирск. НГТУ, 2006. - 349 с.

49. Лавинский, В.И. Выбор параметров магнитно-импульсной штамповки тонких листовых материалов [Текст] / В.И. Лавинский // КШП-ОМД. - 2000. -№8. - С. 18-21.

50. Глущенков, В.А. Технология магнитно-импульсной обработки материалов: монография [Текст] / В.А. Глущенков, В.Ф. Карпухин. - Самара: Издательский дом «Федоров», 2014. - 208 с.

51. Баландин, Ю.А. Экспериментальное определение механических характеристик материалов при нагружении импульсным магнитным полем [Текст] / Ю.А. Баландин, Е.Г. Иванов // Импульсное нагружение конструкций. -Чебоксары: Чувашский гос. ун-т, 1973. Вып.4. - С. 3-15.

52. Полушин, А.Г. Расчет конечных параметров соударения напряженных пластин с полупространством [Текст] / А.Г. Полушин // Межвуз. сб. «Получение деталей авиационной техники методами пластической деформации металлов». Вып.2. - Куйбышев: КуАИ, 1981. - С. 91-96. - ДСП.

53. Кислоокий, В.Н. Численное моделирование задач динамики упругопластических тел при ударных воздействиях [Текст] / В.Н. Кислоокий // В сб. «Строительная механика и расчет сооружений». Вып.7. - М.: Стройиздат, 1976.

54. Johnson, G. R. High velocity impact calculations in three dimensions [Text] / G. R. Johnson // Trans. ASME. - E44. - №1. - 1977. - p. 95-100.

55. Кильчевский, Н.А. Теория соударения твердых тел [Текст] / Н.А. Кильчевский. - Киев: Наукова думка, 1969. - 247 с.

56. Ахмед Солиман, М. Э. Формообразование вытяжки в глухой и открытой матрицах магнитно-импульсным давлением [Текст] / М.Э. Ахмед Солиман // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - КШП. ОМД. - 2021. №10. - С. 3-11.

57. Kurlaev, N.V. Simulation of rift element forming by magnetic-pulse deformation [Text] / N.V. Kurlaev and M.E. Ahmed Soliman // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020. - Vol. 919, № 2: Advances in Material Science and Technology: Intern. Sci. Conf. CAMSTech-2020, Krasnoyarsk. - Art. 022011 (6 p.)

58. L'Eplattenier, P. Introduction of an Electromagnetism Module in LS-DYNA for Coupled Mechanical-Thermal-Electromagnetic Simulations [Text] / P. L'Eplattenier, G. Cook, C. Ashcraft, M. Burger, J. Imbert, M. Worswick // SRI, 80 (2012).

59 L'Eplattenier, P. Update on the Electromagnetism Module in LS-DYNA [Text] / P. L'Eplattenier, I. Caldichoury. 12th LS-DYNA Users Conference, Detroit (2012).

60. Psyk, V. Electromagnetic forming - A review [Text] / V. Psyk, D. Risch, B.L. Kinsey, A.E. Tekkayaa, M Kleiner. // Journal of Materials Processing Technology. - 2011. - Vol. 211. - p. 787-829.

61. Малыгин, Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин [Текст] / Б.В. Малыгин. - М.: Машиностроение, 1989. - 112 с.

62. Taylor, D.B.C. The dynamic straining of metals having definite yield points [Text] / D.B.C Taylor // J. Mech. and Phys. Solids, 1954. - Vol. 3 (1) - p. 38-46.

63. Grippon, E. Evaluation of Electromagnetism Capabilities of LS-DYNA: alternative heating process [Text] / E. Grippon, T. Senart, V. Lapoujade // 10th Eur. LS-DYNA Conference, Wurzburg, Germany - 2015.

64. Jeanson, A.C. Coupled experimental / numerical approach for the characterization of material behaviour at high strain-rate using electromagnetic tube expansion testing [Text] / A.C. Jeanson, F. Bay, N. Jacques, G. Avrillaud, M. Arrigoni, G. A Mazars // International Journal of Impact Engineering. (IJJE) - 2016. - Vol. 98 -p. 75-87.

65. Howie, Fang. Median barrier placement on six-line, 46-foot median divided freeways [Text] / Howie Fang, Ning Li, Ning Tian; The University of North Carolina at Charlotte: Report N FHWA/NC / 2009-04. - November 2010.

66. Курант, Р. О разностных уравнениях математической физики [Текст] / Р. Курант, К. Фридрихе, Г. Леви // УМН. - 1941. - №8. - С. 125-160.

67. Hiermaier, S.J. Structures Under Crash and Impact: Continuum Mechanics, Discretization and Experimental Characterization 2008th Edition (November 15, 2007). [Text]. - S.1.: Springer Science+Business Media, LLC, 2008. - 410 p.

68. Hallquist, J.O. LS-DYNA Theory manual [Text] / J.O. Hallquist; Livermore Software Technology Corporation (LSTC). - Livermore (USA), 2006. - 1576 p.

69. Ахмед Солиман, М.Э. Изготовление рифтового элемента нервюры ЛА давлением импульсного магнитного поля [Текст] / М.Э. Ахмед Солиман, Н.В. Курлаев // Авиационная промышленность. - 2021. - № 3-4. - С. 66-68.

70. LS-DYNA Keyword User's Manual (Version 971) [Text]. - Livermore Software Technology Corporation (LSTC). 2007. - 1384 p.

71. Уитмер, Е.А. Большие динамические деформации балок, колец, пластинок и оболочек [Текст] / Е.А. Уитмер, Х. Балмер, Дж.В. Лич, Т.Х. Пиан // Ракетная техника и космонавтика. 1963. - 1, № 8. - С. 111-123.

72. Юдаев, В.Б. Разработка теоретических основ и опытно -промышленной технологии изготовления тонкостенных деталей давлением

импульсного магнитного поля [Текст] / В.Б. Юдаев, В.Е. Авдохин, В.М. Каверин, Н.В. Курлаев. - Технический отчет по теме № 25140-01040. - М.: МАИ, 1988.

73. Kurlaev, N.V. Influence of the electromagnetic field pressure on the free bending of the straight side [Text] / N.V. Kurlaev and M.E. Ahmed Soliman // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - Vol. 2094: 3rd International Scientific Conference on Applied Physics, Information Technologies and Engineering (APITECH-3 2021), Krasnoyarsk, 24 Sept. - 3 Oct. 2021. - Art. 042047 (7 р.).

74. Баженов, В.Г. Расчет осесимметричных оболочек переменной толщины при осесимметричных силовых и температурных воздействиях [Текст] / В.Г. Баженов, М.А. Батанин // Горьковский гос. ун-т им. Лобачевского. -Ученые записки, - «Методы решения задач упругости и пластичности». Вып.122. №3. - Горький, 1970.

75. Mc Namara, C.F. Solution Schemes for problems of nonlinear structural dynamics [Text] / Mc Namara C.F // Fran. ASCE. - Vol. 96. - №2. -1974. - p. 96-102.

76. Mikkola, M.G. Comparison of numerical integration methods in the analysis of impulsively loaded elastoplastic and viscoelastic structures [Text] / M.G. Mikkola, M. Tuomala, H. Sinisaso // Int. J. Comput. Struct. - Vol. 14. №5 - 6, 1981. - p. 469476.

77. Баландин, Ю.А. Экспериментальное определение механических характеристик материалов при нагружении импульсным магнитным полем [Текст] / Ю.А. Баландин, Е.Г. Иванов // Импульсное нагружение конструкций. -Чебоксары: Чувашский гос. ун-т, 1973. Вып.4. - С. 3-15.

78. Полушин, А.Г. Расчет конечных параметров соударения напряженных пластин с полупространством [Текст] / А.Г. Полушин // Межвуз. сб. «Получение деталей авиационной техники методами пластической деформации металлов». Вып.2. - Куйбышев: КуАИ, 1981. - С. 91-96. - ДСП.

79. Власов, А.В. Основы теории напряженного и деформированного состояний. Основы теории пластичности [Текст] / А.В. Власов. - Омск. Изд-во: ОмГТУ. 2012. - 164 с.

80. Ильюшин, А.А. Пластичность [Текст] / А.А. Ильюшин. - М.: Гостехтеоретиздат, 1948. - 376 с.

81. Процессы пластического структурообразования металлов [Текст] / В. М. Сегал, В. И. Резников, В.И. Копылов, Д.А. Павлик, В.Ф. Малышев. - Минск: Наука и техника, 1994. - 232 с.

82. Горбунов, М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве летательных аппаратов [Текст] / М.Н. Горбунов. - М.: Машиностроение, 1970. - 351 с.

83. Дель, Г.Д. Пластичность деформированного материала [Текст] / Г.Д. Дель // Физика и техника высоких давлений. 1983. № 11. - С. 28-32.

84. Лопатин, А.И. Получение динамической диаграммы напряжение -деформация при помощи кольцевых образцов [Текст] / А.И. Лопатин // Импульсная обработка металлов давлением. Вып. 2. - Харьков: Харьковский авиационный институт, 1970. - С. 128-136.

85. Лысов, М.Н. Теория и расчет процессов изготовления деталей методами гибки [Текст] / М.Н. Лысов - М.: Машиностроение, 1986. - 236 с.

86. Богатов, А.А. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением [Текст] / А.А. Богатов, О.И. Мижирицкий, С.В. Смирнов. - М.: Металлургия. 1984. - 144 с.

87. Попов, И.П. Процессы формообразования листовой заготовки с учетом заданной толщины детали [Текст] / И.П. Попов // Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. акад. С.П. Королёва. - Самара: Изд-во СГАУ. 2011. - 77 с.

88. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением [Текст] / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. - М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.

89. Романовский, В.И. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд., перераб. и доп. [Текст] / В.И. Романовский. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1979. - 520 с.

90. Колмогоров, В.Л. Механика обработки металлов давлением [Текст] / В.Л. Колмогоров. - Екатеринбург. Изд-во: Уральского ГТУ. 2001. - 836 с.

91. Глущенков, В.А. Упругое соударение цилиндрической заготовки с матрицей при магнитно-импульсной обработке [Текст] / В.А. Глущенков, А.Д. Комаров, Б.А. Щеглов // Машиноведение. - №3. - 1972.

92. Рябов, В.А. Сопротивление деформации и пластичность при обработке металлов давлением [Текст] / В.А. Рябов, Ю.Г. Калпин, В.И. Перфилов, П.А. Петров, Ю.К. Филиппов. - М.: Машиностроение. 2011. - 243 с.

93. Коротких, Ю.Г. Численный метод исследования поведения упруго -пластических тел при импульсных воздействиях [Текст] / Ю.Г. Коротких // «Распространение упруго - пластических волн» - V Всесоюзный симпозиум. -Алма -Ата: Наука, 1973. - С. 209-215.

94. Полушин, А.Г. Численный анализ осесимметричного деформирования тонких заготовок при импульсной штамповке в матрицу [Текст] /А.Г. Полушин, В.И. Песоцкий // Труды МВТУ «Физ.-хим. Методы обработки труднодеформируемых материалов». - Москва, 1981.

95. Щеглов, Б.А. Расчеты динамических осесимметричных процессов формообразования тонкостенных деталей [Текст] / Б.А. Щеглов // Сб. «Расчеты пластически деформируемых материалов». - Ин-т машиноведения АН СССР. -М.: Наука, 1975. - С. 31-41.

96. Kurlaev, N.V. Forming the straight flange of a rib by pulsed-magnetic field pressure [Text] / N.V. Kurlaev, K.A. Matveev, M.E. Ahmed Soliman and M.B. Detinov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2021. -Vol.1047: Advanced technologies in aerospace, mechanical and automation engineering (Aerospace 2020): 3rd Intern. Conf. MIST, Krasnoyarsk, 20-21 Nov. 2020. - Art. 012006 (6 p.).

97. Гулидов, А.И. Численное моделирование отскока осесимметричных стержней от твердой преграды [Текст] / А.И. Гулидов, В.М. Фомин // ПМТФ. -№3. - 1980.

98. Бойко, В.М. Отскок коротких стержней от твердой преграды [Текст] / В.М. Бойко, А.И. Гулидов, В.М. Фомин и др. // Препринт № 28. - Новосибирск: Институт теоретической и прикладной механики, 1980. - 48 с.

99. Огородников, В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением [Текст] / В.А. Огородников. - Киев: Вища школа. 1983. - 174 с.

100. Лебедев, Г.М. Исследование процессов магнитно - импульсной штамповки листовых алюминиевых и магниевых деталей с выпуклыми бортами [Текст] / Г.М. Лебедев, В.Н. Самохвалов // Межвуз. сб. «Магнитно - импульсная обработка в современном машиностроении». - Куйбышев, 1986.

101. Kurlaev, N.V. Impact of the electromagnetic field pressure on the bending of high convex-side [Text] / N.V. Kurlaev and M.E. Ahmed Soliman // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - Vol. 2094: 3rd International Scientific Conference on Applied Physics, Information Technologies and Engineering (APITECH-3 2021), Krasnoyarsk, 24 Sept. - 3 Oct. 2021. - Art. 042042 (7 р.).

102. Бирюков, Н.М. Предельные возможности гибки - формовки деталей из листа резиной [Текст] / Н.М. Бирюков, Ю.Д. Борисов // Труды института. - № 261. - М.: НИАТ, 1968. - С. 1-10. - ДСП.

103. Головлев, В.Д. Расчеты процессов листовой штамповки. Устойчивость формообразования тонколистового металла [Текст] / В.Д. Головлев. - М.: Машиностроение. 1974. - 136 с.

104. Борисов, Ю.Д. Исследование процесса посадки гофров при свободной гибке - формовке деталей из листа эластичной средой [Текст] / Ю.Д. Борисов, Н.М. Бирюков // Научно-исследовательский институт технологии и организации производства. - Труды ин-та, - №314. - М. 1971. - С. 1-12. - ДСП.

105. Исаченков, Е.И. Штамповка эластичными и жидкими средами [Текст] / Е.И. Исаченков. - М.: Машиностроение, 1976. - 360 с.

106. Исаченков, Е.И. Штамповка резиной и жидкостью [Текст] / Е.И. Исаченков. - М.: Машгиз, 1962. - 328 с.

107. Карпец, А.К. Формообразование деталей из листа жесткими штампами с одноразовой посадкой гофров [Текст]: - автореферат...канд. техн. наук / Карпец А.К. - М.: МАИ, 1968. - 18 с. - ДСП.

108. Гулидов, А.И. Численная реализация граничных условий в динамических контактных задачах [Текст] / А.И. Гулидов, И.И. Шабалин //

Препринт Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР. -№12-87. - Новосибирск, 1987.

109. Дубинин, В.В. О расчете параметров формовки импульсным магнитным полем в кольцевую матрицу из плоской заготовки [Текст] / В.В. Дубинин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. - № 4, 1971.

110. Веников, В.А. Теория подобия и моделирования [Текст] / В.А. Веников, Г.В. Веников. - Изд. 4-е. -М.: Электротехника, 2014. - 440 с.

111. Попов, Е.А. Деформирование металла импульсным магнитным полем [Текст] / Е.А. Попов и др. // Кузнечно-штамповочное производство. - № 6, 1966.

112. Ильюшин, А.А. Пластичность [Текст] / А.А. Ильюшин. - М.: ГИТТЛ, 1948. - 376 с.

113. Лебедев, Г.М. Расчет параметров магнитного молота [Текст] / Г.М. Лебедев и др. // Тр. КуАИ «Вопросы технологии производства летательных аппаратов». - Куйбышев. Вып.41, 1971.

114. Анучин, М.А. Моделирование процесса взрывной штамповки [Текст] / М.А. Анучин и др. // Изв. вузов. Машиностроение -№5, 1963.

115. Cloud, R.W. The finite element method in plan stress analysis [Text] / R.W. Cloud // J. Struct. Div. ASCE Proc. 2nd Conf. Electronic Computation. 1960. - p. 345-378.

116. Стренг, Г. Теория метода конечных элементов [Текст] / Г. Стренг, Дж. Фикс. - М.: Мир, 1977. - 349 с.

117. Kurlaev, N.V. Simulation of drawing-forming by magnetic-pulse deformation [Text] / N.V. Kurlaev, M.E. Ahmed Soliman and N.A. Ryngach // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020. - Vol. 919: Advances in Material Science and Technology: Intern. Sci. Conf. CAMSTech-2020, Krasnoyarsk. - Art. 022004 (6 p.).

118. Ильина, Г.В. Математическое моделирование процессов деформирования твердых тел при динамических воздействиях [Текст] / Г.В. Ильина / Рук. Деп. в ВИНИТИ. - №8617 Вып. 87. - Куйбышев, 1987. - 27 с.

119. Kurlaev, N.V. Formation of deep-drawing in an open-die by pulsed-magnetic field pressure [Text] / N.V. Kurlaev, K.A. Matveev, M.E. Ahmed Soliman and N.A. Ryngach // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - Vol. 1889: 2nd International Scientific Conference on metrological support of innovative technologies (ICMSIT II-2021), Krasnoyarsk & St. Petersburg, 3-6 March 2021. - Art. 042025 (6 p.).

120. Курлаев, Н.В. Изготовление сильфонного компенсатора давлением импульсного магнитного поля [Текст] / Н.В. Курлаев, М.Э. Ахмед Солиман, Н.А. Рынгач // Авиационная промышленность. - 2021. - № 3-4. - С. 75-78.

121. Ахмед Солиман, М.Э. Формообразование выпуклых рифтовых элементов при раздаче трубы давлением импульсного магнитного поля [Текст] / М.Э. Ахмед Солиман // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - КШП. ОМД №2 - 2022. - С. 20-26.

122. Ahmed Soliman, M.E. Preparation of samples for investigating the durability of aluminum alloy D16AM after deformation and magnetic-pulse processing [Text] / M.E. Ahmed Soliman, N.V. Kurlaev and N.A. Ryngach // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - Vol. 1889: 2nd International scientific conference on metrological support of innovative technologies (ICMSIT II-2021), Krasnoyarsk & St. Petersburg, 3-6 March 2021. - Art. 022086 (6 p.).

123. Яковлев, С.С. Ротационная вытяжка с утонением стенки трубных заготовок из анизотропного материала [Текст] / С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, К.С. Ремнев // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2011. № 11. - С. 10-16.

124. Каргин, С.Б. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния слитка при ковке на трехлепестковую заготовку [Текст] / С.Б. Каргин, О.Е. Марков, В.В. Кухарь // Обработка материалов давлением: Сб. науч. тр. Краматорск: ДГМА, 2011. № 1 (26). - С. 17-21.

125. Kurlaev, N.V. Manufacturing of Bellows Compensator by Pulsed-Magnetic Field Pressure [Text] / N.V. Kurlaev, M.E. Ahmed Soliman and N.A. Ryngach // Materials Science Forum. - 2022. - Vol. 1049. - P. 108-113.

126. Головлев, В. Д. Расчеты процессов листовой штамповки. Устойчивость формообразования тонколистового металла [Текст] / В.Д. Головлев. - М.: Машиностроение. 1974. - 136 с.

127. Kurlaev, N.V. Formation of two convex rift elements upon tube expansion by pulsed-magnetic field pressure [Text] / N.V. Kurlaev, M.E. Ahmed Soliman and N.A. Ryngach // AIP Conference Proceedings. - 2021. - Vol. 2402: Proceedings of the 3rd international conference on advanced technologies in materials science, mechanical and automation engineering: MIP: Engineering - 3 - 2021, Krasnoyarsk. - Art. 030029 (6 p.).

128. Баженов, В.Г. Исследование упруго - пластических процессов деформации круглых пластин при импульсном нагружении с учетом больших прогибов [Текст] / В.Г. Баженов, М.А. Батанин // Прикладная механика. 1978. -Т. XIV. №3.

129. Шапиро, Г.С. О моделях динамического поведения пластических тел [Текст] / Г.С. Шапиро // Уч. записки Тартуского ун-та. Вып. 253. - Тарту, 1970. - С. 38-44.

130. Ерхов, М.И. Теория идеально - пластических тел и конструкций [Текст] / М.И. Ерхов. - М.: Наука, 1978. - 352 с.

131. Kurlaev, N.V. Forming the inner flange of a rib by pulsed-magnetic field pressure [Text] / N.V. Kurlaev, M.E. Ahmed Soliman and M.B. Detinov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2021. - Vol.1047: Advanced technologies in aerospace, mechanical and automation engineering (Aerospace 2020): 3rd Intern. Conf. MIST, Krasnoyarsk, 20-21 Nov. 2020. - Art. 012002 (7 p.).

132. Kurlaev, N.V. Forming a convex flange by pulsed-magnetic field pressure [Text] / N.V. Kurlaev, K.A. Matveev, M.E. Ahmed Soliman and M.B. Detinov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2021. - Vol.1047: Advanced technologies in aerospace, mechanical and automation engineering (Aerospace 2020): 3rd Intern. Conf. MIST, Krasnoyarsk, 20-21 Nov. 2020. - Art. 012011 (6 p.).

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Исследование взаимодействия 2-х параллельных проводников с током.

1. Теоретический расчет 1.1. Сила Лоренца для метровой длины:

Г =

М012

2лй

где ¿и0- магнитная постоянная, Гн / м; I - ток, А;

d - расстояние между центрами проводов, м.

1,26еб Гн / м ■ (20000А)2-1м

г =-= о03Н.

2 ■ 3,14 ■ 0,1м

1.2. Мощность электрического тока:

Р = 12 Я = 12 ^, А

где ре — удельное электрическое сопротивление материала, Ом ■ мм2 / м; Ь — длина провода, м;

А = 7тг2 — площадь поперечного сечения провода, мм2.

р = (20000А)2 ■ °,°2Ом-мм2/м-°,5м = 51000Вт.

3,14 ■ (5 мм)2

1.3. Температура нагрева: Тепловая энергия за 0,02сек.

й = Р ■

£ = 51000Вт ■ 0,02с = 1000Дж. Температура нагрева: й = стАТ,

где с — удельная теплоёмкость меди, Дж / кг^° С; й - количество теплоты при нагревании, Дж; т - масса нагреваемого вещества, кг;

АТ - разность конечной и начальной температур вещества, С .

АТ =

1000Дж

. — =7 С. 400Дж/ кг- С ■ 0,34кг

1.4. Магнитная индукция:

Магнитная индукция, создаваемая током на расстоянии Я от него.

^0 11

В =

2л Я

Я, м 0,005 0,007 0,009 0,011 0,013 0,015 0,017 0,019

В, Тл 0,80 0,57 0,45 0,36 0,31 0,27 0,24 0,21

1.5. Индуктивность проводника:

Индуктивность короткого проводника [мкГн] определяется его размерами.

Ь = 21

ь* -1

, Л у

■10-3,

где I - длина проводника, см; Л - диаметр провода, см.

г

Ьпр = 2 ■ 50см

4■50см

1п

V 1см

■ 10-3 = 0,429мкГн = 4,29е Гн

1.6. Эквивалентное сопротивление:

Я =

А ■ Ь А

^ 0,020м ■ мм2 / м ■ 0,5м „ -4 „

Я =-;-= 1,27е Ом.

3,14 ■ (5 мм)2

2. Численное моделирование LS-DYNA

Рисунок 2.1. Проводники с током

Рисунок 2.2. Магнитное поле одного проводника с влиянием второго 2.1. Сила Лоренца для метровой длины:

Рисунок 2.3. Сила Лоренца для проводника 0,5 метров 2.2. Мощность электрического тока:

Рисунок 2.4. Тепловая мощность

Рисунок 2.5. Полная энергия ЭМ поля 2.3. Температура нагрева:

Е 28

Н 2068944 ¿г

в с □

>

Element по.

_fi_^068883 В 2068912 С 706ЯЯ44 D 2068966

miri=25 max=33,S5

0.01 Time

Рисунок 2.6. Средняя температура (непосредственное измерение температуры на проводнике) 2.4. Магнитная индукция:

Рисунок 2.7. Магнитное поле одного проводника, без влияния второго

2.5.

Индуктивность проводника:

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

min=4.3014e-07 max=4.3014e-07

-

a д Ù Д

fle-W

0.005

0.01

0.015

Time

Рисунок 2.8. Индуктивность 2.6. Эквивалентное сопротивление:

Element по. _à_|nductance

0.02

0.25

0.2

0.15

M о

I

ш

и

И 0.1 <

to

0.05

1 Л Л д Д

(0.010 3,0.00012 6]

i i

Element по. A Equivalent resistance

0.005

0.02

min=0

max=0.00022652

0.01 0.015

Time

Рисунок 2.9. Эквивалентное сопротивление

Приложение 2

1.1. Исследование воздействия ЭМ поля при гибке элемента заготовки.

Рисунок 1.1. Максимальное напряжение на катушке, В

Рисунок 1.2. Максимальная электромагнитная энергия, Дж

25

20

10

д. 1- г -_ А Д—..А -а—

min=0 max=24624

0.1

Contact Id ¡I 1

0.3

0.2 Time (E-03)

Рисунок 1.3. Усилие в зоне контакта, Н

2.1. Равнодействующая сила:

в

г

д е

Рисунок 1.4. Сила Лоренца в период действия кривой тока (от 0 до 3е-5 сек)

а

б

ЕМ Е1ес&от»дпе«с »олтпд ргоЫвш

в

д

Рисунок 1.5. Сила Лоренца в период после действия кривой тока:

(от 3е-5 до 0,0004 сек)

г

е

д е

Рисунок 1.6. Вектора плотности тока в период действия кривой тока:

(от 0 до 3е-5 сек)

а

б

в

д е

Рисунок 1.7. Плотность тока в период после действия кривой тока:

(от 3е-5 до 0,0004 сек)

г

Приложение 3

Образовавшиеся дефекты деталей, отштампованные давлением ИМП в работе

Класс операции

МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ ШТАМПОВКА

Класс деталей

ЛИСТОВЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ ДЕТАЛИ

Вид операции

ФОРМОВКА-ВЫТЯЖКА

Материал

Д16АМ, В95, АМцАМ

Типы операций

I. ШТАМПОВКА В ГЛУХОЙ МАТРИЦЕ II. ШТАМПОВКА В ОТКРЫТОЙ МАТРИЦЕ

Внешний вид дефекта

и его обозначение

Хлопун (конусообразный гофр) на краю детали

Переформовка (излишек металла)

Утонение верхней части детали

Разрушение по радиусной зоне детали и схлопывание внутри части детали

Схлопывание внутри части детали

Тип операций

Внешний вид дефекта

и его обозначение

III. ШТАМПОВКА Р

ЙФТОВОГО ЭЛЕМЕНТА

Разрушение по радиусной зоне детали, искажение формы

Искажение формы (отличие формы от заданной)

Искажение формы (переформовка детали с одной _из сторон)_

Схлопование верней части детали

«УТВЕРЖДАЮ» Технический директор

внедрения результатов научно-исследовательской работы аспиранта НГТУ Ахмед Солимана Мохамед Шерифа Эль Сайеда

Комиссия в составе директора совместного с НГТУ Базового учебного научно-производственного центра «Технологии высокоресурсных авиационных конструкций» (Базового центра) Рынгача НА., главного технолога «НАЗ им. В.П.Чкалова» Григорьева A.C., начальника отдела 8 «НАЗ им. В.П.Чкалова» Грамотина A.B. составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Ахмед Солимана М.Э. «Исследование деформирования листовых алюминиевых сплавов при формообразовании деталей летательных аппаратов давлением импульсного магнитного поля», представляемой на соискание ученой степени кандидата технических наук, могут быть использованы в проектно-конструкторской и проектно-технологической деятельности Филиала ПАО «Компания «Сухой» «Новосибирский авиационный завод имени В.П. Чкалова» в виде:

- Методических рекомендаций по численному моделированию и определению технологических параметров формообразования алюминиевых листовых деталей давлением импульсного магнитного поля (НМЛ) с помощью ПО «LS-DYNA»;

- Инженерных номограмм для технологов, построенных по полученным расчетным и экспериментальным результатам для определения требуемого давления ИМП;

- Технологических рекомендаций по прогнозированию и определению безопасных зон формуемости листовых деталей с разработанным предложением о выполнении формообразования детали типа «носок нервюры», содержащей оригинальную операцию магнитно-импульсной штамповки одновременно двух деталей на сдвоенном центральносимметричном формблоке и одновременным разделением этих деталей с помощью встроенного ножа по средней линии формблока.

Переданные рекомендации позволят повысить точность изготовления листовых деталей из алюминиевых сплавов, снизить в 2...3 раза трудоёмкость их изготовления при производстве авиационной техники.

Директор Базового центра

Главный технолог «НАЗ им. В.П.Чкалова»<;

Начальник отдела 8 «НАЗ им. В.П.Чкалова

Примечание: Акт не является основанием для перечисления денежных средств.