Анализ возможности моделирования многокомпонентных систем в среде Deform-3D Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.771

М.П. Барышников, А.Б. Бойко, С.О. Егоров, М.В. Чукин

ГОУВПО «МГТУ»

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ DEFORM-3D

В работе с материалами возникает необходимость проанализировать ход деформации, что невозможно при использовании интегральных методов. Для этой цели необходимо применять программные комплексы, работающие по методу конечных элементов. В данной работе представлены ход и результаты использования программного комплекса Deform-3й для решения задач обработки многокомпонентных систем давлением. Представлено моделирование процесса осадки и растяжения цилиндрического образца из двух разнородных материалов.

Анализируется возможность расчета механических характеристик металлов и сплавов на основании представления их структуры, как композиционной среды. Использование данного подхода позволит применить аппарат механики композиционных материалов для расчета механических свойств металлов и сплавов. На основе такого подхода составляющую с большим значением относительного удлинения будем называть пластичной фазой, менее пластичную составляющую - упрочняющей фазой, а материал в целом - композитом.

В ходе многочисленных экспериментов была проанализирована возможность моделирования многокомпонентных систем в среде Deform-3й. Инструмент принят как жесткий и не испытывающий деформацию. Материал матрицы принят как пластичный (армко-сталь), механические свойства - при температуре 20 °С:

ств = 260 МПа; стт = 120 МПа; 5 = 60 %; KCU = 2000 кДж/м2, где ств - предел кратковременной прочности; стт - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации); 5 - относительное удлинение при разрыве; KCU - ударная вязкость [1].

Волокно из относительно прочной конструкционной легированной стали марки AISI-8620 (российский аналог 20ХГНМ), механические свойства - при температуре 20 °С:

ств = 1180-1570 МПа; стт = 930 МПа; 5 = 7%; KCU = 590 кДж/м2 [2].

Смоделировано различное строение многокомпонентного материала (рис. 1-9). Доли пластичной и упрочняющей фаз заданы в соотношении 1:10; 1:1 и с преобладающей долей пластичной фазы 10:1. В качестве рабочих тел выбраны геометрия полого цилиндра (матрица) и внутренняя пластина (волокно). Для наглядности верхний инструмент отсутствует.

Рис. 1. Напряжения, действующие на двухкомпонентный материал с соотношением пластичной и упрочняющей фаз 1:10 при осадке на 2 и 24 %, соответственно, разрушение матрицы

Рис. 2. Напряжения, действующие на двухкомпонентный материал с соотношением пластичной и упрочняющей фаз 1:1, при осадке на 2 (а) и 24 % (б), разрушение волокна

Рис. 3. Напряжения, действующие на двухкомпонентный материал с соотношением пластичной и упрочняющей фаз 10:1, при осадке на 2 (а) и 24 % (б), разрушение волокна

Программный комплекс показывает удовлетворительные результаты при пластическом деформировании модели из разнородных материалов (см. рис. 1, а; 2, а; 3, а), но результаты моделирования разрушения многокомпонентного материала (см. рис. 1, б; 2, б; 3, б), вызывают сомнения, вызванные отсутствием повышенных напряжений на границе раздела двух материалов.

Далее рассмотрим результаты моделирования процесса осадки слоистого материала из разнородных материалов с различным соотношением пластичной и упрочняющей составляющих (см. рис. 4, 6).

Рис. 4. Напряжения, действующие на трехслойный материал с соотношением пластичной и упрочняющей фаз 10:1, при осадке на 2 (а) и 24 % (б, в).

На рис. 4, в для наглядности отсутствует верхний слой пластичной составляющей. Верхний и нижний слои из армко-стали деформируются значительно больше относительно среднего слоя из легированной стали.

На рис. 4 видна неравномерность деформации материала, что не свойственно процессу равномерной осадки.

Рис. 5. Двухкомпонентный слоистый материал с соотношением пластичной и упрочняющей фаз 1:10, при осадке на 2 (а) и 24 % (б)

а б

Рис. 6. Напряжения, действующие на0 двухкомпонентный слоистый материал с соотношением пластичной и упрочняющей фаз 1:1, при осадке на 2 (а) и 24 % (б)

При деформации наблюдаются значительно большие напряжения краевой зоны, по отношению к центральной части модели, что не соответствует реальному процессу осадки, при котором различия не столь существенны.

Рис. 7. Моделирование деформирования образца из двухкомпонентного материала с соотношением диаметра к высоте 1:10. Потеря устойчивости модели (см. рис. 7, б) при превышении критического соотношения диаметра к высоте

I I

Рис. 8. Цилиндр из легированной стали в ферритной матрице при осадке на 2 (а) и 24 % (б); наблюдаются преимущественные напряжения сжатия в центральной части модели и напряжения растяжения в граничных с инструментом областях модели

Препятствием при моделировании поставленной задачи стал минимальный набор граничных условий, предусмотренный программным комплексом, которого недостаточно для полноценного моделирования поведения многокомпонентных систем.

Рис. 9. Растяжение двухкомпонентного материала с соотношением пластичной и упрочняющей фаз 1:10, при осадке на 2 (а) и 24 % (б). Модель продолжает деформироваться после превышения предела текучести материала.

Затруднение в работе с программой вызвал принятый в Deform-3J критерий разрушения Cockroft и Latham, рассчитываемый по формуле:

где £ - накопленная пластическая деформация, ds - приращение накоп-

*

ленной деформации; о - максимальное главное растягивающее напряжение; О - интенсивность напряжений.

Критерий не удовлетворяет требованиям поставленной задачи. Волокна не разрушаются, а продолжают пластически деформироваться, превысив предел прочности. Также данным критерием не учитывается экспериментальный факт увеличения технологической пластичности материала при увеличении в схеме напряженного состояния сжимающих напряжений [3].

В результате проведенной работы было установлено, что программный комплекс показал удовлетворительные результаты моделирования многокомпонентных систем в области пластической деформации. Однако, выявленные особенности расчета поведения материала в области критических нагрузок, позволяют сделать вывод о нецелесообразности применения программного комплекса Deform-3J для решения задач разрушения композиционных материалов.

Библиографический список

1. http://щ.wikipedia.org/wiki/АРМКО-железо/

2. http://www.splav.kharkov.com/

3. Власов А.В. Программа расчета поврежденности при холодной пластической деформации металлов для постпроцессора Deform3 d // http: tesis.com.ru/infocenter/downloads/deform/deform_es09_mgtu1.pdf.

УДК

Р.В. Файзулина

ФГБОУВПО «МГТУ

А.А. Дьяконов, С.С. Гайдук,

Ю.А. Мельников, О.Н. Молева, А.Ф. Вакильев

ОАО «ММК»

О ВЛИЯНИИ РАБОТЫ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ НА ОБРАЗОВАНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЖЕСТИ

Дефект в виде сажистых отложений по кромкам черной жести приводит к нежелательным последствиям при электролитическом лужении. Поверхность металла, запороченная сажей, является лиофобной, что затрудняет процесс покрытия. По литературным данным [1, 2, 3] дефект «сажа» образуется в печах при колпаковом отжиге из-за каталитического разложения защитного газа, содержащего углерод, основными катализаторами процесса могут быть продукты износа полосы и валков (частицы железа, окалины). Тем не менее, в данной работе рассмотрены условия процесса прокатки жести на 5-клетевом стане «1200» ЛПЦ-3 ОАО «ММК». Сортамент проката указанного стана включает толщину от 0,16 до 0,63 мм и ширину от 700 до 920 мм. При прокатке используется водомасляная смесь, приготовленная на основе прокатного масла «Gerolub 92» ф. «Henkel» и деминерализованной воды. В данной работе определяли факторы непосредственно процесса прокатки и влияния вспомогательных материалов на образование дефекта «сажа».

Для выявления влияния загрязнений, температуры, сортамента на появление дефекта производили искусственное изменение режимов процесса. В частности, для увеличения загрязнений на полосе во время прокатки жести на стане произвели следующие работы:

- прокатку с пониженным расходом прокатного масла;