CC BY
13
article presents the punch residing cavity in the workpiece, as well as the punch holder and its elements. The difficulties of placement and operation of the ejector parts from the movable matrix in the application of stamps installed on universal presses are considered. The advantage of the created specialized press is shown and drawings of the ejector and its elements are developedfor it.
Key words: details of the type of steel cups, stamping cold volumetric, friction forces on the matrix actively directed, the design of the punch holder of the stamp, the design of a specialized press, the design of the ejector of goods from the matrix.
Dmitriev Alexander Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, corresponding member of RAS, mt-6@yandex. ru, Russia, Moscow, Stankin Moscow State Technological University,
Korobova Natalia Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, head of department, mt-6@yandex. ru, Russia, Moscow, Stankin Moscow State Technological University
УДК 621.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЗАКРЫТОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ПЕНЫ
М.А. Петров, С.П. Смолев
Представлены результаты исследования несущей способности композиционного материала категории сэндвич - структура на основе листовых металлических обкладок и вспененной структуры, результаты компьютерной томографии, электронной микроскопии и одноосного сжатия. Получены зависимости энергии деформации от объёма образца и степени его деформации. Также показано, что при создании эквивалентной топологической геометрии металлической пены существенным являетсяраспреде-ление напряжений и деформаций на облицовочный лист.
Ключевые слова: ячеистые структуры, лёгкие конструкции, сэндвич - структура, относительная плотность, численное моделирование, реология, QForm, топологическая оптимизация, solidThinking Inspire, обработка давлением.
На рис. 1 представлена диаграмма изменения напряжения в зависимости от деформации металлической пены с плотностью (р), рассмотренная Эшби и другими в работе [1]. На ней выделено несколько областей, которые отличают её от диаграммы, полученной для сплошных материалов. После наклонной прямой, характеризующей упругую область, появляется первый предел текучести [1, 2]. Далее следует горизонтальная площадка, характеризующая пластическую деформацию тонких перемычек пены (cpO, что эквивалентно процессу компактирования/консолидации при деформировании дискретного материала, например, стружки. Оканчиваясь, горизонтальная площадка переходит в резко возрастающий участок, связанный с моментом начала уплотнения и продолжением развития консолидации (e).
456
Обзорные работы по металлическим пенам (свойства, технологии изготовления, определение химического и структурного состава, области и перспективы их применения и т.д.) могут быть найдены в других исследованиях [1 - 5].
Основные параметры металлической пены определяются по уравнениям
Е
а2 Ея
г \ р
V г у
; О
ар1 »(0,25 - 0,35)^
3 _
г \т р
Г V р
V р, у
т» о,з,
ур
р
э
у
1 -а
р
р
(1)
(2)
я У
где Е - модуль упругости пены, ГПа; О - модуль среза пены, ГПа; Е3 - модуль упругости одноимённого сплошного материала, ГПа; Оэ - модуль среза одноимённого сплошного материала, ГПа; / - коэффициент Пуассона; О), а2, т, п - эмпирические коэффициенты; еэ - деформация уплотнения; оР1 - напряжение на площадке, МПа; оурЯ - напряжение текучести одноимённого сплошного материала, МПа; р - плотность пены, г/м3; рЯ - плотность одноимённого сплошного материала, г/м3;
Начало ■ уплотнения
Рис. 1. Схематическое представление зависимости изменения напряжения от деформации при одноосном сжатии ячеистых структур открытого/закрытого типов
Характеристика пены. Рассматриваемая алюминиевая пена получается методом прямого вспенивания расплава алюминия газами (например, аргон) или смесями газов, с последующим конвейерным вытягиванием и кристаллизацией вспененной массы [1]. Облицовочные обкладки, выполненные из алюминиевого сплава АМц, соединялись с пеной при помощи армированной клейкой ленты с высокими адгезивными свойствами.
Для определения толщины перемычек и химического состава металлической пены применялся метод компьютерной томографии (КТ) и электронной микроскопии (рис. 2). Компьютерная томография осуществ-
лялась на томографе марки GE phoenix v|tome|x m. Для определения химического состава использовался электронный настольный микроскоп Phenom XL. Толщина стенок перемычек, образующих замкнутые полости пены, по результатам КТ лежала в диапазоне от 100 до 150 мкм. Помимо основного химического элемента алюминия (Al), был обнаружен легирующий элемент кальций (Ca), который играет роль стабилизирующего агента, увеличивающего вязкость жидкого расплава. Такая модификация расплава позволяет задерживать газовые пузыри, образующие в дальнейшем поры-ячейки.
в
Рис. 2. Результаты микроскопии и томографии: а - зй-модель, полученная по результатам КТ; б - сечение образца фронтальной плоскостью; в - химический анализ материала пены и морфология стенки, полученные на электронном микроскопе.
Механические испытания. Испытания на одноосное сжатие проводились на универсальной гидравлической испытательной машине EU-100 с номинальной силой 100 т (1 МН) и скоростью деформирования 1 мм/с. Перед испытаниями образцы и плоские бойки обезжиривали специальным средством. На контактных поверхностях смазка отсутствовала. Образцы были разделены по размерным группам (рис. 3 и табл. 1). По результатам испытаний определялись значения деформации, скорости деформации, затраченной энергии. Полученные машинные диаграммы аппроксимировались сплайнами шестого порядка (рис. 4) и аналитически определялись значения интеграла для области определения аргумента от
458
начала до окончания нагружения. Полученные значения соответствовали работе/энергии пластической деформации (РПД или ЭПД), затрачиваемой на осадку образца. Функция РПД/ЭПД представлена в координатах объёма и логарифмической деформации на рис. 5.
1-я группа
2-я группа
3-я группа
Рис. 3. Вид образцов после осадки по размерным группам
4-я группа 5-я группа
250
200
150
¡4
| 100
50
у = 0,0297хб - 0,8023х5 + 7.4516Х1 - 26.552Х1 + 20,701х- + 47.954Х + 26,995
0123456789 10 11 12
Время, с
Рис. 4. Машинная диаграмма «Время - сила деформирования» (сплошная линия) и аппроксимирующая функция (пунктирная линия)
для образца №3
При этом допускалось пластическое деформирование облицовочного листа. Таким образом, можно было распознать влияние степени уплотнения/консолидации металлической пены на увеличение РПД/ЭПД.
Численное моделирование проводилось в программе QForm УХ. Заготовка из алюминиевого сплава АМц в форме параллелепипеда с размерами, соответствовавшими размерам деформированного объёма пены (без учета толщины облицовочного материала), подвергалась одноосному сжатию на плоских бойках в холодном состоянии до высоты = 0,4И0. Данные по материалу выбирались из базы данных стандартных материалов программы. Значение относительной плотности (р*) изменялось в соответствии с рядом: 0,3; 0,7 и 1. Данный параметр входит в уравнение Р. Д. Грина для дискретного изотропного материала, применяемое в качестве математической модели в QForm УХ для моделирования компактируемых материалов, представленное уравнениями (3), (4) и (5).
/ (о.) = Л12+В11 = о$,
(3)
^ = 1
2 6
о
(01 02 ) + (02 -03 ) + (03 -О ) ] = 12 =0 +02 +03 = 30т , (4)
о2 = 0 (5)
где Л и В - функции относительной плотности материала, причём В = 1 - A/3; 0К - уменьшенное значение предела текучести в соответствии
со значением относительной плотности р* при одноосном растяжении, МПа; о - эффективное напряжение, МПа; от - среднее напряжение, МПа; 12 - второй инвариант девиатора напряжений; 12 - первый инвариант тензора напряжений; о3 - предел текучести сплошного материала, МРа; ] - функция относительной плотности.
а
Логарифмическая деформация б
Рис. 5. Графические зависимости изменения энергии пластической деформации образца от его исходного объёма и логарифмической
деформации
Таблица 1
Результаты осадки образцов__
№ образца Ф Ф W, Дж V, мм3 Размеры, Д х Ш х В Группа образцов
1 0,81 0,11 0,87225 17 000 34 х 25 х 20 1
2 1,38 0,23 15,2872 16 000 32 х 25 х 20 1
3 1,51 0,15 39,0165 15 600 26 х 30 х 20 2
6 1,31 0,22 18,7145 16 800 28 х 30 х 20 2
8 0,63 0,09 1,85056 46 060 47 х 49 х 20 3
11 0,83 0,10 6,09631 68 440 58x59x20 4
13 0,42 0,08 2,92083 105 000 70 х 75 х 20 5
Возникавшее на контактных поверхностях трение изменялось по закону Леванова, в котором значение фактора трения было принято постоянным и равным m = 0,15. На рис. 6 показаны поля с результатами расчётов по пластической деформации. Для образца с низким значением относительной плотности изменение размеров почти не происходит (рис. 6, б), так как происходит компактирование материала. И, наоборот, для сплошного материала (рис. 6, г) происходит значительное изменение геометрических размеров. С ростом значения относительной плотности и объёма образца увеличивается сила деформирования и средняя интенсивность деформации (рис. 7). Однако, значения силы и ЭПД по результатам моделирования получились выше в 2 - 5 раз по сравнению с результатами экспериментов. Возможно, что это связано с площадью контактной поверхности, которая в случае пен имеет не сплошной, а дискретный характер контакта, что должно приводить к снижению величины и контактного трения.
Для определения несущей способности конструкции была проведена топологическая оптимизация в программе solidThinking Inspire рассматриваемого объёма металлической пены и по результатам оптимизации создана структура колонного типа (рис. 8, а).
Рис. 6. Результаты осадки образцов с разной относительной плотностью: а - исходная геометрия; б-р* = 0,3; в -р* = 0,7;
г-р* = 1,0
461
При её нагружении сжимающей нагрузкой были установлены места отрыва от листового материала обкладок, проникновение в них и общее волнообразное коробление образца (рис. 8, б, в), свидетельствовавшее о потере устойчивости листовых оболочек в плоскости контакта.
■ 50,00-100,00
а
■ 100,00-150,00
■ 150,00-200,00
и щ
II
0,3 105000
Объём образца, мм3 б
Рис. 7. Поверхности изменения силы (а) и средней интенсивности напряжений (б) по результатам численного моделирования
в
Рис. 8. Моделирование несущей способности эквивалентной конструкции: а - получение эквивалентной формы методом топологической оптимизации в виде полигональной модели (поверхность); б - общий вид деформированного образца; в - поля пластических деформаций, модель в разрезе
462
Выводы. Значения полученных величин энергий пластической деформации при моделировании пористого образца, сплошного образца и образца эквивалентной конструкции отличаются. Это отличие зависит от значения рассматриваемой плотности сплошного образца. Так, например, при сравнении образца №8 при относительной плотности равной 0,3 и образца эквивалентной конструкции значение силы отличается в 20 раз, а значение ЭПД в 10 раз. При сравнении результатов для пористого и реального образцов те же значения параметров могут быть больше или равны указанным величинам, что связано с дискретностью реальной контактной поверхности.
Список литературы
1. Metal foams - a design guide / M.F. Ashby, A. Evans, N.A. Fleck, L.J. Gibson, J.W. Hutchinson, H.N. Wadley. Butterworth-Heinemann. 251 p.
2. Rajak D.K., Kumaraswamidhas L.A., Das S. Technical overview of aluminium alloy foam // Reviews on advanced materials science, 2017. Vol. 49 (1). P. 68 - 86.
3. Смолев С.П., Петров М.А. Механические испытания алюминиевых сэндвич-панелей из листов с сердцевиной из пенометалла // Труды юбилейной XXX Международной инновационной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС-2018). ИМАШ РАН, 2019. С. 66-69.
4. Schlimper R., Rinker M., Schäuble R. Prediction of material behaviour of closed cell rigid foams via mesoscopic modelling, Proceedings of the International Conference on Composite Materials (ICCM-2017), 2009. Edinburgh, UK [Электронный ресурс]. URL: http://iccm-central.org/Proceedings/ ICCM17proceedings/Themes/ Applications/ SANDWICH%20STRUCTURES (дата обращения: 10.03.2019).
5. Thermal-mechanical behaviour of sandwich panels with closed-cell foam core under intensive laser irradiation. / Z.Q. Li, W.D. Song, H.P. Tang, Z.H. Wang, L.M. Zhao // Thermal Science. 2014. Vol. 18(5). P. 1607-1611.
Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доцент, petroffma@,gmaiL com, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Смолев Сергей Петрович, магистрант, smolev_sergey@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE WORKING LOAD LIMIT OF THE SANDWICH PANELS MADE OF CLOSED-CELL ALUMINUM FOAM
M.A. Petrov, S.P. Smolev
The working load limit of the composite materials based on the sandwich structure made of sheets and closed-cell aluminum foam was investigated. The results of the CT, electron microscopy and uniaxial compression test were presented. The experimental results of the deformation force and analytically calculated energy of plastic deformation based on the machine diagrams were compared with the numerical results. In addition, an equivalent con-
463
struction of the cellular core was considered as a columnar structure and the influence of the non-uniform discrete contact distribution of the core material on the outer sheets was discussed.
Key words: cellular structures, lightweight constructions, "sandwich"-structure, relative density, numerical simulation, rheology, QForm, topological optimization, solid-Thinking Inspire, material forming.
Petrov Mikhail Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petroff-ma@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Smolev Sergey Petrovich, undergraduate, smolev sergeyamail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.984
ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
В. А. Коротков, П.В. Романов, А.В. Шивцова
Приведены отдельные результаты исследования анизотропии механических свойств листового проката, выполненного из сплава АМг6. Показана методика проведения испытаний при различных температурно-скоростных условиях формоизменения и обработка полученных экспериментальных данных.
Ключевые слова: растяжение, анизотропия, напряжения, деформации, образец, испытание.
При разработке новых и совершенствовании известных технологических процессов изотермической штамповки листовых заготовок необходимо учитывать не только пластические и механические характеристики материала, зависящие от температуры, но и анизотропию механических свойств материала. Анизотропия механических свойств существенно влияет на технологические параметры процессов обработки металлов давлением [3]. Например, для получения деталей типа «стакан» или «чашка» из листового материала с плоскостной анизотропией механических свойств с помощью операции вытяжки на кромке детали возникают фестоны (уши), что приводит к увеличению отходов при обрезке кромки.
Наиболее распространенной характеристикой анизотропии листового материала являются коэффициент анизотропии Яа и сопротивление материала пластическому деформированию о т, полученные по результатам испытания на растяжение при повышенных температурах образцов, вырезанных под углами а =0, 45, 90о относительно направления прокатки. У большинства листовых материалов коэффициенты анизотропии Я0, Я45, Я90 зависят и от степени деформации образца. Поэтому обычно коэффициенты анизотропии определяют при степенях деформации 10...20 % или при максимальной равномерной деформации [1 - 3].
464
