Информатизация лабораторного практикума в области обработки металлов давлением Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Раздел 5. Теоретические и прикладные аспекты высшего профессионального образования Информатизация лабораторного практикума в области обработки металлов давлением

Воронков В.И., Петров П.А., Сапрыкин Б.Ю., Прокопов Ф.Б., Таранов А.В.

Университет машиностроения p.pe [email protected]

Аннотация. В статье рассмотрена возможность разработки комплекса электронных лабораторных работ на базе CAD-системы. Показана возможность применения системы T-FLEX CAD для разработки комплекса лабораторных работ по теории обработки металлов давлением.

Ключевые слова: электронные лабораторные работы, CAD система, теория обработки металлов давлением.

Проведение экспериментов, направленных на построение кривых текучести материалов, является наиболее распространённым и важным видом испытаний в области обработки металлов давлением, т.к. с появлением программ, основанных на методе конечных элементов, моделирующих процессы объёмной штамповки, возникла необходимость точного ввода исходных данных для расчёта. Одним из самых важных этапов при постановке задачи в подобных программах является описание упрочнения и разупрочнения материала при деформации, которое задаётся набором кривых текучести материала, определённых при различных температурах и скоростях деформации. Корректность расчёта и совпадение результатов моделирования с реально осуществляемыми технологическими операциями напрямую зависят от точности введённых кривых текучести. Данные по кривым текучести можно взять из соответствующих справочников, но, как правило, в справочниках кривые текучести материалов даны с точностью, недостаточной для проведения корректного моделирования технологических процессов, поэтому часто возникает необходимость в проведении опытов, направленных на построение кривых текучести материалов. В связи с этим обучение методикам проведения опытов и грамотной обработке экспериментальных данных является одной из важных составляющих современного процесса обучения студентов, обучающихся по специальностям связанным с теорией и технологией обработки металлов давлением.

Дорогостоящие гидравлические и механические прессы, а также нагревательные устройства, необходимые для проведения испытаний по построению кривых текучести требуют больших площадей и энергозатрат, которые далеко не все ВУЗы могут предоставить. Но, с внедрением в процесс обучения мультимедийных средств представления информации, а также благодаря широкому распространению ЭВМ в современных ВУЗах, появилась возможность выполнять лабораторные работы даже при отсутствии в институтах специальных помещений с лабораторными установками, благодаря созданию комплексов электронных лабораторных работ [1].

Целью данной статьи является обобщение опыта разработки комплекса электронных лабораторных работ по теории обработки металлов давлением.

Комплекс состоит из шести лабораторных работ в ходе выполнения которых обучающийся знакомится с методикой проведения экспериментов, направленных на построение кривых текучести материалов, а также узнаёт о особенностях обработки полученных экспериментальных данных. К комплексу лабораторных работ прилагаются методические указания с краткими теоретическими сведениями по тематикам лабораторных работ, а также с пояснениями по выполнению каждой лабораторной работы.

Данный комплекс был создан на основе САПР-системы T-FLEX CAD. Выбор данной САПР-системы обусловлен тем, что по многим параметрам именно T-FLEX CAD наиболее удачно подходит для создания на его основе электронных лабораторных работ. В T-FLEX CAD интегрирован модуль для создания пользовательского меню, имеющий стандартный для Windows-приложений интерфейс; T-FLEX CAD позволяет создавать трёхмерные модели

Раздел 5. Теоретические и прикладные аспекты высшего профессионального образования лабораторных установок, которыми благодаря хорошо реализованной параметризации в данной САПР-системе пользователь может управлять посредством пользовательского меню, что, в свою очередь, делает процесс выполнения лабораторной работы весьма реалистичным; T-FLEX CAD позволяет осуществлять вызов и работу с сторонними прикладными программами посредством написания макросов. Помимо вышеперечисленных функциональных преимуществ программы можно также отметить то, что T-FLEX CAD является разработкой русских программистов, что позволяет использовать данную САПР-систему на языке оригинала, избегая возможных трудностей связанных с некорректным переводом.

Все лабораторные работы данного комплекса имеют общую структуру - выполнение каждой лабораторной работы можно разделить на три характерные части: теоретическую, практическую и контрольную.

В теоретической части лабораторной работы пользователь просматривает видеоролик с изложением теоретического материала по тематике той лабораторной работы, которую он выполняет. После просмотра видеоролика по теории, учащемуся для облегчения понимания порядка проведения лабораторной работы предлагается просмотреть видеоматериал с пояснениями к выполнению лабораторной работы. Оба вышеописанных видеоролика вызываются пользователем из меню лабораторной работы, посредством нажатия соответствующих кнопок (рисунок 1).

Лаборатории N»5 •

всчтет« гчКкк»т«*«*1 мйанц | Кждо!*»** рщнкы

Лабораторная работа

Расчёт теплового эфсректа от контактного трения

Пда^ти к оыдоето ревем

Рисунок 3 - Управление виртуальной моделью лабораторной установки

Рисунок 1 - Закладка меню лабораторной

работы «Введение», соответствующая теоретической части лабораторной работы

Практическую часть лабораторной работы можно разделить на 2 этапа: первый этап соответствует непосредственному проведению лабораторных испытаний, а второй - анализу полученных данных.

На первом этапе практической части лабораторной работы учащийся выполняет виртуальный эксперимент, при котором совершает некоторые, запланированные форматом лабораторной работы действия с трёхмерной моделью лабораторной установки, и получает соответствующий отклик виртуальной модели: например, выполняет осадку образца и измеряет силу деформации (рисунок 2). При этом пользователь заносит данные эксперимента в соответствующие поля меню лабораторной работы или заполняет таблицы находящиеся в меню (рисунок 3)._

Осадка в лабораторной работе №1 Осадка в лабораторной работе №3

Рисунок 2 - Осадка образца и замер силы деформирования

В зависимости от целей лабораторной работы действия пользователя над моделью лабораторной установки будут различными, но во всех лабораторных работах управление ходом эксперимента осуществляются с помощью специальных кнопок, находящихся в меню лабораторной работы (рисунок 3).

Варианты выполнения лабораторной работы указаны в прилагающихся к комплексу лабораторных работ методических указаниях. Вариантность осуществляется за счёт выбора различных материалов испытуемого образца и условий деформирования, таких как температура нагрева, скорость деформации и степень деформации (рисунок 4).

Параметры эксперимента

Скорость Коэффициент

Материал Температура 'С

деформирования, мм/с трения

АМгЕ -г 300 -г 7.7 т 0.1

Кривая текучести материала

Определите значение логарифмической деформации для каждого опыта

0.05 -г 0.1 -г 0.2 -г 0.3 -г 0.4 -г 0.5 -г 0.6

Опыт №1 Опыт №2 Опыт№3 Опьп №4 Опыт №5 Опыт №6 Опыт №7

Принять параметры | | Изменить параметры

Рисунок 4 - Параметры эксперимента

На втором этапе выполнения практической части учащийся должен проанализировать полученные в результате проведения виртуального эксперимента данные: определить некоторые величины и получить зависимости, отображающие итоги и цели эксперимента. Например, рассчитать напряжения или получить зависимость теплового эффекта пластической деформации от накопленной деформации (рисунок 5). Все рассчитанные величины учащийся заносит в соответствующие поля меню лабораторной работы или в таблицы (рисунок 3).

Учащийся имеет возможность анализировать полученные зависимости путём сравнения. Например, сопоставить величину теплового эффекта с учётом разогрева от контактного трения и без (рисунок 6).

Так как ошибка в расчётах приводит к получению некорректных зависимостей, которые исказят представления учащегося об исследуемых процессах и физических эффектах, то в лабораторных работах предусмотрен самоконтроль: все рассчитанные величины могут быть проверены пользователем (рисунок 7).

Завершающей, контрольной частью, лабораторной работы является ответ учащегося на вопросы, поставленных в форме теста: на каждый вопрос существует три варианта ответа, один из которых является верным. Все вопросы поставлены так, что ответы на них содержаться в теоретическом видеоролике, либо ответ может быть дан исходя из верного анализа

полученных экспериментальных данных.

^ Рассчитанная температура образца из материала Сталь 55

Тг

гт. Измеренная температура

образца из материала Сталь 55

J Рассчитанная температура образца из материала ВТ14

^ Измеренная температура образца из материала ВТ14

Ьг сеи

Ц сеи

Рисунок 5 - Графики зависимости теплового эффекта пластической деформации от

накопленной деформации

График зависимости теппи&ога эффекта от величины деформации

А= В= п =

Верно Верно Ошибка!

Проверить

Исправить

Рисунок 7 - Проверка рассчитанных значений

Рисунок 6 - Анализ полученных зависимостей

Выполнив последовательно все лабораторные работы данного комплекса, учащийся будет иметь представления о том, как правильно проводить эксперименты по построению кривых текучести материалов, какое оборудование для этого необходимо, как нужно обрабатывать полученные экспериментальные данные, и поймёт, влияние каких физических эффектов затрудняет построение корректных кривых текучести.

В первых двух лабораторных работах данного комплекса учащийся знакомится с двумя самыми распространёнными видами испытаний для построения кривых текучести: методом сжатия и методом растяжения. В ходе выполнения данных лабораторных работ учащийся узнаёт, что такое кривая упрочнения, что она отражает и в каких координатах строится; узнаёт также, какие данные необходимо фиксировать в ходе выполнения эксперимента методом сжатия и какие в ходе выполнения эксперимента методом растяжения; узнаёт о влиянии температуры на величину напряжения текучести; учится рассчитывать величину деформации при осадке и при растяжении образцов, а также определять напряжение текучести; узнаёт о сравнительных преимуществах и недостатках методов сжатия и растяжения; осваивает способы аппроксимации опытных данных.

При построении кривых текучести материала необходимо, чтобы каждая кривая соответствовала одной определённой и постоянной скорости деформации при определённой и постоянной температуре. Постоянство температуры в ходе эксперимента достигается созда-

Раздел 5. Теоретические и прикладные аспекты высшего профессионального образования нием изотермических условий деформирования.

Также следует учитывать, что если эксперимент проводится методом осадки цилиндрического образца, то при наличии контактного трения сила, требуемая для деформации, получается завышенной, а следовательно, завышается и величина рассчитанных напряжений. Чтобы получить истинное значение напряжения текучести, на величину которого не влияет погрешность эксперимента, выраженная в данном случае в наличии трения, необходимо сделать корректировку. Кроме того, из-за теплового эффекта пластической деформации температура образца непостоянна и повышается в процессе деформирования, поэтому при обработке экспериментальных данных необходимо делать соответствующую корректировку. Именно на ознакомление с вышеперечисленными особенностями проведения опыта и на последующую обработку экспериментальных данных направлена следующая лабораторная работа. В ходе выполнения третьей лабораторной работы данного комплекса учащийся узнаёт об оборудовании, применяемом для создания изотермических условий деформирования; учится делать расчёты для корректировки кривой текучести с учётом контактного трения и увеличения температуры образца в результате теплового эффекта; узнаёт о влиянии скорости деформации на величину напряжений.

Корректировка расчётных напряжений с учётом теплового эффекта делается по формуле:

СГ,, =■

ехр(а- АГг)

где: о й - напряжение текучести, скорректированное с учётом разогрева образца; От - напряжение текучести, скорректированное с учётом трения; а - температурный коэффициент.

ДТ1 - значение приращения температуры образца относительно номинального значения

температуры АТ=ТГТ, Т - текущая температура образца;

Г-номинальная температура испытаний, или начальная температура образца. При этом в данной лабораторной работе введено упрощение, и учащемуся не нужно вычислять величину АТ1, которая автоматически рассчитывается в ходе выполнения виртуального эксперимента.

Общий вид Нагреватель

Рисунок 8 - ЭБ модель лабораторной установки в третьей лабораторной работе

Определение увеличения температуры образца в результате влияния теплового эффекта пластической деформации достаточно трудная задача, поэтому её решению посвящена отдельная лабораторная работа (рисунок 8). В четвёртой лабораторной работе учащийся узнаёт о том, что такое тепловой эффект пластической деформации; узнаёт о факторах, влияющих на величину теплового эффекта; знакомится с уравнением теплового баланса и выводом из

т 1

Раздел 5. Теоретические и прикладные аспекты высшего профессионального образования него формулы для расчёта температуры цилиндрического образца; знакомится с принципиальным устройством лабораторного оборудования и методикой проведения эксперимента.

Как уже отмечалось, при осадке цилиндрического образца между поверхностью инструмента и торцом заготовки возникает контактное трение, которое так же, как и пластическая деформация, вызывает повышение температуры образца в результате теплового эффекта. Увеличение температуры от контактного трения не так значительно, как рост температуры при пластическом деформировании, но если требуется построить более точные кривые текучести, то необходимо делать корректировку расчётных напряжений с учётом теплового эффекта от контактного трения. Поэтому в ходе выполнения пятой лабораторной работы учащийся узнаёт о том, как трение влияет на величину теплового эффекта; как изменяется течение металла, в зависимости от величины трения (по изменению линий Лагранжа в сечении образца); знакомится с выводом формулы для расчёта температуры цилиндрического образца с учётом нагрева от контактного трения (вывод так же, как и в предыдущей лабораторной работе, делается из уравнения теплового баланса, в которое добавляется новая составляющая).

Итогом проведения испытаний какого-табо материала должен стать набор кривых текучести, скорректированных по всем отклонениям, возникающим в ходе проведения эксперимента, для определённых температур и скоростей деформаций (рисунок 9).

Кривые текучести сплава АД35 при температуре 430° С имеют вид:

а.

МПа

50 40 30 20 10

с ——.

(

(

г

-1

■ £ = 50с

• £= 10с

¿= 1с

£ = 0,1с

О 0.2 ОА 0,6 £

Рисунок 9 - Кривые текучести сплава АД35 при температуре 430оС

Чем больше провести испытаний, тем с меньшим шагом можно построить кривые для выбранного диапазона температур и скоростей деформации. Но, так или иначе, в промежуточных значениях температур и скоростей деформации значения напряжений будут не известны. Для нахождения промежуточных значений напряжений используют математические модели сопротивления деформации, которые определяются по полученным экспериментальным кривым текучести. Существует достаточно много математических моделей сопротивления деформации, каждая из которых подходит под тот или иной вид кривых текучести. Есть также математические модели с большим количеством коэффициентов, которые позволяют с некоторой степенью точности описать кривые текучести разного типа. В программах, моделирующих технологические процессы объёмной штамповки, используют сложные математические модели с большим количеством неизвестных коэффициентов. Определение неизвестных коэффициентов математической модели сопротивления деформации делается программой моделирования автоматически, по тем кривым текучести, которые пользователь ввёл в базу данных программы. Поэтому для корректной постановки задачи в программе моделирования технологических процессов объёмной штамповки достаточно задать истинные

Раздел 5. Теоретические и прикладные аспекты высшего профессионального образования кривые текучести, скорректированные по всем вышеописанным отклонениям. Но, так как дополнительные теоретические знания всегда полезны и интересны, в комплекс лабораторных работ включена завершающая, шестая лабораторная работа, в ходе выполнения которой учащийся знакомится с одной из математических моделей сопротивления деформации; узнаёт о том, как находить её неизвестные коэффициенты методом наименьших квадратов; получает наглядное представление о том, что такое математическая модель сопротивления деформации и о степени её расхождении с экспериментальными кривыми текучести.

Нахождение неизвестных коэффициентов математической модели сопротивления деформации достаточно сложная математическая задача, для решения которой необходимо большое количество математических выкладок, поэтому шестая лабораторная работа является ознакомительной. В ходе её выполнения учащийся только знакомится с решением такой задачи на примере нахождения коэффициентов математической модели сопротивления деформации для сплава АД35 при температуре 430оС для различных скоростей деформации, не выполняя самостоятельно соответствующих расчётов.

В данной статье представлены результаты работы, выполненной при финансовой поддержки Министерства образования и науки РФ в рамках ГК № 14.740.11.0584 (шифр проекта 2010-1.2.2-111-017-032).

Литература

1. Оспенникова ЕВ. Е-Дидактика мультимедиа: проблемы и направления исследования. // Вестник ПГТУ. Серия «ЖТ в образовании». 2005. Вып. 1. с. 14-32.

Нюансы устойчивости позы и ее связь с некоторыми морфологическими характеристиками борцов разных весовых категорий

к.п.н. доц. Казилов ММ., к.п.н. проф. Фролов В.Г., Жеребкин Н.Н.

Университет машиностроения (495) 223-05-23 *1335

Аннотация. В результате проведённых исследований определены количественные параметры резерва устойчивости позы борцов, в зависимости от величины внешних усилий, их длительности, а также выявлены два типа реакции позы, обеспечивающие сохранение равновесия или приводящие к необратимой потере устойчивости данной позы.

Ключевые слова: биомеханические показатели, устойчивость позы борцов. Изучение условий равновесия тела человека и приматов всегда представляло и теперь представляет большой интерес для педагогов, клиницистов, биологов, антропологов.

Первые исследования вертикального положения тела человека относятся к периоду формирования биомеханики как науки. Они отражают стремление анатомов использовать при изучении устойчивости тела человека уже сформулированные в механике закономерности. При анализе вертикального положения тела это сводилось, главным образом, к использованию основных положений статики, т.е. к изучению условий равновесия тела, находящегося в покое.

При этом основное внимание было направлено на определение положения общего центра тяжести (ОЦТ) тела отдельных его звеньев. С помощью разнообразных методов изучалось положение ОЦТ тела и биомеханические характеристики вертикального положения тела как в различных плоскостях, так и в различных стойках фернштейн, 1926, 1934; Бабский, Якобсон, 1954; Гурфинкель, 1961; Райцина, 1976 и др). В этих и некоторых других исследованиях ^в^щкий, 1938; Козырев, 1954; Донской, 1968, 1971) положение ОЦТ тела рассматривается также как один из важнейших признаков, дающих наиболее полное представление о строении тела человека.