Исследование кинематической схемы последовательной обтяжки оболочек двояковыпуклой формы на обтяжном прессе FEKD Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.715

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ОБТЯЖКИ ОБОЛОЧЕК ДВОЯКОВЫПУКЛОЙ ФОРМЫ НА ОБТЯЖНОМ ПРЕССЕ FEKD

© 2014 В.А. Михеев1, Ф.В. Гречников1, С.Г. Дементьев2, В.П. Самохвалов1, Д.В. Савин1, С.В. Сурудин1

1 Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) 2 ЗАО "Авиастар - СП", г. Ульяновск

Поступила в редакцию 14.11.2013

Проведено исследование кинематической схемы последовательной обтяжки оболочки двояковыпуклой формы на обтяжном прессе типа FEKD с использованием программы ANSYS/LS-DYNA. Ключевые слова: способ формообразования обтяжкой, ANSYS/LS-DYNA, оболочка двояковыпуклой формы.

Созданная в системе Solid Works сборка геометрических 3D моделей импортируется в среду ANSYS с помощью формата IGES. Построение сетки конечных элементов производится с использованием построенных поверхностей. Сгенерированная сетка конечных элементов представлена на рис. 1. Затем задается тип контакта Surfaceto Surf, Automatic (ASTS) поверхность о поверхность, например с коэффициентом трения, равным значению 0,1 между поверхностями листовой заготовки и обтяжного пуансона. Затем для всех ключевых узлов задали кинематические нагрузки в виде перемещений по координатам X (UX) и перемещение пуансона по координате Y (UY) относительно условной единицы времени расчета.

В данной работе проводили моделирование процесса формообразования обтяжкой листовой заготовки из алюминиевого сплава Д16 в программном комплексе ANSYS/LS-DYNA, прежде всего, в состоянии упругопластического тела при деформационном упрочнении. В качестве реологической модели материала для листовой заготовки была использована трехпараметрическая EPD-модель Барлата (3-Parameter Barlat Model) - модель, применяющаяся для моделирования алюминиевого листового материала с учетом анизотропии свойств в условиях плоского напряжённого состояния.

Михеев Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор. E-mail:[email protected] Гречников Федор Васильевич, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор. E-mail:[email protected] Дементьев Сергей Геннадьевич, генеральный директор. E-mail: [email protected]

Самохвалов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор. E-mail: [email protected] Савин Дмитрий Валерьевич, инженер. E-mail:[email protected]

Сурудин Сергей Викторович, инженер, аспирант. E-mail: [email protected]

Для запуска задачи на расчет в созда-

вался расчетный файл с расширением *.к, в котором прописаны геометрия, материал, созданные части пресса, граничные условия, кинематические нагрузки и т. д. В этом же файле можно вручную установить или изменить данные предварительно записанные при проектировании модели. Для анализа результатов численных экспериментов приведем следующие данные:

• «цветная палитра» значений толщины по поверхности оболочки;

• «цветная палитра» значений эффективных деформаций по поверхности оболочки;

• графики изменения эффективных деформаций и толщины по поверхности оболочки в выбранных с учетом симметрии характерных точках: Л (элемент 396760 - в окрестности «полюса» оболочки), В (элемент 401996 - в окрестности бокового свободного края в центральном поперечном сечении оболочки), С (элемент 396660 - в окрестности плоского схода листовой заготовки с формообразующего контура обтяжного пуансона) (рис. 2...7).

Для выбранной реологической модели материала необходимо было предварительно создать локальную систему координат, связанную с направлением прокатки листовой заготовки, а также с направлением касательной к формообразующему контуру оболочки, проходящей через ее «полюс» с определением локальной формы поверхности оболочки через значение и знак гауссовой кривизны, например, двояковыпуклая форма с положительной гауссовой кривизной.

При моделировании рассматривалась кинематическая схема последовательной обтяжки, связанная с разработкой такого способа, который позволил бы значительно уменьшить неравномерность деформации растяжения, как в продольном, так и в поперечном направлении листовой

Рис. 1. Построенные сетки конечных элементов на поверхности заготовки, пуансона и балансиров пресса БЕКО в ЛЖУ8/Ь8-ВУМЛ

заготовки и получить оболочку значительной двойной кривизны двояковыпуклой формы минимальной разнотолщинности. Кинематическая схема последовательной обтяжки исследовалась ранее некоторыми соавторами статьи, но без привязки к прессу типа БЕКО [2, 3].

Одним из основных требований, предъявляемых к этому способу, является раздельное осуществление этапов формообразования по последовательной схеме. Результаты моделирования приведены на рисунках 2, 3, 4, 5, 6 и 7, где индексы а) - распределение толщины по поверхности оболочки и б) - распределение эффективных деформаций по поверхности оболочки.

Было уделено внимание, прежде всего, симметричной обтяжке за счет внешней симметрии формообразующего пуансона относительно плоскостей и направлений в «полюсе» к изометрическим линиям главных кривизн поверхности оболочки. На рис. 7 графики изменения толщины и эффективной деформации «растянуты»по условному времени расчета. Согласно меткам условного времени (у.е.в. - условные единицы времени) составляют:

1. обвертка плоской заготовки на полный угол охвата ак около 90° по формообразующему контуру обтяжного пуансона за счет перемещения зажимов пресса по соответствующей программе от 0 до 0,2 у.е.в.(рис. 2а и 2б);

2. предварительная обтяжка плоской заготовки на угол 90° за счет подъема стола пресса от 0,2

до 0,3 у.е.в. (рис. 3а и 3б);

3. разгибание с разверткой поверхности оболочки за счёт перемещения зажимов пресса по соответствующей программе с угла а около 90° на угол а, например около 15°, приводящей к получению изометрической формы поверхности оболочки по отношении к форме поверхности обтяжного пуансона от 0,3 до 0,38 у.е.в. (рис. 4а и 4б);

4. последующая обтяжка оболочки изометрической формы с угла разгибания а за счет растяжения краевых свободных участков до неполного прилегания поверхности в районе «полюса» оболочки от 0,38 до 0,4 у.е.в. (рис. 5а и 5б);

5. изгибание оболочки с охватом обтяжного пуансона до полного прилегания ее поверхности к поверхности обтяжного пуансона за счёт перемещения зажимов пресса по соответствующей программе с угла аоколо 15° на угол ак около 90° от 0,4 до 0,59 у.е.в. (рис. 6а и 6б).

Была исследована кинематическая схема последовательной обтяжки в условиях симметричной обтяжки, совмещающая процессы: предварительная обтяжка плоской заготовки на полный угол охвата формообразующего контура пуансона и последующая обтяжка оболочки изометрической формы, полученной после свободного разгибания с разверткой поверхности предварительно отформованной детали до определенного угла по формообразующему контуру пуансона.

Совмещение предварительной и последующей обтяжки рассматриваемой кинематической схемы,

............

П'НЧ! .■ г£ 11 ч I _

ГНН1

• Hi.il

■ НМ1

■ Н*+Ч1

л

• 184 II й

—«I

• ПИИ.*

• Ч+» -51 _

! НН-11. ■

ГПЬС!, I ¡-н-! -: I

а) б)

Рис. 2. Обвертка плоской заготовки по обтяжному пуансону на полный угол около 90o и начало обтяжки

'"■■■■-""с

.............

щ

1ШМ,

Р»Ш5 -

..... I ,-11111,1

?ЛМ1

■ №ш£1 ' НМ1, I 4i.il

а)

5)

Рис. 3. Предварительная обтяжка плоской заготовки на угол 90° за счет подъема стола пресса

а)

ГЯН1 и ил^ши

Е -

' 1ГЫ1„1

5)

Рис. 4. Разгибание с разверткой поверхности оболочки за счёт перемещения зажимов пресса на угол около 15° для получения изометрической формы поверхности оболочки

разъединенных разгрузкой и разгибанием с разверткой, а также изгибание оболочки с охватом обтяжного пуансона до полного прилегания ее поверхности к поверхности обтяжного пуансона

обеспечивает возможность управления кинетикой «встречного» развития границ очага деформации в этих процессах и получение равномерного утонения оболочки двояковыпуклой формы.

111В1 Цгпгъ- н

Рис. 5. Последующая обтяжка оболочки изометрической формы с угла разгибания за счет растяжения краевых свободных участков детали до неполного прилегания участка

в районе «полюса» оболочки

Рис. 6. Изгибание оболочки с охватом обтяжного пуансона до полного прилегания ее поверхности к поверхности обтяжного пуансона за счёт перемещения зажимов пресса

Кинематическая схема последовательной обтяжки реализуется на прессе, оснащенном системой автоматизации на прессе типа БЕКО за счет синхронного движения левого и правого балансиров с зажимами и стола пресса с установленным на нем обтяжным пуансоном. Положение пуансона определено на столе обтяжного пресса, обеспечивающее установку листовой заготовки в зажимы балансиров пресса.

Характер изменения толщины (а) и эффективной деформации (б)оболочки в ее характерных точках А, В и С, приведенные на рис. 7 в направлении условного времени расчета по последовательной схеме указывают на полную кинематическую управляемость процессом формообразования оболочки двояковыпуклой формы минимальной разнотолщинности. В конце предварительной обтяжки при 0,3 у.е.в. получается двояковыпуклая форма оболочки с наибольшей эффективной деформацией в характерной точке А, примерно в

районе «полюса», равной значению 0,049. Это потребная деформация для получения оболочки заданной формы, которая характеризуется двойной кривизной или произведением главных кривизн Я1о и Я2о основных линий контуров поверхности, пересекающихся в «полюсе» оболочки двояковыпуклой формы. При этом их произведение определяет полную гауссову кривизну в «полюсе» оболочки двояковыпуклой формы.

Известно, что полная гауссова кривизна сохраняет свое значение при свободном положении оболочки двойной кривизны из-за своей малой жесткости, приобретая изометрическую форму поверхности по отношению к поверхности обтяжного пуансона. Изометрическая форма оболочки будет иметь другие радиусы кривизны Я'1о и Я' ,меняя местами значения максимальной и

2оо

минимальной величины и оставляя их произведение постоянной величиной [4]. Это чрезвычайно важное положение определило нам понятия о

¥бМ>йнйв ирегя ¡1а«4« Га

б)

Рис. 7. Графики изменения толщины (а) и эффективной деформации (б) оболочки в ее характерных точках, приведенные в направлении условного времени расчета

разгибании и изгибании поверхностей тонких оболочек. Эти процессы характеризуется тем, что не приводят к деформации поверхности и соответственно к утонению стенки оболочки. В результате сформировалась кинематическая схема последовательной обтяжки оболочки двояковыпуклой формы, приводящая к получению равномерного утонения стенки детали.

Предварительная обтяжка плоской листовой заготовки (рис. 3) выполняется по традиционной кинематической схеме простой обтяжки, как было на прессах типа ОП, которая характеризуется влиянием сил трения в направлении обтяжки и локализацией деформации на одном из свободных участков листовой заготовки между обтяжным пуансоном и зажимами пресса. Однако основное назначение предварительной обтяжки в рассматриваемой кинематической схеме является получение локальной двояковыпуклой формы оболочки в «полюсе» на стадии нестационарного деформирования листовой заготовки, определяемой положением и развитием границ очага пластической деформации в районе «полюса» без избыточного деформирования плоских участков

схода листовой заготовки с обтяжного пуансона. Исследования стадии нестационарного деформирования и кинематика движения границ очага пластической деформации при обтяжке оболочек двойной кривизны двояковыпуклой формы при плоском сходе листовой заготовки с обтяжного пуансона проводились ранее одним из соавторов статьи и приведены в основных его работах [5, 6]. Эффективная деформация в характерной точке С на плоском сходе листовой заготовки с обтяжного пуансона немного выше, чем в характерной точке А, и равна значению 0,059. В тоже время в характерной точке В на свободном краю в центральном поперечном сечении равна значению 0,01, что характерно для получения двояковыпуклой формы оболочки.

Последующая обтяжка изометрической формы оболочки (рис. 5) выполняется с угла разгибания за счет растяжения краевых свободных участков, т.к. участок в районе «полюса» изометрической оболочки не касается поверхности пуансона. Наблюдается центральный хлопун в виде выпуклого «пузыря», что заметно на рис. 6. Растяжение в этом положении при-

водит к постепенному формированию первоначальной двояковыпуклой формы оболочки, но процесс выполняем до неполного прилегания участка в районе «полюса» оболочки. В конце последующей обтяжки при 0,4 у.е.в. эффективно деформируются свободные края оболочки до значений в характерной точке В порядка 0,061. Неполное прилегание участка в районе «полюса» оболочки ликвидируется за счет изгибания оболочки с охватом обтяжного пуансона до полного прилегания ее поверхности к поверхности обтяжного пуансона, и вся поверхность полученной оболочки будет соответствовать поверхности обтяжного пуансона.

Отслеживая возможность восстановления геометрической формы оболочки двойной кривизны после ее предварительной обтяжки, последующая обтяжка изометрической формы оболочки и изгибание оболочки с охватом обтяжного пуансона до полного прилегания ее поверхности к поверхности обтяжного пуансона обеспечила получение более или менее равномерного утонения стенки оболочки двояковыпуклой формы. Если обратить внимание на правый край графика ( на рис. 7а - конец изгибанию оболочки с охватом обтяжного пуансона на полный угол около 90о,по оси условного времени расчета соответствует 0,59 у.е.в.), то разница значений толщины стенки оболочки в ее характерных точках А,В и С составило всего лишь около 0,01 мм, а значение разнотолщин-ности в диапазоне от 1,91мм до 1,92 мм, что хорошо укладывается в допуски, определяемые требованиями к качеству деталей обшивок. Поэтому считаем, что кинематическая управляемость процессом формообразования обтяжкой оболочек двояковыпуклой формы минимальной разнотолщинности налицо.

Статистический анализ расчетных значений толщины стенки при моделировании кинематической схемы последовательной обтяжки оболочки двояковыпуклой формы на обтяжном прессе типа FEKD проводился с помощью программных средствМш^аЬс процедурой построения диаграмм временных рядов (Time Series Plot), диаграмм распределения «6 сигма» и расчета индексов воспроизводимости. При этом были охвачены все значения толщин по конечным элементам рабочей поверхности оболочки в качестве детали обшивки ЛА. Число конечных элементов, полученных при сгенерировании сетки на рабочей поверхности оболочки составило более 50110. Кроме того для построения диаграмм в программном продукте Minitab использовалась процедура анализа воспроизводимости для нормального воспроизведения (Capability Analysis Normal). При построении

задавались допуском на толщину детали ± 0,1мм. Анализ гистограммы позволил сделать выводы о состоянии процесса утонения в том или ином численном эксперименте.

Гистограмма полностью входит в интервал контрольных нормативов, ширина нормы в 5-6 раз больше стандартного отклонения £ ,среднее значение толщины стенки оболочки находится посередине между контрольными нормативами. Это указывает на устойчивую воспроизводимость расчетов при моделировании кинематической схемы последовательной обтяжки оболочки двояковыпуклой формы на обтяжном прессе типа БЕКО. Расчетная модель при оптимизации кинематической схемы последовательной обтяжки базируется на изометрических особенностях поверхности оболочки двояковыпуклой формы, связана с определенной степенью вероятности приближения расчетной толщины стенки в характерных точках поверхности оболочки к статистически среднему значению и, кроме того, позволяет подготовить управляющую программу для ЧПУ обтяжного пресса типа БЕКО.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Совершенствование процессов формообразования обтяжкой оболочек двойной кривизны / В.А. Михеев, А.Ф. Гречникова, А.А. Кузина// Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. №4 (42). С. 217-224.

2. Моделирование последовательной схемы формообразования обтяжкой обводообразующих оболочек двойной кривизны минимальной разнотолщиннос-ти / В.А. Михеев, Ю.С. Клочков, А.А. Кузина, А.Ф. Гречникова, Д.В. Савин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 6-1. С. 260-267.

3. Выбор кинематической схемы формообразования обтяжкой обводообразующих оболочек сложной пространственной формы / В. А. Михеев, Ю.С. Клочков, А. А. Кузина, А.Ф. Гречникова, Д.В. Савин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 6-1. С. 253-260.

4. Михеев В.А., Щуровский Д.В. Аналитическое представление поверхности оболочковой детали в векторном пространстве для расчета технологических параметров процесса обтяжки // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2006. №1 (19). С. 14-21.

5. Михеев В.А. Направленное изменение толщины заготовки при формообразовании обтяжкой обводооб-разующих оболочек двойной кривизны // Труды международной научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2003. С. 192-198.

6. Оптимальные деформации при формообразовании

оболочек двойной кривизны обтяжкой / Ф.В. Греч ников,В.А. Михеев, Д.В. Щуровский // Заготови

тельные производства в машиностроении. 2004. №7. С. 23-27.

RESEARCH OF KINEMATICS SCHEME SERIAL OF SHELLS STRETCHFORMING DOUBLE-CONVEX FORM ON STRETCHFORMING PRESS FEKD

© 2014 V.A. Miheev1, F.V. Grechnikov1, S.G. Dementyev2, V.P. Samohvalov1, D.V. Savin1, S.V. Surudin1

1 Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University) 2 "Aviastar-SP", Ulyanovsk

Research of the kinematic scheme of consecutive stretchforming of shells double-convex form on the press FEKD with using the ANSYS /LS-DYNA.

Key words: shapingstretch forming, ANSYS/LS-DYNA, shells double-convex form.

Vladimir Miheev, Doctor of Technics, Professor. E-mail: [email protected]

Fyodor Grechnkov, member-correspondent of RAS, Doctor of

Technics, Professor: E-mail: [email protected]

Sergey Dementyev, General Manager.

E mail: d002a@aviastar sp.ru

Vladimir Samohvalov, Doctor of Technics, Professor.

E-mail: [email protected]

Dmitriy Savin, Engineer. E-mail: [email protected]

Sergey Surudin, Engineer, Graduate Student.

E-mail: [email protected]