CC BY
91
УДК 621.774
A.В. Козлов, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, (3513) 63-43-78, kozlov@zb-susu.ru (Россия, Златоуст, филиал ЮУрГУ),
B.Г. Шеркунов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (351) 267-92-24, mitomd@susu.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИБКИ ТРУБ С РАСКАТЫВАНИЕМ
Рассмотрены результаты компьютерного моделирования процесса холодной гибки труб с раскатыванием. Получены графические изображения полей напряжений и деформаций и их количественные оценки. Приведены результаты экспериментальных исследований распределения напряжений.
Ключевые слова: гибка труб, распределение напряжений, компьютерное моделирование, раскатывание.
При гибке труб разработанным в ЮУрГУ методом с дополнительным воздействием на изгибаемую трубу вращающимся раскатником (рис. 1) [1, 2] возникает достаточно сложная картина распределения напряжений и деформаций в различных участках изгибаемой трубы.
Рис. 1. Схема гибки труб с раскатыванием
В связи с этим представляется достаточно важным осуществить компьютерное моделирование процесса гибки, выполнить анализ напряженно-деформированного состояния и оценить напряжения и деформации, имеющие место в стенках изгибаемой трубы, как в очаге деформации, так и за его пределами. Моделирование выполнено с использованием лицензионного комплекта MSC.Mars для условий, экспериментально реализованных на опытно-промышленной установке для гибки труб с раскатыванием. Это в итоге позволило выполнить сравнение полученных теоретических и опытных данных.
Моделирование осуществлено для следующих исходных данных:
- диаметр трубы 60 мм;
- толщина, стенки трубы 3,5 мм;
- материал трубы сталь 10;
- радиус гиба - 100 мм;
- угол гиба 0...45°;
- диаметр раскатных шариков 16 мм;
- количество раскатных шариков 3;
- натяг (обжатие) 1 мм;
- частота вращения раскатника 500 об/мин;
- скорость подачи 0,1 мм/об.
Результаты моделирования позволили получить графические изображения полей напряжений и деформаций и их количественные оценки. На основании анализа сделан ряд выводов и заключений.
В деформируемой трубе возникает достаточно сложное и неоднородное по сечению напряженно-деформированное состояние. В верхней части заготовки преобладают растягивающие тангенциальные и продольные напряжения, а в нижней - сжимающие.
Радиальные напряжения (рис. 2) носят циклический характер и зависят от положения деформирующих элементов. Поскольку в качестве последних используются шарики, то и площадь контакта заготовки и инструмента локализируется в небольшое пятно, постоянно перемещающееся по внутренней поверхности трубы со скоростью, определяемой частотой вращения раскатника. При этом в месте контакта возникают сжимающие радиальные напряжения, а в стенках трубы, где контакта нет, появляются растягивающие напряжения. Таким образом, в радиальном направлении металл подвергается чередующимся сжимающим и растягивающим напряжениям.
шс: 45Ы1
Time: 5.078е+000
Angle: 0.000е+000
Icasel
Comp 11 of Stress iCylindrical! [Wmm21
Рис. 2. Радиальные напряжения (продольное сечение)
Также можно предположить, что в этом случае при описании реологического поведения деформируемой среды следует учитывать эффект Баушингера. Характерной особенностью процесса является наличие протяженной зоны внеконтактной деформации. Этот факт объясняется тем, что, помимо локального воздействия на стенки трубы со стороны деформирующих элементов, происходит и продольный изгиб трубы на гибочный ролик, приводящий к тому, что толщина наружной (относительно гибочного ролика) стенки трубы существенно уменьшается, а у прилегающей к ролику стенки толщина увеличивается. При этом, если судить по общей интенсивности деформации, наружные слои трубы испытывают существенно (в несколько раз) превосходящую деформацию по сравнению со слоями, прилегающими к гибочному ролику.
Был выполнен более подробный анализ результатов компьютерного моделирования радиальных напряжений.
Определим площади участков изгибаемой трубы, оказывающих незначительное сопротивление изгибу. По графику распределения (рис. 3) радиальных напряжений общая площадь сечения трубы составляет около
2200...2300мм2.
Рис. 3. Распределение радиальных напряжений (поперечное сечение - различные положения раскатного инструмента)
Выделим отдельно участки, находящиеся в напряженном состоянии близком к пределу текучести (рис. 4), т. е. не оказывающие сопротивление изгибу. По расчетам, они составляют 810...850 мм , а это около 35...40 % от общей площади сечения. Примерно 20 % площади сечения также находится в частично напряженном состоянии - до 50 от предела текучести. Таким образом, расчетное сопротивление изгибу не превышает половины площади поперечного сечения трубы.
Представляется интересным сравнить результаты моделирования с данными натурного эксперимента.
Рис. 4. Расчет площадей поперечного сечения, не оказывающего сопротивления изгибу
Выполнена экспериментальная проверка характера распределения напряжений с использованием поляризационно-оптического метода. В качестве материала для изготовления кольцевых образцов была взята оптически активная эпоксидная смола ЭД-6, отверженная фталевым отвердите-лем и пластифицированная дибутилфталатом (температура размягчения от 3 до 5 °С).
В опытах был использован специальный проекционный аппарат (рис. 5), состоящий из источника света 5, поляризатора 4, раскатника с исследуемым образцом 3, анализатора 2 и рукоятки для настройки 1.
Рис. 5. Универсальный проекционный аппарат, применяемый для исследований поляризационно-оптическим методом
Раскатник помещался в образец без соприкосновения с деформирующими элементами. Затем перемещением деформирующих элементов осуществлялось нагружение образца различными силами. По мере увеличения деформаций и напряжений происходит изменение цвета образца на
экране полярископа. Из рис. 6 видно, каким образом распределяются поля напряжений при увеличении нагрузки.
Рис. 6. Нагружение кольцевого образца различными по величине силами
Анализируя фотографии образцов, можно сделать вывод об очевидно сходном характере распределения напряжений по сечению образцов с данными, полученными в ходе компьютерного моделирования.
Выделяя участки с наибольшими напряжениями и рассчитывая их площадь, можно определить, какую часть поперечного сечения они составляют (рис. 7).
Рис. 7. Определение площадей нагруженных участков поперечного сечения кольцевого образца
Общая площадь сечения трубы 4500 мм . Площади участков, не
оказывающих сопротивление, обозначены на рис. 7 темным цветом и со-
22 ставляют от 900 мм у первого образца до 1100 мм у второго, т.е.
19.. .25 % от общей площади.
Площадь участков, оказывающих частичное сопротивление, обозначенных на рис. 7 штриховкой (будем приближенно считать, что 1/2 этой
площади также не оказывает сопротивления), составляет от 1100 мм2 у первого образца до 1600 мм у второго, т.е. 25...36 % от общей площади поперечного сечения образца.
Итого общая площадь участков, не оказывающих сопротивление, от 1500 до 1900 мм2, что составляет 33.43 % .
Следует учесть, что с ростом радиальных сил площадь образцов, оказывающая сопротивление, уменьшается, а характер расположения и форма этих участков сходны с полученными в ходе компьютерного расчета.
Результаты компьютерного моделирования вполне соответствуют приведенным ранее в ряде работ [2, 3] выводам о том, что при воздействии на изгибаемую трубу вращающимся раскатником лишь часть поперечного сечения трубы оказывает сопротивление изгибу. В частности, отмечалось, что, по самым минимальным оценкам, она составляет не более половины всей площади поперечного сечения.
Полное исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего в очаге деформации предлагаемого процесса гибки трубы, сопряжено с определенными техническими трудностями, связанными с большими затратами машинного времени. На реализацию настоящей задачи было потрачено более 200 часов машинного времени ЭВМ. По нашему мнению, для решения тех задач, которые поставлены в настоящей работе, необходимо использовать разработанную и описанную в [2, 3] инженерную математическую модель, которая с минимальными затратами, но с приемлемой для практического использования точностью позволила бы определить основные технологические параметра процесса гибки.
Список литературы
1. Пат. 818707 РФ. МКИ В 21 D 9/14. Способ гибки труб /
С. Г. Лакирев, Я. М. Хилькевич; № 2713945/25; опубл. 07.04.81;
Бюл. № 13.
2. Козлов А. В., Хилькевич Я. М. Оценка натягов и усилий при гибке труб с раскатыванием // Вестник ЮУрГУ. Сер. Машиностроение. 2004. № 5 (34).
3. Козлов А. В., Шеркунов В. Г., Хилькевич Я. М. Опыт гибки тонкостенных труб в холодном состоянии // Технология машиностроения. 2008. № 10.
A. Kozlov, V. Sherkunov
Simulating the process of tube bending under expanding
The paper introduces the results of simulating the process of cold tube bending by expanding. The stress field curves and deformation graphs have been constructed and analyzed. Stress distribution has been investigated experimentally.
Получено 07.04.09
