Научная статья на тему 'КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ'

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
30
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КАРТИНА ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА / ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС / КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИЕМ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Соломонов Константин Николаевич, Тищук Людмила Ивановна

Представлены алгоритм построения картины течения металла и результаты компьютерного моделирования формоизменения металла в процессах пластической деформации с помощью разработанного на его основе вычислительного комплекса, который может служить продуктивным инструментом для экспресс-анализа формообразования поковок, в том числе многоконтурных. Эффективность вычислительного комплекса подтверждена возможностью его использования для моделирования деформационных процессов обработки металлов давлением, предполагающих применение технологических приемов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Соломонов Константин Николаевич, Тищук Людмила Ивановна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

COMPUTER SIMULATION OF THE DOWNLOAD PROCESS USING TECHNOLOGICAL TECHNIQUES

An algorithm for constructing a metal flow pattern and the results of computer simulation of metal shaping in plastic deformation processes using a computer system developed on its basis, which can serve as a productive tool for express analysis of the shaping of forgings, including multi-loop forgings, are presented. The efficiency of the computer complex is confirmed by the possibility of its use for modeling deformation processes of metal working by pressure, involving the use of technological methods.

Текст научной работы на тему «КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ»

ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.73

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-492-497

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ

К.Н. Соломонов, Л.И. Тищук

Представлены алгоритм построения картины течения металла и результаты компьютерного моделирования формоизменения металла в процессах пластической деформации с помощью разработанного на его основе вычислительного комплекса, который может служить продуктивным инструментом для экспресс-анализа формообразования поковок, в том числе многоконтурных. Эффективность вычислительного комплекса подтверждена возможностью его использования для моделирования деформационных процессов обработки металлов давлением, предполагающих применение технологических приемов.

Ключевые слова: картина течения металла, вычислительный комплекс, компьютерное моделирование, технологический прием.

В машиностроении, в том числе, ориентированном на создание летательных аппаратов, значительную долю составляют дорогостоящие поковки, получаемые из плоских заготовок на гидравлических прессах большой мощности. Ошибки проектирования технологии и инструмента при изготовлении таких поковок объясняются сложностью выбора формы заготовки и конфигурации штампового инструмента. В связи с недостаточной изученностью и в отдельных случаях необходимостью экспресс-анализа указанных процессов требуется создание методик, позволяющих моделировать процессы формообразования поковок различного назначения. Учитывая современные возможности и тенденции развития средств вычислительной техники и программных продуктов, такие методики базируются, как правило, на использовании вычислительных комплексов, позволяющих продуктивно применять компьютерное моделирование в различных формах.

Для компьютерного моделирования пластического формоизменения материалов на большинстве металлургических и машиностроительных предприятий в различных странах мира используются, в основном, программные комплексы, базирующиеся на методе конечных элементов, которые, как правило, отличает высокая степень универсальности: возможность моделирования широкого ассортимента процессов пластического формоизменения, учет большого количества физических параметров (температура, реология, структура металла и прочее). Побочным эффектом такой универсальности можно считать некоторые ограничительные особенности их использования: довольно высокие требования к характеристикам компьютерной техники; значительное время расчета и графического отображения на экране монитора результатов компьютерного моделирования; громоздкость и, как следствие, низкую скорость формирования файла входных данных; существенные затраты на освоение.

В связи с этим целесообразно создание менее сложных методик и на их базе компьютерных программ для моделирования процессов изготовления поковок, ориентированных на решение частных проблем, охватывающих менее широкий класс задач. К таким относятся процессы объемной штамповки и ковки из плоских заготовок, в ходе которых формообразование поковки происходит за счет течения металла по ее полотну, что характеризуется деформационной схемой осадки.

1. Положения для алгоритма моделирования картины течения металла. Эти подходы использованы при создании алгоритма моделирования картины течения металла в процессах изготовления поковок из плоских заготовок, в основе которого лежат упрощения исходной системы дифференциальных уравнений, благодаря чему она сведена к аналитическим зависимостям, обобщенным в «эквидистантную теорию» (экви-теорию) [1]. Эта теория дает возможность решить задачу описания пластического течения металла по жестким поверхностям в графическом виде. Вследствие чего разработанный вычислительный комплекс лишен вышеуказанных побочных эффектов универсальных вычислительных комплексов: прост в освоении и использовании, обладает высокой скоростью расчетов и представления результатов в графическом виде, требует минимальных параметров компьютерной техники и традиционного программного обеспечения.

В основу разработанного алгоритма заложены положения, базирующиеся на трех известных принципах (наименьшего сопротивления, кратчайшей нормали и наименьшего периметра [2]) течения металла при осадке. В соответствии с этими принципами можно утверждать:

1) картина течения металла по полотну поковки представляет собой совокупность линий раздела течения металла и линий тока;

2) линия раздела течения металла представляет собой прямую, вдоль которой скорости перемещения частиц металла равны нулю, благодаря чему она является геометрическим местом точек, равноудаленных от контура заготовки, т.е. эквидистантой;

3) кинематическая схема течения металла выбирается исходя из следующих условий: линии тока направлены ортогонально контуру заготовки при трении, близком к максимально допустимому, и радиально - при отсутствии трения; во всех других, кроме вышеуказанных предельных случаев, пластическое течение по плоскости контакта инструмента и заготовки происходит в соответствии с некоторой «промежуточной» кинематической схемой течения металла.

Зная картину течения металла, можно прогнозировать распределение потоков металла по плоскости контакта в условиях пластической деформации.

В статье [1] описан алгоритм построения линии раздела течения металла для одноконтурных поковок, которые в машиностроении используются нечасто, подавляющее большинство поковок - многоконтурные. В связи с этим для приближения модели к описанию реальных процессов целесообразно уточнение алгоритма, ядро которого составляет блок построения эквидистантных точек (эквиточек), и распространение его на моделирование формообразования многоконтурных поковок.

2. Основные соотношения полученного алгоритма. Особенности методики и алгоритма для компьютерного моделирования картины течения металла изложены ниже. Все контуры поковки аппроксимируются простыми линиями: прямыми и дугами окружностей. В основу алгоритма положена нормальная кинематическая схема течения металла, обеспечивающая направление линий тока ортогонально контуру заготовки, благодаря чему линии раздела течения металла можно считать эквидистантами контуров заготовки.

Важным моментом является корректировка исходных данных, которая вызвана необходимостью устранения неопределенности при построении «неудобных» участков линии раздела течения металла.

Если фрагмент контура прямая линия, координаты узловой точки (х; у) определяются из соотношений

х = х0 -sign(x0 -хр)- 5, у = у(х - хр)+ур,

Уо-Ур ,

где у = —— тангенс угла наклона предыдущего фрагмента; х0,у0 — координаты начала рас-

х0~хр

сматриваемого фрагмента; хр,ур — координаты начала предыдущего фрагмента; 5 — точность вычислений.

Если фрагмент контура дуга окружности, координаты (х; у) смещенной точки вычисляются по соотношениям

х = хс +R cos (f, у = ус +R sin где хс,ус — координаты центра окружности, R - радиус окружности;

£ = arccos (cos у —sign(cos y)-sign(x0 -хр)- z ■ 5), £ 6 [0; 2л), у = arctg^"_^c, у е[0; 2л).

Если фрагмент контура дуга окружности, в крайних точках которой производная стремится к бесконечности, заменяем данную окружность другой, у которой радиус больше на величину 5.

Производная в точке вычисляется соответственно

для прямой

у _ Ук-Уо .

для окружности

' Х.-Хг

У = ——,

У1~Ус

где хк,ук — координаты конца рассматриваемого фрагмента; Х(,У( — координаты текущей точки контура.

Величина шага угла наклона псевдокасательной в рассматриваемой узловой точке определяется соотношением

Дф - 2Н

где к — величина заданного максимального шага разбивки контура.

Длина линии тока для фрагмента, являющегося прямой, вычисляется по формуле

(Х1-Хк)сОБ Yu + (Уi-Уfc)siпу„

d =

1-соз(у£-уи)

где уг — направление перпендикуляра к касательной в рассматриваемой точке контура;

уи —направление перпендикуляра к рассматриваемому фрагменту.

Если d< 0, то потенциальной эквиточки для этого фрагмента нет.

Длина линии тока для фрагмента, являющегося окружностью, вычисляется по формуле

(Х1-ХС)2+(У1-УС)2-Й2

2(й-(х£-хс)созу£-(у£-ус)зт у£)"

Если d< 0, то потенциальная эквиточка находится внутри рассматриваемой окружности, если d> 0, то - вне ее.

Затем дополнительно проверяется, находится ли эквиточка внутри рабочего сектора, образованного радиусами, проведенными в начальную и конечную точки фрагмента.

Чтобы исключить ненужные эквиточки, выполняется проверка условия

тт( х0,хк)<хи <тах(х0,хк).

Если в результате описанных действий выясняется, что потенциальной эквиточки для этого фрагмента нет, то необходимо проверить краевые точки фрагмента.

Если в краевой точке рабочий угол является развернутым, то длина линии тока вычисляется по формуле

__(*1-*д)2+(У1~Уд)2

2(Х1~хч)соз у£+2(у£-у?)зт у/

где Хд.уд — координаты краевой точки рассматриваемого фрагмента.

Дополнительно проверяется, находится ли потенциальная эквиточка в рабочей зоне ячейки, образованной перпендикулярами к касательным фрагментов, сходящихся в рассматриваемой узловой точке. Если оказывается, что всем условиям удовлетворяют потенциальные эквиточки от обоих краев фрагмента, то в качестве потенциальной эквиточки принимается та из них, для которой й будет наименьшим.

Если найдена потенциальная эквиточка для рассматриваемого фрагмента, тогда сравниваем длину линии тока с минимальной длиной линий тока всех предшествующих фрагментов всех контуров рассматриваемой ячейки. Если эта длина меньше минимальной, то минимальной назначается именно она. После того, как выполнены расчеты для всех фрагментов всех контуров рассматриваемой ячейки, эквиточкой назначается потенциальная эквиточка, для которой длина линии тока оказалась минимальной.

3. Апробация разработанного вычислительного комплекса. На основании описанного алгоритма разработан вычислительный комплекс EQUI, позволяющий моделировать картину течения металла по плоскости контакта инструмента и заготовки для тех поковок, при изготовлении которых реализуется деформационная схема осадки.

Для апробации вычислительного комплекса EQUI на модульных задачах было проведено компьютерное моделирование картины течения металла при осадке плоских заготовок, границы которых в плане представляют собой многосвязные контуры, а именно, слева на рис. 1 -круг с круглым вырезом, справа - квадрат с круглым вырезом.

Как следует из результатов компьютерного моделирования, можно предполагать, что формоизменение заготовки в форме круга (рис. 1, слева) в значительной степени определяется наличием круглого выреза, который в ходе осадки будет уменьшаться в размерах, пока окончательно не «захлопнется». При этом заготовка будет деформироваться неравномерно. Анализ картины течения металла (рис. 1, справа) для заготовки в форме квадрата с круглым

нецентральным вырезом, в частности, показывает, что наиболее интенсивного течения металла следует ожидать в центральных зонах, а наименьшего - в угловых точках. Приведенные оценочные суждения позволяют с допустимой точностью провести экспресс-анализ формообразования поковки.

Рис. 1. Картина течения металла для модульных задач

В дальнейшем для приближения модели процесса деформирования к реальному предполагается введение в расчетный алгоритм поправочных коэффициентов, учитывающих трение и сопротивление истечению металла в различные полости.

4. Оценка эффективности методики и вычислительного комплекса. Для оценки эффективности вычислительного комплекса применительно к реальным поковкам выполнено компьютерное моделирование картины течения металла для одной из серийных сложноконтурных поковок, которая схематично представлена на рис. 2. Сравнение результатов с полученными с помощью разработанного ранее [3] вычислительного комплекса PARSHTAMP показывает практически полное совпадение (см. на рис. 2, правую и нижнюю части поковки) формы и расположения эквидистантных прямых, являющихся имитацией линий раздела течения металла.

Рис. 2. Результаты моделирования на двух вычислительных комплексах

С целью демонстрации возможностей представленного вычислительного комплекса EQUI, в двух ячейках (см. на рис. 2, левую и верхнюю части поковки) добавлены вырезы: два круглых и четырехугольный. Такие технологические вырезы, как известно, служат эффективным инструментом для управления формоизменением заготовки в плоскости контакта с инструментом, направляя потоки металла таким образом, чтобы формообразование поковки происходило более равномерно. Визуальное сравнение результатов, полученных с помощью указанных вычислительных комплексов, позволяет в этом убедиться.

Между прочим, стоит отметить, что благодаря существенной модификации вычислительного комплекса PARSHTAMP усовершенствованный вычислительный комплекс EQUI обеспечивает возможность построения картины течения металла, - а не только линии раздела течения металла, причем во всех ячейках поковки одновременно, что повышает достоверность оценки результатов компьютерного моделирования.

В связи с тем, что остается ряд недостаточно изученных вопросов, требующих повышенного внимания в плане анализа влияния на результаты представленных разработок, следует учитывать исследования, касающиеся решения похожих проблем в процессах пластической деформации (в частности, в области прокатки) и смежных областях, в том числе в металловедческой сфере [4-14], чтобы моделирование напряженно-деформированного состояния металла было максимально приближено к действительному.

Результаты и выводы:

1. На основе положений, вытекающих из известных принципов формоизменения металла в процессах пластической деформации, разработаны алгоритм и вычислительный комплекс EQUI, который может служить продуктивным инструментом для экспресс-анализа картины течения металла при осадке плоских заготовок.

2. Апробация разработанного вычислительного комплекса на модульных задачах показала возможность компьютерного моделирования с его помощью картины течения металла при формообразовании многоконтурных поковок.

3. Эффективность вычислительного комплекса EQUI подтверждается возможностью его использования для моделирования деформационных процессов обработки металлов давлением, предполагающих применение технологических приемов.

Список литературы

1. Соломонов К.Н., Федоринин Н.И., Тищук Л.И. Методика построения линии раздела течения металла в процессах осадки плоских заготовок // Вестник научно-технического развития. 2016. № 2. С. 36-55.

2. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971.

3. Соломонов К.Н., Костарев И.В., Абашкин В.П. Моделирование процессов объемной штамповки и ковки плоских заготовок. М.: Изд. дом МИСиС, 2008.

4. Polyakov A.V., Mazur I.P. Research on the Effect of Reduction Distribution in Universal Stands on the Process of Metal Transition from Sides to the Center Line of Transfer Bar // Materials Science and Engineering: Conf. Series. 2019. V. 718. 012014.

5. Мазур И.П., Ситников В.О., Шопин И.И. Повышение востребованности специалистов-металлургов для бизнеса: совершенствование образовательной программы // Черные металлы. 2020. № 8. С. 34-39.

6. Мазур И.П., Бобков Е.Б., Соловьев В.Н. Технология и производство листового проката. Взгляд на устремления и тенденции // Черные металлы. 2021. № 10. С. 4-12.

7. Gorbatyuk S.M., Morozova I.G., Naumova M.G. Color mark formation on a metal surface by a highly concentrated energy source // Metallurgist. 2016. V. 60. No. 5-6. P. 646-650.

8. Zakharov A.N., Gorbatyuk S.M., Borisevich V.G. Modernizing a press for making refractories // Metallurgist. 2008. V. 52. No. 7-8. P. 420-423.

9. Bast J., Gorbatyuk S.M., Kryukov I.Yu. Study of the temperature fields in the mold of a horizontal continuous caster // Metallurgist. 2011. V. 55. No. 3-4. P. 163-166.

10. Glukhov L.M., Gorbatyuk S.M., Morozova I.G. Effective laser technology for making metal products and tools // Metallurgist. 2016. V. 60. No. 3-4. P. 306-312.

11. Tarasov Yu.S., Radyuk A.G., Gorbatyuk S.M. Effect of the thermal insulation of the inner wall on the thermal condition of the air tuyeres of blast furnaces // Metallurgist. 2018. V. 61. No. 9-10. P. 745-750.

12. Gorbatyuk S.M., Morozova I.G., Naumova M.G. Development of the working model of production reindustrialization of die steel heat treatment // Izvestia. Ferrous Metallurgy. 2017. V. 60. No. 5. P. 410-415.

13. Artiukh V.G., Karlushin S.Yu., Sorochan E.N. Peculiarities of mechanical characteristics of contemporary polyurethane elastomers// Procedia Engineering. 2015. No. 117. P. 938-944.

14. Artiukh V., Raimberdiyev T., Mazur V. Use of CAE-systems at evaluation of shock absorbers for metallurgical equipment // MATEC Web of Conferencesю 2016. V. 53. 01039.

Соломонов Константин Николаевич, д-р техн. наук, профессор, konssol@list.ru, Россия, Воронеж, Филиал Ростовского государственного университета путей сообщения в г. Воронеж,

Тищук Людмила Ивановна, канд. техн. наук, доцент, liudmila.tishchuk@mail.ru, Россия, Воронеж, Филиал Ростовского государственного университета путей сообщения в г. Воронеж

COMPUTER SIMULATION OF THE DOWNLOAD PROCESS USING TECHNOLOGICAL TECHNIQUES

K.N. Solomonov, L.I. Tishchuk

An algorithm for constructing a metal flow pattern and the results of computer simulation of metal shaping in plastic deformation processes using a computer system developed on its basis, which can serve as a productive tool for express analysis of the shaping of forgings, including multi-loop forgings, are presented. The efficiency of the computer complex is confirmed by the possibility of its use for modeling deformation processes of metal working by pressure, involving the use of technological methods.

Key words: metal flow pattern, computer system, computer simulation, technological method.

Solomonov Konstantin Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, konssol@list.ru, Russia, Voronezh, Branch of the Rostov State University of Railway Transport in Voronezh,

Tishchuk Lyudmila Ivanovna, candidate of technical sciences, docent, liudmila. tish-chuk@mail.ru, Russia, Voronezh, Branch of Rostov State Transport University in Voronezh

УДК 621.983:539.374

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-497-500

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

К РАСЧЕТУ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ РАЗДАЧЕ В УСЛОВИЯХ ВЯЗКОПЛАСТИЧНОСТИ

В.И. Платонов

Предложены аналитические зависимости для расчета кинематики, напряжений и силы процесса раздачи пустотелой осесимметричной заготовки с нагревом. Материал заготовки при деформировании принят анизотропным, вязко-пластичным. Схема напряжений -плоская. Использованы уравнение равновесия и условие текучести. Приведены расчетные данные.

Ключевые слова: анизотропия, вязко-пластичность, скорость, деформации, напряжения, сила.

Процесс раздачи связан с увеличением диаметра пустотелой осесимметричной заготовки и широко применяется в машиностроении при обработке металлов давлением [1]. Заготовки из высокопрочных материалов обрабатывают с нагревом при регламентированных скоростях деформирования. Деформируемый материал вязко-пластичен, т.к. деформационное упрочнение сопровождается разупрочнением (релаксацией напряжений) в связи с кратковременной ползучестью. Технологические режимы раздачи зависят от температурно-скоростных условий и анизотропии механических свойств деформируемого материала [2, 3]. Рассмотрим процесс раздачи с учетом этих факторов (рис. 1).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.