CC BY
39
УДК 621.7.043
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
© А.Ю. Малащенко1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены основные этапы технологического процесса изготовления гибридных листовых деталей. Приведены основные механизмы деформаций, возникающие при формовке препрегов. Проведен анализ существующих подходов к моделированию композиционных материалов. Приведены результаты моделирования процессов вытяжки листового металла и формовки препрега на базе моделей материалов из библиотеки программы LS-DYNA. Сформулированы требования к модели материала для конечно-элементного моделирования формовки препрега.
Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: композиционный материал; препрег; формовка; конечно -элементное моделирование; гибридная листовая деталь.
FINITE ELEMENT SIMULATION OF HYBRID SHEET PART PRODUCTION A. Yu. Malaschenko
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper treats the main stages of the technological process of hybrid sheet part manufacturing. It discusses the basic mechanisms of deformations occurring in pre-preg molding; analyzes existing approaches to composite material modeling; presents simulation results of sheet metal drawing and pre-preg molding based on material models from the library of LS-DYNA program. The requirements for the material model for finite element modeling of pre-preg molding are formulated.
6 figures. 1 table. 2 sources.
Key words: composite material; pre-preg (pre-impregnated material); molding; finite element modeling; hybrid sheet part.
Гибридные листовые детали представляют собой жесткое соединение листового металла и композиционного материала (рис. 1). Их преимуществами по сравнению с деталями из металлического листа являются повышенные трещиностойкость и прочность, меньший вес, стойкость к ударам и коррозии. Одним из методов изготовления данных деталей является вытяжка листового металла на прессе с одновременной формовкой препрега композиционного материала, последующим нагревом инструментов, расплавлением и консолидацией связующего. Во время штамповки могут возникать различные дефекты формы (складки, замятия) как в листовом металле, так и в композиционном текстиле, оказывающие значительное влияние на механические характеристики конечного изделия. Для достижения требуемого качества деталей необходимо проведение большого объема опытных работ. Поэтому для сокращения затрат актуальной является разработка методики конечно-элементного моделирования данного процесса.
Первым этапом технологического процесса изготовления гибридных листовых деталей является определение геометрической формы детали и автоматизированное генерирование контура раскроя пре-прега и листового металла с помощью ОДР-программ [2].
Рис. 1. Опытный образец гибридной листовой детали
Изготовление многослойной заготовки композиционного материала производится в центре предварительной формовки (рис. 2), где осуществляется автоматизированная раскатка рулонного препрега, его фиксация с помощью вакуумных присосок и вырез по контуру плазменным резаком. Затем первая заготовка переносится системой приводов на нераскроенный участок текстиля с учетом углового положения волокон, вырезается второй слой и производится точечная ультразвуковая сварка слоев. Цикл повторяется до получения заготовки с необходимым количеством слоев композиционного текстиля. Во время процесса
1Малащенко Александр Юрьевич, аспирант кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: 89086568030, email: mlk17@mail.ru
Malaschenko Alexander, Postgraduate of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: 89086568030, e-mail: mlk17@mail.ru
предварительной формовки производится процесс непрерывного контроля качества с помощью системы технического зрения. Привод системы перемещения и раскроя заготовки выполнен в виде гексапода.
В данной работе использовался препрег из гибридной сетки, состоящей из армирующих и термопластовых волокон. При нагреве термопластовые волокна расплавляются и заполняют пространство между армирующими волокнами. Для удешевления отработки технологии в качестве материала армирующих волокон было выбрано стекловолокно, а в качестве связующего - полипропилен. Материал производится фирмой TWINTEX в виде рулонов. В дальнейшем возможно также применение волокон углепластика или арамида.
Рис. 2. Центр предварительной формовки [2]
Заготовки листового металла и композиционного материала устанавливаются в пресс с системами нагрева/охлаждения инструментов (рис. 3). Установка заготовок может осуществляться с помощью робота -манипулятора со специальным захватом. Контроль качества установки производится системой технического зрения. Производится штамповка, после чего включается электронагрев инструментов, связующее расплавляется и заполняет пространство между армирующими волокнами. После полного расплавления связующего осуществляется жидкостное охлаждение инструментов и консолидация связующего, в процессе которого происходит жесткое соединение металла и композиционного материала.
В процессе формовки на прессе могут возникать искажения в плетении композиционного текстиля и складки листового металла, что приводит к ухудшению свойств конечной детали (таблица).
Рис. 3. Пресс с системами нагрева и охлаждения инструментов
Особенности плетения текстиля обуславливают его нелинейные механические характеристики, предъявляющие нетривиальные требования к модели материала. Важнейшим параметром при конечно-элементном моделировании формовки препрега является сопротивление сдвигу в плоскости текстиля, так как у данных материалов его значение очень мало.
Для полноценного конечно-элементного моделирования процесса механические характеристики пре-прега должны быть точно определены в испытаниях на растяжение, сдвиг, изгиб и трение. Испытания композиционных текстилей на сдвиг производятся с помощью приспособления, показанного на рис. 4.
|г
•• ^
• •
/
• •
Рис. 4. Приспособления для определения сдвиговых характеристик композиционного текстиля [2]
Для моделирования использовалась многоцелевая программа конечно-элементного анализа 1_Б-ОУЫЛ, специально созданная для моделирования высокодинамичных процессов, к которым относится листовая штамповка.
Основные виды макроскопических деформаций текстиля [1]
Растяжение
Вытягивание волокон
Сдвиг
Изгиб
Для моделирования свойств листового металла была применена модель анизотропного материала МАТ122 из базовой библиотеки ЬБ-ОУМД, позволяющая учитывать нелинейность механических характеристик при растяжении. При моделировании вытяжки листового металла была применена функция автоматической адаптации сетки, которая измельчает конечные элементы в критичных местах для улучшения точности расчета.
Первоначальные результаты моделирования показали, что при штамповке возникает большое количество складок металла в зоне продольного перегиба профиля детали (рис. 5).
Рис. 5. Результаты моделирования вытяжки листового металла
Для устранения складок была скорректирована геометрия модели прижима и сила его воздействия на заготовку. В результате моделирования были получены допустимые искажения в зонах продольного перегиба. Корректность модели была подтверждена опытным испытанием.
Существует множество различных подходов к моделированию композиционных материалов, начиная от использования материалов базовой библиотеки LS-DYNA и заканчивая созданием собственных моделей материалов в виде подпрограмм. Из базовой библиотеки для моделирования композиционных материалов могут быть использованы следующие материалы [1]:
• MAT002 Orthotrophic Elastic (для анизотропных материалов);
• MAT034 Fabric (для ортотропных материалов);
• MAT40 Nonlinear orthotrophic (для ортотропных материалов, нелинейность для сдвига);
• MAT58 Laminated composite fabric (для ортотропных материалов, нелинейность для растяжения);
• MAT 108 Ortho elastic plastic (для ортотропных материалов);
• MAT116 Composite Lay up (для ортотропных материалов);
• MAT158 Rate sensitive composite (для ортотропных материалов, нелинейность для сдвига).
Однако ни один из данных материалов не учитывает анизотропию свойств материала вместе с нелинейностью механических характеристик как при сдвиге, так и при растяжении. Для симуляции формовки текстиля была выбрана модель материала MAT40, учитывающая нелинейность сдвиговых характеристик и позволяющая задавать кривые упрочнения в виде функций в двух плоскостях.
При моделировании препрега листовая заготовка для большей наглядности результатов разбивается на сетку прямоугольных двумерных элементов, размер и ориентация которых соответствуют плетению материала и его положению в прессе.
Результаты моделирования с материалом MAT40 показаны на рис. 6. На рисунке видны складки и задиры материала по краям, которые можно наблюдать на опытной детали.
Анализ результата моделирования показал его сходимость с опытными испытаниями. Однако некоторые искажения плетения, полученные на опытной детали, не были выявлены при моделировании. Причиной этого может быть отсутствие возможности задания сдвиговых характеристик в виде функций в модели материала MAT40.
На основании полученных результатов можно сформулировать основные требования к модели текстильного композиционного материала: поддержка нелинейности для сдвига и растяжения с заданием кривых упрочнения в виде функций, поддержка много-слойности материала и анизотропного расположения слоев. Ни одна из моделей материалов библиотеки LS-DYNA не соответствует указанным требованиям. Поэтому необходима разработка пользовательской модели материала с учетом названных требований.
Приведенная методика раздельного моделирования вытяжки листового металла и формовки композиционного текстиля не учитывает контактные взаимодействия металла и текстиля во время штамповки,
Рис. 6. Результаты моделирования формовки композиционного текстиля
поэтому актуальной является разработка модели одновременной штамповки листового металла и многослойного композиционного материала.
Представленная в рамках данной статьи работа была проведена под руководством д.т.н. Андрэ Хардтманна в рамках стажировки в Институте
станков и систем управления Дрезденского технического университета по программе развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет» на 20102019 годы.
Библиографический список
1. Döbrich, Oliver; Gerenke, Thomas. Drape Simulation: Tex- Users Conference, 2012.
tile Material Model for Correct Property Reproduction to Improve 2. Großmann, Knut. Prinziplösungen für die automatisierte the Preform Development Prozess of Fiber-Reinforced Struc- Verarbeitung von Hybridgarn-Textil-Thermoplast. - Göttingen: tures. - Dearborn, Michigan USA: 12th International LS-DYNA Cuvillier Verlag, 2011. 130 p.
УДК 621.923.1
ОЦЕНКА РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ КРУГОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ «АЭРОБОР» ПО КРИТЕРИЮ ШЕРОХОВАТОСТИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ ПЛОСКИХ ДЕТАЛЕЙ ОСНОВНОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВ САМОЛЕТОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
© Я.И. Солер1, А.И. Шустов2, Д.А. Филиппова3, С.А. Пронин4
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты исследования шероховатостей поверхностей деталей из высокопрочной коррозионно-стойкой стали 08Х15Н5Д2Т (ВНС-2) и быстрорежущих пластин Р9М4К8 при шлифовании кругами «Аэробор», показывающие их высокие режущие способности по мерам положения и рассеяния параметров микрорельефа. Ил. 2. Табл. 4. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: шлифование; параметры шероховатости; средняя; медиана; дисперсия.
ASSESSING CUTTING PROPERTIES OF NEW GENERATION OF "AEROBOR" GRINDING WHEELS BY ROUGHNESS CRITERION UNDER FLAT PART GRINDING AT MAIN AND AUXILIARY PRODUCTION OF AIRCRAFT MANUFACTURE Ya.I. Soler, A.I. Shustov, D.A. Filippova, S.A. Pronin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The article provides the results of studying surface roughness of parts made of high strength corrosion resistant steel 08Х15Н5Д2Т (ВНС-2) and HSS plates Р9М4К8 under grinding by "Aerobor" wheels. The results demonstrate their high cutting properties by the measures of position and scattering of microrelief parameters. 2 figures. 4 tables. 10 sources.
Key words: grinding; roughness parameters; average (mean); median; dispersion.
При шлифовании наиболее слабым звеном в технологической системе, ограничивающим производительность обработки и качество деталей машин, является абразивный инструмент. На решение этой проблемы направлены усилия многих научных центров. Большие успехи в этом направлении достигнуты благодаря новым технологиям производства абразивных и сверхтвердых синтетических материалов, обладающих повышенными режущими свойствами [1]. Подтверждением сказанному служат высокопористые круги (ВПК) «Аэробор», промышленное производство которых освоено на абразивном заводе «Ильич»
(г. Санкт-Петербург). В них используются зерна из кубического нитрида бора (КНБ) повышенной прочности: ЛКВ40, ЛКВ50 и ЛКВ60 - и высокопористые структуры с номерами 10, 12 и более, что в совокупности позволяет снизить тепловое воздействие абразивного инструмента на деталь. Достоинства кругов «Аэро-бор» в наибольшей мере проявляются при шлифовании жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей, отличающихся высокой вязкостью и пластичностью. Стружки таких материалов имеют большие размеры, поэтому обычные абразивные круги быстро «засаливаются», что приводит к потере их режущих свойств.
1Солер Яков Иосифович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, тел.: (3952) 455459, e-mail: solera@istu.irk.ru
Soler Yakov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 455459, e-mail: solera@istu.irk.ru
2Шустов Андрей Иванович, студент, тел.: 89041541717, e-mail: andre-patronum@mail.ru
Shustov Andrei, Student, tel.: 89041541717, e-mail: andre-patronum@mail.ru
3Филиппова Дарья Александровна, студентка, тел.: 89500705690, e-mail: dashunka-f@yandex.ru
Filippova Darya, Student, tel.: 89500705690, e-mail: dashunka-f@yandex.ru
4Пронин Сергей Александрович, студент, тел.: 89501256379, e-mail: gimler666@yandex.ru
Pronin Sergey, Student, tel.: 89501256379, e-mail: gimler666@yandex.ru
