CC BY
90
УДК 621.981.011
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КРУТОИЗОГНУТЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУБ МЕТОДОМ ПРОТАЛКИВАНИЯ
© 2013 В.Д. Маслов, К.А. Николенко, В.Д. Мисюра, К.А. Николенко
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Поступила в редакцию 02.12.2013
Приведены результаты экспериментального исследования процесса гибки крутоизогнутых патрубков методом вталкивания в фильеру под давлением. Показано, что наиболее опасным участком с точки зрения образования трещин является передний торец трубы.
Ключевые слова: изгиб трубной заготовки проталкиванием, конечно-элементный анализ, напряженно-деформированное состояние.
В различных отраслях промышленности применяются конструкции, в которых используются элементы типа изогнутых отводов. Для повышения жесткости и улучшения компоновки требуются минимально возможные радиусы изгибаемых изделий [1]. К точности изготавливаемых деталей предъявляются повышенные требования.
Цель настоящей работы - разработать методику проектировании технологического процесса формообразования крутоизогнутых отводов, который должен обеспечить рациональные условия формоизменения и гарантировать отсутствие типичных технологических дефектов, таких как разрывы и гофры.
В обобщенном виде параметры крутоизогнутых отводов могут быть представлены в виде, показанном на рис. 1.
Геометрия крутоизогнутого отвода характеризуется следующими размерами: средним радиусом поверхности изделия Кср, толщиной стенки патрубка t, углом изгиба в и протяженностью цилиндрических участков изделия на переднем и заднем торцах l1 и l2.
Изготавливать отводы с минимально возможной величиной радиуса кривизны позволяет метод проталкивания трубной заготовки в канал матрицы с криволинейной осью. Трубная заготовка имеет либо внутренний деформируемый наполнитель, либо жесткую оправку, которая
Маслов Валентин Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением. E-mail: aviv-tek@yandex.ru
Николенко Кирилл Анатольевич, аспирант кафедры обработки металлов давлением. E-mail: nik_kin_86@mail.ru Мисюра Валентин Дмитриевич, студент инженерно -технологического факультета. E-mail: avia-tek@yandex.ru Николенко Константин Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением. E-mail: nik kin 79@mail.ru
Рис. 1. Обобщенные геометрические характеристики крутоизогнутых отводов
вводится во внутреннюю полость трубной заготовки [2].
Для разработки методики проектирования процесса формообразования тонкостенных крутоизогнутых отводов, необходимо определить напряженно-деформированное состояние заготовки и определить особенности деформирования заготовки в данном процессе.
Очаг деформации при проталкивании трубной заготовки имеет сложный нестационарный характер. Изменяются его границы и граничные условия. Напряженно-деформированное состояние заготовки изменяется как во времени, так и при переходе от точки к точке. Большинство существующих до настоящего времени методик анализа формообразования элементов трубопроводов направлены (в основном) на определение энергосиловых параметров процесса [4]. Они не позволяют установить особенности деформирования заготовки без грубой схематизации процесса.
В настоящей работе предлагается методика
Or
0.2
/
/
J /
ъг 4/ / 1
Хг 1 1
1 1 1
4
д
Рис. 2. Билинейная кривая упрочнения
определения параметров процесса формообразования крутоизогнутых деталей из трубных заготовок проталкиванием заготовки на основе моделирования данного процесса при помощи метода конечных элементов.
Способность метода конечных элементов решать сложные задачи механики при изменяющихся краевых условиях и нелинейном напряженно-деформированном состоянии дает возможность достоверно проанализировать поведение заготовки при формообразовании крутоизогнутых отводов.
Для моделирования процесса формообразования в выполняемых исследованиях использован конечно-элементный программный продукт - ANSYS-LS/DYNA [5]. Поведение материала заготовки описывается билинейной кривой упрочнения (рисунок 2). Модель материала оснастки (пуансона (толкателя), наполнителя и матрицы) - Rigid Material (твёрдое тело).
Для моделирования деформируемой заготовки выбран элемент SHELL 163 - оболочечный элемент с 4 узлами, возможностью изгиба и пру-
жинения. Элемент имеет 12 степеней свободы в каждом узле. Геометрия оснастки и заготовки построена в СЛЭ-системе КОМПАС-ЗЭ У8 с последующим импортированием в ЛМ8У8/ Ь8-ОУМЛ.
С целью получения достоверных результатов анализа, весь процесс формообразования разбивается на достаточно малые стадии и в пределах каждой стадии выполняется определение напряженно-деформированного состояния по всему объему заготовки. При переходе от стадии к стадии накопленные деформации и интенсивность деформации сохраняется для расчета на последующей стадии. На рисунке 3 показаны отдельные стадии процесса моделирования формоизменения.
Размер конечно-элементной сетки существенно влияет на результаты анализа. Более мелкое разбиение даёт лучшие по точности результаты. Однако аппроксимация модели большим количеством мелких элементов приводит к системе алгебраических уравнений большого порядка, что сказывается на скорости выполнения расчёта.
В табл. 1 показано влияние величины параметров сетки и скорости деформирования на результаты анализа при конечно-элементном моделировании процесса формообразования отвода.
В результате анализе использована сетка конечных элементов из четырехугольных элементов, имеющими размеры Ы=6мм.
Построение сетки конечных элементов представлено на рис. 4.
ЗЭ-модель заготовки после формообразования показана на рис. 5.
Для определения опасного сечения заготовки при формообразовании отвода В результате анализа процесса формообразования крутоизогнутого отвода становится возможным определить деформированное состояние заготовки и деформации изменения толщины по поверхности детали. Данные об изменении толщины и действующих напряжений выводятся с помощью цветовой шкалы и приведены на рис. 5.
Рис. 3. Моделирование по стадиям формообразования крутоизогнутого патрубка
Таблица 1. Влияние параметров моделирования на результаты анализа
Изменение размеров ячейки координатной сетки Изменение скорости перемещения пуансона
Интенсивность деформаций
Зн ачение толщины в узлах в зависим ести от изм ененных параметров сетки
Зн ачен ие толщины в узлах в зависим ести от изм енения скорости деформ ир ован ия
5 4,5 4
Ц 3,5
ш о
II 3
л 2,5
I 2
jf! 1,5 1
0,5 0
5 4,5 4
Ц 3,5 ^ 3 £0 2,5
t 2 | 1,5
1
0,5 0
28_14 36_18 44_22 52_26 Параметров сетки, D/Rr
RminTy — RminTB -
300 500 700 900
Скорость деформирования, мм/с
—ф—Нт 1п Ту Нт1пТв НтахТв
Интенсивность напряжений
Значение интенсивности напряжений в узлахв в зависим ест и о измененных параметров сетки
Значение интенсивности напряжений в узлахв в зависимести от изменения скорости деформ ирования
2 0_ 10 28_ 14 36 _1 8 4 4_2 2 52_26 60 _3 0
Параметров сетки , D/R г
300 500 700 900
С к ор ость деформ ирования , мм /с
ф Rm in Ту н Rm inTB ^ Rm ахТв
Толщина заготовки
Значение интенсивности деформаций в узлах в зависимести от измененных параметров сеткм
Значение интенсивности деформаций в узлах в зависимести от изменения скорости деформирования
28_14 36_18 44_22 52_26
Параметров сетки, й/Н
» Нт тТу_|_Нт 1пТв _Нт ахТв I
0,45 0,4
g 0,2 S 0,15
I 0,1
300 500 700 900
Скорость деформирования, мм/с
» Ятр Ту —■— Нт1пТв НтахТв
Результаты исследования деформированного состояния заготовки представлены на рисунке 6. На этих же графиках приведены и теоретические кривые изменения толщины, полученные в результате компьютерного моделирования процесса формообразования отвода с использованием программного продукта АКБ^-ЬБ-ВША.
Установлены следующие особенности деформирования трубной заготовки в штампе предлагаемой конструкции:
1. Максимальное утонение наблюдается на торцах штампованной детали со стороны минимального радиуса гиба детали.
2. Со стороны образующей по максимальному радиусу гиба утонение наблюдается в центральной части деформируемой заготовки.
3. Максимальная разнотолщинность штампованной детали не превышает 24 %.
На рис. 7 показано сравнение экспериментальных значений изменения силы (деформиро-
100
Rm ахТв
80 0
70 0
60 0
50 0
40 0
30 0
20 0
100
1100
Rm ах I
0,6
0,5
0,4
0,3
0,3
Ю 0,2
0,1
0
0
20 10
60_30
Рис. 4. Построение сетки конечных элементов
Доверительным
мм
интервал
Расчет по Т-Э-ОУКА
Рис. 5. Характер изменения толщины заготовки, полученный в результате расчета
вание заготовки диаметром 53мм с толщиной стенки 1,5 мм из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, смазка - машинное масло с наполнителем из графитового порошка) с теоретической кривой, полученной при мо-делировании процесса с помощью программного продукта
Характер изменения силы с увеличением хода пуансона позволяет сделать следующие выводы:
1. Сила деформирования максимальна на промежуточных стадиях процесса деформирования.
2. На силу деформирования влияют два фактора, соотношение между которыми в процессе деформирования изменяется: развитие очага деформации на начальной стадии деформирования и сокращение протяженности прямолинейного участка трубной заготовки на заключительной стадии деформирования.
Результаты исследований показали, что после того как сила достигает своего максимума, та часть заготовки, которая уже изогнута, в дальнейшем практически не деформируется. Она
1 3 5 7 9 11 13 15 Номер кольцевого сечення
4>
мы
1,8
1,7 1,6 1,5 1,4
1,3 1,2
< Л у \ \
"Л Л * \: \Л
у К ч \ \ Л Л V V Л
О1 т
1 3 5 7 9 11 Номер кольцевого сечення
т
5, мы
13 5 7 9 Номер кольцевого сечения ь)
Рис. 6. Изменение толщины заготовки в меридиональном направлении: а-Я ;б-Я ;в-Я
Т"ПГ> V' ГП1П
30 70 60 50
X
и зо 20
10
0
А
к
24
140
4« 72 96 120 Ход пуансона, мм
Рис. 7. Изменение силы деформирования по ходу процесса
1 - расчет по программам ЛК8У8 и Ь8-ОУКЛ;
2 - экспериментальные данные
лишь преодолевает силы трения, перемещаясь в зазоре между внутренней оправкой и рабочей поверхностью полуматриц.
Для определения опасного сечения заготовки при формообразовании отвода воспользуем-
Распределение предельной степени деформации в меридиональном направлении (по радиусу гиба) Образующая по максимальному радиусу гиба - Кшах
^ах
1 г 3 4 5 6 7 8 3 10 11 12 13 14 15 1С
Рис. 8. Разрыв заготовок в опасном сечении при формообразовании отводов
ся критерием Колмогорова.
В соответствии с критерием Колмогорова образование трещин происходит при условии когда интенсивность накопленной деформации равна величине критической деформации при данной схеме напряженного состояния
I
¥ = ■
= 1 - критерий Колмогорова;
Распределение предельной степени деформации в тангенциальном направлении (по диаметру детали) Образующая на торце, передающем усилие - Ти
Ти
алемгнта
ношр 4п«мвята
Образующая по минимальному радиусу гиба - Кшш
Образующая на выходном торце - Ту
Рис. 9. Графики распределения критической степени деформации (по критерию Колмогорова) в меридиональном и тангенциальном направлениях на заключительной стадии процесса формообразования (угол гиба 90 градусов) для материалов заготовки - сталь 12Х18Н10Т и сплав ОТ4
сс
при у > 1 - происходит разрушение материала;
при у < 1 - разрушения не наблюдается;
д/3 / 2 2 2~
8 ~£2) + 8 ~£з) + 8 ~£1) -
интенсивность деформации;
8СС = 28 ехр[—2.16—- предельная сте-—
пень деформации;
8 =8 - относительное равномерное удлинение образца;
CTj + <J2 + <J3
0 3
пряжений в узле;
среднее значение на-
— ——2)2 + 2 ——3)2 + —3 ——1)2 -
интенсивность напряжений.
Для расчета предельной степени деформации выбирались элементы в меридиональном и тангенциальном направлениях. В меридиональном направлении по максимальному радиусу гиба, в тангенциальном направлении на торце передающем усилие и выходном торце (рисунок 9). Результаты представлены в виде графиков сравнения предельной штампуемости двух материалов: стали 12Х18Н10Т и сплава ОТ4 на заключитель-
ной стадии процесса формообразования (угол гиба 90 градусов).
В результате анализа полученных графиков (рис. 9) можно сделать следующие выводы: при формообразовании отвода из стали разрушение не наблюдается. При этом наибольшая степень предельной деформации возникает на торце, передающим усилие и выходном торце по минимальному радиусу гиба. При формообразовании отводов из сплава ОТ4 возникает разрушение на торцах по минимальному радиусу гиба.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов И.П., Маслов В Д., Николенко К.А. Формообразование тонкостенных крутоизогнутых отводов в жестких инструментальных штампах / / Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 1. 23 - 26 с.
2. Патент 130241 Российская Федерация МКП B21C 37/29.Устройство для формообразования крутоизогнутых отводов / Маслов В.Д., Николенко К.А., Мисю-ра В.Д.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. аэрокосмич. университет. № 2013105307/02, за-явл. 07.02.13; опубл. 20.07.13, Бюл. № 23. 3 с.
3. О новом подходе к формообразованию тонкостенных тройников / В.Д. Маслов, Ю.О. Петров, А.Ю. Северененко // Авиационная промышленность. 2013. № 2. С. 37 - 41.
4. Штамповка неравнопроходных тройников из трубных заготовок в разъемных матрицах // О.Ю. Давыдов, В.Г. Егоров, Ю.А. Невструев // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. №6. С.40 - 44.
5. LS-DYNA [Электронный ресурс]. URL: http:// www.cadfem.ru (дата обращения 14.10.2013).
FINITE ELEMENT ANALYSIS OF FORMING PROCESS OF STEEPLY CURVED PIPES BY PUSHING
© 2013 V.D. Maslov, K.A. Nikolenko, V.D. Misyura, K.A. Nikolenko
Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University)
There are presented the results of experimental study of the process of bending steeply-curved manifolds using the scheme of pushing the preform into the die hole under pressure. The most critical area with respect to arising cracks is shown to be leading edge of the tube preform. Key words: the bending process by pushing, the stress-strain state, variation in thickness.
Valentin Maslov, Candidate of Technics, Associate Professor at the Plastic Working of Metal Department. E-mail: avia-tek@yandex.ru
Kirill Nikolenko, Graduate Student at the Plastic Working of
Metal Department. E-mail: nik_kin_86@mail.ru
Valentin Misyura, student at the Engineering and Technology
Faculty. E-mail: Avia-tek@yandex.ru
Konstantin Nikolenko, Candidate of Technics, Associate
Professor at the Plastic Working of Metal Department
E-mail: nik kin 79@mail.ru
