Научная статья на тему 'Методика компьютерного моделирования электрогидроимпульсного формоизменения тонколистовых металлов с применением программного комплекса LS-DYNA 971'

Методика компьютерного моделирования электрогидроимпульсного формоизменения тонколистовых металлов с применением программного комплекса LS-DYNA 971 Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
184
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Металлообработка
ВАК
Область наук
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ / КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ КОМПЛЕКС LS-DYNA 971 / FINITE-ELEMENT CODE LS-DYNA 971 / МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖИДКОСТИ И ПЛАЗМЫ В КАНАЛЕ РАЗРЯДА / SIMULATION OF LIQUID AND PLASMA IN DISCHARGE CHANNEL / ТЕХНИКА ALE (ARBITRARYLAGRANGEEULERIAN) / ФОРМОВКА ОСОБОТОНКОЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА / THIN-SHEET METAL FORMING / КОМПЬЮТЕРНЫЙ РАСЧЕТ / COMPUTER SIMULATION / ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА / EXPERIMENTAL VERIFICATION / ELECTRO-HYDRO-IMPULSE FORMING / ALE (ARBITRARY LAGRANGEEULERIAN) ELEMENTS

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Головащенко Сергей Федорович, Мамутов Александр Вячеславович, Мамутов Вячеслав Сабайдинович

Разработана методика моделирования электрогидроимпульсного формоизменения с применением конечно-элементного комплекса LS-DYNA 971. Методика апробирована на варианте осесимметричной вытяжки-формовки особотонколистового металла. Задавался ввод энергии в плазму, вода моделировалась идеальной сжимаемой жидкостью, а для заготовки использована одномерная оболочечная модель. При моделировании жидкости и плазмы в канале разряда использована техника ALE (Arbitrary Lagrange Eulerian). Результаты моделирования подтверждены экспериментально.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Головащенко Сергей Федорович, Мамутов Александр Вячеславович, Мамутов Вячеслав Сабайдинович

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

Using ls-dyna 971 code for computer simulation of electrohydro- impulse forming of thin-sheet metals

The simulation technique for modeling of electro-hydroimpulse forming using finite-element code LS-DYNA 971 is developed. The technique is tested on the case of an axisymmetric forming of thin-sheet metal. The energy deposition law in a plasma channel is defined by the experimentally obtained curve. The water is defined as ideally compressed liquid, and the blank is built using one-dimensional elements with axi-symmetrical shell formulation. For simulation of the water and the plasma channel the ALE (Arbitrary Lagrange Eulerian) formulation is used. The results of simulation are verified experimentally.

Текст научной работы на тему «Методика компьютерного моделирования электрогидроимпульсного формоизменения тонколистовых металлов с применением программного комплекса LS-DYNA 971»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.983.004

Методика компьютерного моделирования электрогидроимпульсного формоизменения тонколистовых металлов

с применением программного комплекса LS-DYNA 971

С. Ф. Головащенко, А. В. Мамутов, В. С. Мамутов

Введение

В условиях мелкосерийного производства электрогидроимпульсная штамповка (ЭГИШ) является эффективной технологией изготовления деталей из листовых металлов и труб. При наличии лишь одного жесткого рабочего инструмента за счет импульсного характера нагружения, деформирования и взаимодействия заготовки с матрицей ЭГИШ обеспечивает лучшие показатели по параметрам пружинения и предельного формоизменения по сравнению с традиционными способами штамповки. Часто это актуально при штамповке деталей из особотонколистовых металлов (толщиной менее 0,4-0,5 мм). Физика ЭГИШ характеризуется комплексом электрических, гидродинамических и деформационных процессов преобразования энергии конденсаторной батареи в энергию пластического формоизменения материала заготовки. Большое число параметров, значимо влияющих на эффективность преобразования энергии и характер деформирования заготовки, определяет сложность проектирования технологий и может приводить к значительным временным и денежным потерям при ошибочных решениях проектирования. Поэтому компьютерное моделирование ЭГИШ на этапе разработки технологии представляется необходимым условием успешного проектирования процесса.

Одним из наиболее эффективных конечно-элементных комплексов для компьютерного моделирования ЭГИШ является LS-DYNA 971 [1]. Значимой особенностью комплекса является возможность использования ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian), которые могут иметь несколько материалов в пределах одного элемента и допускают взаимодействие с произвольными лагранжевыми структурами. Это делает возможным моделирование взаимодействия между жидкостями, газами

и объектами сложной и меняющейся формы, таких как плазменный канал, рабочая жидкость и деформируемая заготовка. Эти возможности в сочетании с быстрым ростом скорости, объемов памяти и количества процессоров компьютеров позволили осуществить компьютерное моделирование ЭГИШ. Однако моделирование всего комплекса физико-механических процессов стало возможным только после разработки модели канала разряда в комплексе Ь8-БУКА 971 [2]. Целью настоящей работы является разработка методики компьютерного моделирования электро-гидроимпульсного формоизменения тонколистовых металлов с учетом формирования плазменного канала, взаимодействия канала с жидкостью, а жидкости с деформируемой заготовкой.

Исходные данные для компьютерного моделирования и оценки корректности компьютерной модели

В целях последующей оценки корректности расчетов в качестве исходных данных для компьютерного моделирования взяты параметры эксперимента по электрогидроимпульсной вытяжке-формовке осесимметричной заготовки из латуни Л68 диаметром 110 мм, толщиной 0,24 мм. Осуществляли свободную вытяжку в матрицу с диаметром очка 60 мм. Выходной диаметр разрядной камеры также равнялся 60 мм. Зависимость между напряжением текучести о8 и интенсивностью тензора логарифмических деформаций ег для данной марки материала задавалась степенным соотношением

^ = КВТ,

где Ка — корректирующий коэффициент динамичности, Ка = 1,25 [3]; В = 740 МПа;

№ 4(69)/2012

23

т = 0,44 — усредненные значения аппроксимации из испытаний на статическое растяжение листовых образцов вдоль и поперек проката.

Эксперименты проводили на электроимпульсной установке со следующими параметрами:

• максимальное напряжение заряда конденсаторной батареи — 5,8 кВ;

• емкость конденсаторной батареи — около 500 мкФ;

• собственная частота разрядного тока — 28 кГц;

• собственное сопротивление — менее 0,001 Ом.

Схема технологической оснастки для элек-трогидроимпульсной формовки вместе со схемой измерений показана на рис. 1, а. При разряде предварительно заряженной конденсаторной батареи электроимпульсной уста-

новки 1 в искровом промежутке между электродами рабочей камеры 2 образуется плазменный пузырь, при расширении которого возникает импульсное давление в рабочей жидкости. За счет этого давления осуществляется деформирование тонколистовой заготовки 3 с учетом профиля матрицы 4.

Напряжение на электродах измеряли при помощи делителя импульсного напряжения 5, разрядный ток — пояса Роговского 8 с интегрирующей й1С1-цепочкой 9. Запуск развертки осциллографа 6 осуществляли вспомогательным поясом Роговского 7. Межэлектродный промежуток был 2,5 мм, напряжение заряда конденсаторной батареи — 2,8 кВ.

Для определения функции мощности выделения электрической энергии в канале разряда необходимо знать параметры разрядного тока i(t) и напряжение u(t) на электродах. Так как импульсное напряжение измеряли в ус-

a)

N N

N о ------

Рис. 1. Схема измерений при ЭГИШ (а):

1 — электроимпульсная установка (С — конденсаторная батарея; Т — повышающий трансформатор; В — выпрямитель, Я — сопротивление, ограничивающее ток заряда; Б — управляемый разрядник); 2 — разрядная камера с рабочей жидкостью и электродами; 3 — тонколистовая заготовка; 4 — матрица; 5 — высокоомный делитель импульсного напряжения; 6 — импульсный осциллограф; 7 — пояс Роговского для запуска развертки осциллографа; 8 — пояс Роговского для измерения импульсного тока; 9 — интегрирующая Я1С1-цепочка;

б — аппроксимация мощности выделения электрической энергии в канале разряда

№ 3 (69)/2012

МЕТЛЛПООБРА^ЬПСА

ловиях сильных электромагнитных наводок, то для определения функции мощности использовали отдельные точки осциллограммы, где эти наводки не сказываются [3]: ,(£) = 0, Щ(г) = 0; а / (И = 0; Щ(г) = и(г)Ь(г). В эти моменты времени сигнал делителя соответствует чисто активному сопротивлению. В результате обработки осциллограмм тока и напряжения получилась кривая функции мощности (рис. 1, б) со следующими параметрами: = = 27,1 мкс, г2 = 57,4 мкс, г3 = 84,6 мкс, г4 = = 115 мкс, г5 = 139 мкс, г6 = 169 мкс; Щ1 = = 9,1 МВт, Щ2 = 4,9 МВт, Щ3 = 1,69 МВт.

Для определения деформированного состояния тонколистовой заготовки применяли метод сеток, основанный на измерении искаженной после деформации сетки. Процесс формоизменения осесимметричной заготовки рассчитывали в лагранжево-эйлеровой постановке [3]. Лагранжевы координаты точек представляют собой радиусы г0 концентрических окружностей. Для нанесения окружностей использовали инструментальный микроскоп УИМ-21. Эйлеровы координаты точек деформированной заготовки г, г измеряли при помощи измерительного комплекса, созданного на базе инструментального микроскопа УИМ-21, измерительной головки ИЗВ-23 для измерения по координате г и прибора НЕГОЕКНАШ-VRZ-735 для измерения по координате г.

Меридиональная и тангенциальная компоненты тензора логарифмических деформаций с учетом смешанного эйлерово-лагранжевого описания деформирования заготовки определяются координатами г, г вектора перемещений точек заготовки следующими геометрическими соотношениями:

£. =

(2/л/Э)^

£2 + £2

+ £ £л

8 = 1п

т

л/(гГ0 )2 +(гг0 )2 ; £е = 1п(г/г,).

При обработке экспериментальных данных, которые представляют набор значений г0, г,, г£, г = 1, 2, ..., п, использовалось разностное представление производных, входящих в выражения для деформаций:

(£е ),+1/2

1п

г + г..

, ,+1

г + г

V 0, 0,+1 У

(£т ) ,+1/2 = 1п {[(г,+1 - г, ) / (г0,+1 - г0 , )]2 +

+ [(г,+1 - г, )/(10 ,+! - г0,)]2}1/2.

Интенсивность тензора логарифмических деформаций с учетом примерного равенства нулю первого инварианта тензора определяется соотношением

Для сравнения расчетных данных с экспериментом брали три характерные точки заготовки: в центре, посередине радиуса и на краю. Сделаны пять повторений эксперимента. Значения усредняли также для восьми измерений по окружности для каждой характерной точки. При определении доверительных интервалов опытных данных брали 95%-ный уровень доверительной вероятности.

Компьютерная модель процесса

и результаты расчетов

Рассмотрим основные допущения, принятые при компьютерном моделировании данного процесса ЭГИШ. Жидкость, расположенная в разрядной камере сверху электродов (рис. 1, а) и прилегающая к боковой поверхности, в случае податливой деформируемой заготовки из тонколистового металла будет иметь незначительное перемещение по сравнению с жидкостью внизу камеры. Поэтому влиянием электродов можно пренебречь и сделать предположение о симметричности канала разряда. Это позволяет решать данную задачу в осесимметричной постановке. Также предполагается, что граница стенок разрядного канала является адиабатичной и процессы дополнительного испарения жидкости слабо влияют на размеры канала. Расчетная 2Б-модель, полученная из этих соображений, представляется экономичной с точки зрения общего количества конечных элементов и времени счета. Это может быть актуальным при значительном количестве расчетов, например для оптимизации параметров нагрузки, формы разрядной камеры.

В качестве уравнения состояния жидкости при ЭГИШ обычно используют адиабату Тэта с параметрами для водопроводной воды. В пределах примерно 100-200 МПа зависимость давления от плотности близка к линейной [2]. Поэтому при моделировании воды в комплексе ЬБ-БУКА 971 в качестве модели жидкости использовали модель идеальной сжимаемой жидкости МАТ_ЕЬА8Т1С_ЕЬиГО, в которой зависимость между давлением и плотностью имеет вид

р = -К 1п (р0 / р),

где К — модуль объемного сжатия; р0 — начальная плотность, р0 = 1000 кг/м; р — плотность воды.

МЕТШДБРЛБОТКА

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Аппроксимация адиабаты Тэта в пределах p £ [0,1...100] МПа дает значение K = 2,35 ГПа.

Важным и до конца не изученным экспериментально является вопрос о кавитации жидкости. Уровень отрицательного давления, который может выдержать вода без разрушения, зависит от многих факторов. При данном моделировании предполагалось, что вода не выдерживает отрицательного давления по абсолютному значению больше 1 • 105 Па.

Податливость материалов стенок камеры, матрицы, прижима по сравнению со сжимаемостью жидкости существенно меньше. Поэтому данные объекты предполагались абсолютно жесткими и их материалы моделировались как MAT_RIGID.

Для особотонколистового металла предполагалось целесообразным моделировать заготовку не объемными элементами, а плоской оболочкой, которую с учетом симметрии заготовки брали в виде балочного элемента по типу BEAM. При задании формулировки конечных

элементов в разделе SECTION_BEAM переменной ELFORM задавали значение 8, определяющее двумерный в плоскости xy осесимме-тричный оболочечный элемент. В качестве материала выбрана модель MAT_POWER_ LAW_PLASTICITY с параметрами степенной кривой деформационного упрочнения: B = = 925 МПа, m = 0,44. Упругие константы материала: модуль Юнга E = 1,15 • 1011 Па; коэффициент Пуассона V = 0,35; плотность р = 8300 кг/м3. Коэффициент кулоновского трения | = 0,15. Зазор между прижимом и матрицей оставался в процессе формоизменения заготовки постоянным и равным 0,275 мм.

В качестве модели материала для плазменного канала использовался MAT_NULL, определяющий начальную плотность плазмы рр0 совместно с уравнением состояния EOS_ LlNEAR_POLYNOMIAL_WITH_ENERGY_ LEAK. При этом в качестве кривой, задающей ввод энергии, принимали отношение мощности ввода энергии к начальному объему кана-

1

2

Рис. 2. Динамика расширения канала разряда и деформирования заготовки:

1 — t = 0; 2 — t = 35 мкс; 3 — t = 75 мкс; 4 — t = 135 мкс; 5 — t = 255 мкс; 6 — t = 425 мкс; 7 — t = 610 мкс; 8 - t = 800 мкс

Цб

№ 3 (69)/2012

3

4

7

5

6

8

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

МЕ^ПЛ^БМ^ТК^

а)

Элемент А 7263

б)

10

00 +

в 4

Й

н2

е л

50

а

^ 0

в) 7 6

0,4

Время, с (Е-03)

Элемент А 784

0,4

Время, с (Е-03)

Элемент А 519

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

0,4

Время, с (Е-03)

Рис. 3. Давление в разрядной камере: а — в плазме канала разряда; б — на стенке камеры; в — над центром заготовки

me™

Время, с (Е-03)

Рис. 4. Зависимости эффективной пластической деформации в заготовке от времени: А — в центре; В — посередине радиуса; С — с краю

ла: N*(t) = N(t) / V0, где V0 — начальный объем канала. Вводимую мощность определяли зависимостью, представленной на рис. 1, б. Начальная плотность плазмы рр0 = 100 кг/м3. Начальный радиус канала rk0 = 0,5 мм.

Важным является качественная конечно-элементная разбивка геометрических моделей отдельных компонентов. Обеспечивалась регулярная прямоугольная сетка на подвижных границах плазма—жидкость и заготовка—жидкость. С учетом значительного формоизменения канала разряда делали экспоненциальное сгущение сетки вблизи канала.

Расчет осуществляли в лагранжево-эйлеро-вой постановке (ALE). Пример расчета динамики развития плазменного канала и формоизменения заготовки представлен на рис. 2. Видно, что сначала (до момента времени менее 135 мкс, позиция 4) идет расширение канала разряда без влияния податливости заготовки — канал имеет сферическую форму, и нет формоизменения заготовки. Когда волны разгрузки от заготовки достигают поверхности канала, его форма начинает вытягиваться в сторону податливой заготовки (позиции 5, 6). После достижения времени 500-600 мкс заготовка перестает двигаться.

Несмотря на то что данная камера относится к так называемым «камерам малого объема», давление в различных точках камеры существенно различалось как по амплитуде, так и по форме (рис. 3).

С точки зрения оценки корректности расчетной модели интерес представлял расчет

параметров деформированного состояния заготовки. На рис. 4 представлены зависимости эффективной пластической деформации от времени для центра заготовки, посередине радиуса и на краю заготовки. В случае монотонного деформирования, которое имеет место в данном расчете, эффективная пластическая деформация близка к интенсивности тензора логарифмической деформации.

Расчетный прогиб центральной точки заготовки составил 15,293 мм при экспериментальном значении 15,5 ± 1,1 мм. Экспериментальные значения интенсивности тензора логарифмических деформаций составили: для центральной точки — 0,14 ± 0,2, центра радиуса заготовки — 0,055 ± 0,01, края заготовки — 0,04 ± 0,01. Соответствующие расчетные значения (рис. 4): 0,129 (А); 0,0531 (Б); 0,0470 (С).

Выводы

Разработана методика компьютерного моделирования электрогидроимпульсного формоизменения тонколистовых металлов с применением программного комплекса LS-DYNA 971. Данная методика апробирована на варианте осесимметричной вытяжки-формовки особо-тонколистового металла, для моделирования которого использована одномерная оболочеч-ная модель. При моделировании жидкости и плазмы в канале разряда использована техника ALE. Расчетная 2D-модель представ-

■ 28

№ 3(69)/2012

ЩЛЩБШШ

ляется экономичной с точки зрения общего количества конечных элементов и времени счета, что позволит использовать ее для оценочных расчетов и численных экспериментов. Исходными параметрами для компьютерного моделирования являлись: функция введения мощности электрической энергии в канал разряда, геометрия разрядной камеры и штамповочного инструмента, размеры и характеристики материала заготовки. Компьютерный расчет позволил оценить кинематику и динамику формоизменения детали, в том числе конечную форму получаемой детали, параметры деформированного состояния, давления в разрядной камере и ряд других характеристик ЭГИШ, позволяющих создавать

научно обоснованные технологии изготовления конкретных деталей.

Литература

1. Hallquist J. O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation: Livermore, CA, 2006. 498 p.

2. Головащенко С. Ф., Мамутов А. В., Мамутов В. С. Применение комплекса LS-DYNA для расчета канала разряда при электрогидроимпульсной штамповке / / Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. Сер. «Наука и образование». 2012. № 2. 1 (147). С. 116-121.

3. Вагин В. А., Здор Г. Н., Мамутов В. С. Методы исследования высокоскоростного деформирования металлов. Минск: Наука и техника, 1990. 208 с.

Об итогах 14-й Международной научно-практической конференции

«ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ, НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ И РЕМОНТА: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА»

В Санкт-Петербурге 17—20 апреля 2012 г. состоялась 14-я международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика». Ее организаторы — научно-производственная фирма «Плазмацентр» и Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Эта традиционная ежегодная конференция проводится с 1997 г. и является самой крупной в России и странах СНГ по данной тематике. В работе конференции приняли участие 546 человек из различных предприятий и организаций России, Украины, Казахстана, Беларуси, Узбекистана, Эстонии. Со списком участников можно познакомиться на сайте www. technoconf.ru. Там же представлены аннотации 143 докладов и статей, присланных на конференцию.

Работа конференции велась по четырем взаимосвязанным н а п р а в л е н и я м:

— технологии восстановления первоначальной (заданной) геометрии поверхности и сварки изделий;

— конструкционные и эксплуатационные методы повышения долговечности, обработка поверхности изделий;

— технологии упрочнения и восстановления физико-механических свойств поверхности;

— технологии диагностики, дефектации, мойки, очистки, окраски и консервации изделий.

В рамках конференции прошли также ш к о л ы - с е м и н а р ы:

— наплавка, напыление, осаждение — выбор технологии, оборудования и материалов;

— упрочнение деталей машин, механизмов и оборудования различных отраслей промышленности;

— ремонт и восстановление деталей промышленного оборудования;

— технологии увеличения стойкости инструмента, штампов холодного деформирования и пресс-форм;

— восстановление и упрочнение литейной оснастки, кузнечно-прессового инструмента и штампов.

Эта ежегодная конференция проводится в формате диалога и обмена опыта; в числе ее участников ученые, преподаватели и разработчики технологий упрочнения, нанесения покрытий и ремонта, представители промышленности — непосредственные потребители данных технологий, — из разных уголков России и стран СНГ. Здесь осуществляется прямое общение разработчиков и потребителей инновационных проектов. Особенностью конференции является ее практическая направленность: участники могут не только наблюдать за демонстрацией процессов упрочнения, восстановления и ремонта, но и участвовать в нанесении износостойких покрытий на изделия, привезенные с собой.

Традиционно для участников конференции было организовано посещение промышленных участков по восстановлению и нанесению функциональных покрытий с использованием технологий газотермического напыления, наплавки и упрочнения. Были продемонстрированы новый процесс финишного плазменного упрочнения с нанесением алмазоподобного покрытия, способный за несколько минут обработки изделий многократно повысить их стойкость, и технология плазменной наплавки-напыления. Демонстрировались упрочнение привезенного участниками инструмента и технологической оснастки, а также нанесение покрытий на представленные образцы и детали промышленных изделий.

В о б с у ж д е н и и участники конференции отметили сложности внедрения передовых современных технологий упрочнения, восстановления и ремонта. Активно высказывались мнения о целесообразности организации региональных центров реновации технических средств по активизации работ по применению новых наукоемких технологий для ремонта и особенно для упрочнения ответственных деталей и инструмента. Участниками конференции было отмечено широкое применение плазменных, лазерных, ультразвуковых и других высокоэффективных электрофизических процессов для продления ресурса работы деталей, инструмента и технологической оснастки. Нанотехнологии выходят из исследовательских лабораторий и все шире применяются для упрочнения различных изделий. Активно проводятся совместные работы ученых и практиков различных стран СНГ.

К открытию конференции был издан сборник докладов в двух томах общим объемом 847 страниц (143 доклада). Также распространялся компакт-диск всех материалов предшествующих конференций — «Энциклопедия технологий ремонта, восстановления и упрочнения» (порядка 6000 страниц). Была проведена презентация книги «Плазменные технологии. Руководство для инженеров». Авторами монографии являются организаторы конференции Н. А. Соснин, С. А. Ермаков, П. А. Тополянский.

Приглашаем к участию в следующей 15-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», которая состоится 16—19 апреля 2013 г. в Санкт-Петербурге. Заявки просим направлять по электронной почте: info@plasmacentre.ru, тел./факсу: +7 (812) 444-93-37, 444-93-36, тел.: +7 (921) 973-46-74. Наш почтовый адрес: 191167, Санкт-Петербург, а/я 77.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.