CC BY
15
3. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. ГОСТ 454371: межгосударственный стандарт Российской Федерации.: утвержден и введен в действие постановлением государственного комитета СССР по стандартам от 18.06.71 №1148.: взамен ГОСТ 1050-60.: дата введения 01.01.1973. М.: Стандартинформ, 2008. 40 с.
4. Крайнов А.Ю., Миньков Л.Л. Численные методы решения задач тепло- и массопе-реноса: учеб. пособие. Томск: STT, 2016. 92 с.
5. Паршин В.С., Карамышев А.П., Некрасов И.И., Пугин А.И., Федулов А.А. Практическое руководство к программному комплексу Deform 3D: УрФУ, 2010. 266 с.
Сидоров Роман Александрович, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
OPTIMAL TEMPERATURE CALCULATION OPTION HEATING OF THE WORKPIECE DURING THE IMPLEMENTATION OF A MULTI - TRANSITION SEMI-HOT STAMPING BY EXTRUSION
R.A. Sidorov
A variant of calculating the optimal heating temperature of workpieces during the implementation of multi-transition operations of semi-hot stamping by extrusion is presented. The calculation of the optimal heating temperature of the workpiece for two-pass semi-hot stamping by extrusion ofpipes made of 30KHN2MFA steel has been carried out.
Key words: multi-pass stamping, semi-hot stamping by extrusion, preheating, temperature of phase transformations.
Sidorov Roman Alexandrovich, postgraduate, sidrom98@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9; 621.7.044.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-154-159
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ СПИРАЛЬНОГО ИНДУКТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ ANSYS
ИВ. Зверев
Проведена оценка прочности спиральных индукторов различных диаметров и сечений витков из трех материалов с использованием программы ANSYS. Для каждого случая определено максимальное давление, при котором элементы индуктора начинают переходить от упругих деформаций к пластическим. Во всех случаях расчета было обнаружено, что максимальные напряжения достигаются во втором или предпоследнем витке, расположенных либо сверху, либо снизу от закрепленных витков. Показано, что закрепление индуктора и учет трения с изоляцией позволяют увеличить максимальные напряжения в индукторе примерно в 1,33 раза, без повышения прочностных свойств его материала.
Ключевые слова: моделирование, индуктор, спираль, прочность, метод конечных элементов, нагрузки, упругое и пластическое деформирование.
Программный комплекс ANSYS широко используется для моделирования и проектирования различных изделий и конструкций. С помощью ANSYS, используя метод конечных элементов, можно выполнять расчеты напряжений и деформаций как в упругой, так и пластической областях [1-2].
Исследованиям математических моделей индукторов для обжима и изучением их напряженно-деформированного состояния при нагружении посвящен ряд работ, проводимых С.Ф. Головащенко [3], В.Д. Кухарем [4] и другими.
В работе [4] рассматривался пятивитковый индуктор из работы [3], верхний и нижний витки которого принимались жестко закрепленными и заделанными (фиксировались 2 слоя конечных элементов). Далее решалась упругая задача, колебания считались незатухающими.
154
Спираль индуктора перед сборкой показана на рис. 1, где видно, что индуктор представляет собой витую пружину с плоскими витками и приваренными токовыводами.
Рис. 1. Спираль индуктора с изоляцией перед сборкой
Однако на самом деле, если посмотреть на типовую конструкцию индуктора, показанного на рис. 2, а-б, то видно, что между витками проложен слой изоляции, витки поджаты, а крепеж вместе с распорными втулками не позволяет виткам спирали смещаться в вертикальном направлении.
При совершении технологической операции витки индуктора испытывают упругие колебания и при перемещениях взаимодействуют с изоляцией, что проявляется в виде трения и затухания колебаний.
Для моделирования выбрали три характерных материала индуктора - медь М2, берил-лиевую бронзу БрБ2 и сталь 20.
Мы проводили моделирование только механической системы индуктора в сборе с изоляцией, влияние заготовки при разряде моделировали приложением к виткам распределенного давления по их внутренней поверхности.
Давление задавали по закону треугольника, начиная с нуля до максимального за время Т= 50 мкс.
Мы рассматривали, как и в работе [4], только упругие колебания.
Путь решения в среде Ansys Workbench был следующий.
Динамический анализ проводили в модуле ANSYS Transient Structural.
Расчет производили только в линейной области, с использованием упрощенных линейных моделей поведения материалов (без учета деформационного упрочнения и скоростных эффектов), при этом для материала индуктора использовали модель изотропного однородного тела, а для текстолита - модель анизотропного материала (шаблон Anisotropic Elasticity, плотность Density).
Константы E, G, m, B, и другие приняли согласно нормативно-технической документации на материалы [5].
При подготовке геометрии была создана сборка, состоящая из спирали индуктора и изоляции (с включением в сборку корпусных деталей - верхней и нижней плит). Разработку геометрии выполняли в редакторе KOMnAC-3D, с последующим импортом данных.
В разделе Model выбрали граничные условия. Использовали условия Fixed Support (запрет вращательных и поступательных степеней свободы) или Displacement (ограничение перемещений на требуемую величину).
В разделе Analysis Setting были заданы следующие параметры:
- число шагов (number of steps),
- время одного шага (step end time), соответствующие длительности нагружения (в таблице Tabular Data задаем необходимое время для каждого шага),
- для каждого шага заданы начальное время расчета (initial time step) 0,25 мкс, минимальный временной инкремент (minimal time step) 0,25 мкс, максимальный временной инкремент (maximum time step) 0,5 мкс (согласно выбранному критерию устойчивости).
В качестве нагрузок, используя условия Force или Pressure, задали распределения давления по поверхностям спирали индуктора.
Остальные настройки были оставлены без изменений.
Запустили расчет проекта.
В разделе Solution, используя поля распределений напряжений по Мизесу, проводили анализ напряжений в индукторе и изоляции.
Для изоляции допускается анализ проводить по главным напряжениям Principal Stress. Так как анализ производится в линейной области, то значения напряжений не должны превышать предел текучести для материала индуктора и временного сопротивления для текстолитовой изоляции.
б
Рис. 2. Типовая конструкция индуктора для обжима: а - схема, б - реальная конструкция; 1 - токовыводы; 2 - спираль (витки) индуктора; 3,4, 11 - изоляция; 5, 10 - верхняя и нижняя плиты; 6, 7, 8 - крепеж; 9 - распорная втулка
Расчет динамического поведения инструмента при технологическом нагружении заключается в определении перемещений и напряжений как функций времени. Окончательные результаты расчетов представлены в табл. 1.
Ниже, на рис. 3 и 4, приведены графики, построенные в среде ANSYS для опыта №18.
Результаты моделирования индукторов
Таблица 1
№ Лвит Материал спирали От, МПа Размеры витка, мм P1., МПа P2., МПа
высота ширина
1 50 4 Медь М1 70 8 4 8 6
2 50 4 Бронза Бр2 220 8 4 20 15
3 50 4 Сталь 20 250 8 4 22 16,7
4 50 7 Медь М1 70 4 8 15 11
5 50 7 Бронза Бр2 220 4 8 27 20,5
6 50 7 Сталь 20 250 4 8 35 26,25
7 100 4 Медь М1 70 8 4 5,5 4
8 100 4 Бронза Бр2 220 8 4 11,15
9 100 4 Сталь 20 250 8 4 12
10 100 7 Медь М1 70 4 8 13 10
11 100 7 Бронза Бр2 220 4 8 19,5
12 100 7 Сталь 20 250 4 8 27
13 153 4 Медь М1 70 8 4 3
14 153 4 Бронза Бр2 220 8 4 6,5
15 153 4 Сталь 20 250 8 4 8
16 153 7 Медь М1 70 4 8 8 6
17 153 7 Бронза Бр2 220 4 8 11,25
18 153 7 Сталь 20 250 4 8 12,5
Бвк. - внутренний диаметр спирали индуктора; Лвит - число витков; От-предел текучести; Р\ - максимальное давление на индуктор с учетом трения; Р2 - максимальное давление без учета трения,
газ
3,е-5 4,е-5 5,е-5
Время, с
Рис. 3. Зависимость полной деформации от времени
2,9564е^Е
<7экв; Па
2,4е+3
г.е+8
222,« .................................——........—-|...........-
О, 1,е-5 г.г-5 3,с 5 4,е-5 5,е 5
Время, с
Рис. 4. Эквивалентное напряжение в индукторе
Было установлено, что максимальные напряжения достигаются в витках индуктора на стороне, обращенной к заготовке.
Но в отличие от результатов работы [4] было обнаружено, что максимальные напряжения достигаются не в среднем витке, а во втором или предпоследнем витке, расположенных либо сверху, либо снизу от закрепленных витков. На рис. 5 приведено распределение интенсивности напряжений в опасном сечении индуктора в момент времени ¿=50 мкс, соответствующий максимуму интенсивности напряжений. Для наглядности перемещение витков индуктора увеличено, а текстолитовая изоляция условно не показана.
Турег Гу.1'Г пйзШъ
йп^! Ра
Рис. 5. Эквивалентное напряжение в индукторе
Из табл. 1 были выбраны опыты из 2-х последних колонок, где Р\ -максимальное давление с учетом трения, а Р2 -максимальное давление без учета трения. Они были проранжированы по возрастанию давления, см. табл. 2. Построен график, см. рис. 6, на котором показаны эти зависимости.
Таблица 2
Результаты моделирования максимального давления по прочности индуктора_
№ п/п Максимальное давление, МПа Отношение P1 / P2
С учетом трения, Pi Без учета трения, P2
1 5,50 4 1,38
2 8 6 1,33
3 13 10 1,30
4 15 11 1,36
5 20 15 1,33
6 22 16,7 1,32
7 27 20,5 1,32
8 35 26,25 1,33
Среднее 1,33
1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 6. Зависимости максимального давления по прочности индуктора
Выводы:
1) Во всех случаях расчета, в отличие от результатов работы [4], было обнаружено, что максимальные напряжения достигаются не в среднем витке индуктора, а во втором или предпоследнем витке, расположенных либо сверху, либо снизу от закрепленных витков.
2) Закрепление индуктора и учет трения с изоляцией позволяют увеличить максимальные напряжения в индукторе примерно в 1,33 раза, без повышения прочностных свойств его материала.
Список литературы
1. Каплун А.Б., Морозов, Е.М., Олферьева, М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.
2. Федорова Н.Н., Вальгер С.А., Данилов М.Н., Захарова Ю.В. Основы работы в ANSYS 17. М.: ДМК Пресс, 2017. 210 с.
3. Головащенко С.Ф. Теория и методы проектирования технологических процессов электроимпульсной штамповки: дне. д-ра техн, наук. М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1995. 460 с.
4. Желтков В.И., Кухарь В.Д., Киреева А.Е. Моделирование индуктора, использованного в экспериментах С.Ф. Головащенко // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3. 2009. С. 151-153.
5. Марочник сталей и сплавов. 4-е изд., переработ. и доп. / Ю Г. Драгунов, А С. Зуб-ченко, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. Ю Г. Драгунова и А С. Зубченко. М.: 2014. 1216 с.
Зверев Иван Вячеславович, заместитель начальника многопрофильного производства, [email protected], Россия, Тула, ПАО «ИТОЗ»
SIMULATION AND STRENGTH CALCULATION OF A SPIRAL INDUCTOR USING THE ANSYS
PROGRAM
I.V. Zverev 158
The strength of spiral inductors of various diameters and sections of coils made of three materials using the ANSYS program has been evaluated. For each case, the maximum pressure at which the inductor elements begin to transition from elastic to plastic deformations is determined. In all cases of calculation, it was found that the maximum stresses are reached in the second or penultimate turn, located either above or below the fixed turns. It is shown that fixing the inductor and taking into account friction with insulation can increase the maximum stresses in the inductor by about 1.33 times, without increasing the strength properties of its material.
Key words: modeling, inductor, spiral, strength, finite element method, loads, elastic and plastic deformation.
Zverev Ivan Vyacheslavovich, deputy chief of multi-profile production, [email protected], Russia, Tula, PJSC «ITOZ»
УДК 621.9; 621.7.044.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-159-164
РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ СПИРАЛЬНОГО ИНДУКТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
И.В. Зверев, Н.Е. Проскуряков
Проведена оценка прочности спиральных индукторов различных диаметров и сечений витков из трех материалов с использованием многофакторного планирования эксперимента. Показано, что чем меньше внутренний диаметр индуктора, тем большее рабочее давление, которое выдержит индуктор при работе; хотя стальной индуктор выдерживает большее значение рабочего давления в абсолютном значении, в относительном виде лидируют медный и бронзовый индуктора; максимальное давление, которое индуктор выдерживает без перехода в пластическое состояние, зависит от момента сопротивления сечения его витков, в частности для стального индуктора, при увеличении радиальной ширины витка и площади сечения, максимальное давление возрастает более чем в 3 раза, что позволяет рекомендовать для повышения стойкости инструмента изготавливать индукторы с увеличенной радиальной шириной витка
Ключевые слова: моделирование, индуктор, спираль, прочность, многофакторное планирование эксперимента, нагрузки, рабочее давление, момент сопротивления сечения, стойкость инструмента.
На основе программного комплекса ANSYS были проведены расчеты механической системы индуктора для обжима заготовок магнитно-импульсной штамповкой [1]. Индуктор в сборе вместе с изоляцией показан на рис. 1.
При совершении технологической операции витки индуктора испытывают упругие колебания и при перемещениях взаимодействуют с изоляцией, что проявляется в виде трения и затухания колебаний. Для расчетов и моделирования выбрали три характерных материала индуктора - медь М2, бериллиевую бронзу БрБ2 и сталь 20. Их механические характеристики принимали согласно нормативно-технической документации на материалы [2].
Рассматривали динамическое поведение индуктора при моделировании технологического нагружения, при этом влияние заготовки при разряде моделировали приложением к виткам распределенного давления по их внутренней поверхности.
В результате расчетов получали значения максимального давления на индуктор до начала перехода материала индуктора из упругого в пластическое состояние. В МКЭ-модели индуктора учитывали взаимодействие индуктора с межвитковой изоляцией из текстолита.
Окончательные результаты расчетов представлены в таблице.
159
