CC BY
7
_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.775
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВКМ СИСТЕМЫ Al-B
В.И. Галкин, докт. техн. наук, А.Р. Палтиевич, канд. техн. наук, Е.В. Преображенский, канд. техн. наук (МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского,
121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3)
Рассматриваются вопросы применяемости методов математического моделирования к анализу формоизменения материала при обработке давлением. Показаны особенности формирования изделий из волокнистых композиционных материалов (ВКМ), критерии образования прочной связи между компонентами. Приведены примеры использования конечно-элементных программных продуктов ANSYS-DYNA, Qform при моделировании процессов изготовления изделий из композиционных материалов.
Ключевые слова: композиционные материалы, компактирование, математическое моделирование, конечные элементы, критерии компактности.
Features of Technological Process Design via Mathematical Simulation Methods to Manufacture Al-B Fibrous Composite Products. V.I. Galkin, A.R. Paltievich, Ye.V. Preobrazhensky.
Problems of applicability of mathematical simulation methods for analysis of material forming in case of metal plastic working are discussed. Features of fibrous composite product forming and criteria of strong link formation between components are shown. Examples of the use of ANSYS-DYNA and Qform finite element software products for simulation of composite product manufacture processes are presented.
Key words: composites, compaction, mathematical simulation, finite elements, compactness criteria.
В настоящее время наблюдается значительная востребованность в конструкционных силовых элементах большой прочности и малой массы [1-2]. Этим целям в полной мере отвечают изделия из гетерогенных материалов, таких как ВКМ системы А1-В. Типичными силовыми элементами, получаемыми из этих материалов, являются трубы, гнутые профили и оболочки.
Особенность таких материалов - сочетание материалов с различными физическими и механическими свойствами. ВКМ А1-В состоит из пластичной матричной составляю-
щей и жесткого упрочняющего волокна. Металлическая матрица обеспечивает работоспособность изделия в широком диапазоне температур и дополнительно упрочняет сборную композицию. Применение компонентов с различными физико-механическими свойствами создает проблему их физической и химической совместимости как на этапе изготовления изделий из ВКМ, так и в процессе их эксплуатации. Для армированных материалов с металлической матрицей проблема физической совместимости обусловлена, в основном, различием в коэффициентах ли-
нейного термического расширения при одинаковых давлениях и температурах. В ряде случаев при производстве и эксплуатации композиционных материалов возникает химическая несовместимость компонентов.
Такая структура ВКМ требует совершенно иного подхода к проектированию технологических процессов изготовления изделий и полуфабрикатов. Высокие механические свойства материала в первую очередь зависят от прочности борного волокна и от качественной связи между ним и матричной основой. Получение качественного изделия из гетерогенных материалов в наибольшей степени связано с процессом компактирования заготовки.
В процессе эксплуатации изделий из ВКМ матрица распределяет приложенную нагрузку между волокнами. Таким образом, качество соединения компонентов композиционного материала имеет основополагающее значение, определяющее основные физико-механические свойства ВКМ. Любой технологический процесс изготовления ВКМ должен удовлетворять следующим требованиям [3]:
1. Получаемые изделия должны иметь компактное строение.
2. При изготовлении изделий из ВКМ должна формироваться прочная адгезионная связь между матричной составляющей и уп-рочнителем, а также между матричными слоями.
3. Изделия должны сохранять исходную прочность и сплошность волокон упрочнителя.
4. Необходимо обеспечивать равномерное распределение волокон в матрице с заданными шагом, геометрией ячеек и характером армирования как на стадии получения полуфабрикатов, так и в готовом изделии.
5. Должна быть обеспечена возможность осуществления последующей сварки, пайки, склеивания или клепки, особенно это важно при производстве полуфабрикатов и узлов из ВКМ, которые затем собираются в конструкции или изделия.
Большинство процессов обработки металлов давлением может быть применено для получения ВКМ. Однако строение и состав композиционных материалов предопределяют принципиально иные подходы к разработ-
ке технологических процессов производства ВКМ по сравнению с обычными способами обработки гомогенных материалов.
Наиболее оптимальным является получение ВКМ компактного строения за один переход. В этом случае можно обеспечить, с одной стороны, должную величину напряжения компактирования, а с другой - лимитировать нагрузку на волокна и время протекания процесса. Недостатки стандартного оборудования ОМД заключаются в значительных скоростях перемещения инструмента, что не дает возможности в полном объеме произойти временному адгезионному взаимодействию компонентов. Решение проблемы находят в многоэтапном характере компактирования. Однако это существенно снижает производительность процесса, а длительное пребывание заготовки в разогретом состоянии влечет термическое разупрочнение волокон. До недавнего времени считалось, что для производства ВКМ целесообразно использовать типовое оборудование ОМД, однако последние исследования доказывают целесообразность разработки специального оборудования, учитывающего специфику ВКМ [4].
Длительное изучение процессов компактирования и производства изделий из ВКМ на кафедре ТОМД в МАТИ-РГТУ имени К.Э. Циолковского позволило спроектировать специальное оборудование, учитывающее специфику ВКМ: лабораторный прокатный стан, волоку специальной конструкции, гибочный стан.
Взаимосвязь основных параметров технологического процесса описывает система критериальных выражений, основывающаяся на требованиях, предъявляемых к изготавливаемому изделию. Критериальные выражения позволяют оценить оптимальные и предельно допустимые параметры технологического процесса.
К настоящему времени сформулированы следующие критерии: компактности, формирования прочного соединения компонентов, сохранения сплошности и прочности волокон.
Требуемые критериальные параметры для различных процессов получения изделий из ВКМ эффективно определять с помощью математического моделирования.
Моделирование технологических процессов изготовления изделий из ВКМ принципиально отличается от моделирования формоизменения гомогенных материалов. Стандартные CAE-системы для моделирования технологических процессов ОМД в этом случае мало применимы, так как ВКМ пористый, т. е. не является сплошной дискретной средой.
В ряде случаев, например исследование процесса компактирования в элементарной ячейке ВКМ Al-B, программа QForm позволяет определить по слоям действующие НДС (рис. 1) и температурно-скорост-ные параметры .
Однако если рассматривать процесс компактирования и заготовку из ВКМ в целом, то необходимо либо применять очень большие допущения, что обязательно скажется на точности результатов, либо использовать иные, универсальные конечно-элементные программы, например ANSYS-DYNA.
Основная задача при проектировании процесса изготовления изделий из ВКМ это нахождение усилия компактирова-ния в зависимости от параметров сборной заготовки и температуры. При этом параметры технологического процесса должны соответствовать требованиям критериальной си-
стемы, что обеспечит изделию надлежащее качество.
Исследование процессов гибки и обкатки, выполненное в среде ДЫБУЗ-ОУМЛ, позволило для процесса гибки профилей из ВКМ определить такие управляющие параметры, как минимально допустимый относительный радиус гиба, максимальные растягивающие напряжения (рис. 2), а также
Рис. 1. Распределение напряжений внутри элементарной ячейки при различных смещениях шага укладки волокон Б по слоям. ВКМ системы А1-В, материал матрицы АД1
Рис. 2. Напряжения в очаге деформации при гибке
сформулировать основные функциональные зависимости.
Исследование процесса обкатки (рис. 3) позволило определить величины требуемых усилия и скорости, описать параметры очага деформации и в результате сформулировать функциональную зависимость усилия компактирования от параметров заготовки при заданных скорости, температуре и среде.
Результаты математического моделирования были подтверждены в ходе дальнейшего экспериментального исследования и показали хорошую сходимость с теоретическими данными [5]. Лабораторные испытания доказали, что качество полученных изделий позволяет использовать их в деталях ответственного назначения, в том числе в виде усиливающих элементов летательных аппаратов.
На разработанные способы производства армированных труб, длинномерных профилей и оболочек из ВКМ получены патенты РФ на изобретение.
Рис. 3. Моделирование обкатки оболочек из ВКМ:
а - определение усилия прижима валка; б - моделирование распространения напряжения при движении валка; в - напряжения компактирования в очаге деформации
Заключение
Таким образом, проделанная работа свидетельствует о том, что уже сегодня современные программные САЕ-системы вполне пригодны для моделирования пластической деформации заготовок гетерогенного строения. Хотя еще нельзя сказать, что любой технологический процесс компактирования металлической композиции может быть реализован, а время расчетов наиболее слож-
ных моделей может исчисляться сутками. Однако учитывая темпы прогресса в области информационных технологий, можно уверенно утверждать, что уже через несколько лет в стандартном арсенале рядового технолога появятся специализированные САЕ-системы и аппаратное обеспечение, возможности которых позволят в реальном режиме времени моделировать альтернативные схемы проектируемых процессов и, в частности, компак-тирование композиционных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Comprehensive Composite Materials/Под ред. A. Kelly, C. Zweben. V. 3. Metal Matrix Composites. UK: Cambridge University Press, 2000.
2. Lenoe E.M. and Hoppel C.P.R. Metal Matrix Composites for Army Applications//Proceedings of the ARL/USMA Technical Symposium. West Point, NY, 3 November 2000. P. 157-178. Петров А.П., Галкин В.И., Палтиевич А.Р. Применение аппарата математического моделирования при производстве изделий из гомо- и гетерогенных материалов методами обработки металлов давлением//Сборник научных трудов
3.
международной конференции «Деформация и разрушение материалов» - М.: ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, 2006.
4. Палтиевич А.Р. Получение изделий с заданным комплексом механических свойств в процессах обработки металлов давлением с применением методов математического моделирования //Технология машиностроения. 2008. № 8.
5. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: справ./Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
