CC BY
34
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 539.3
В. С. Жернаков, Т. Н. Мардимасова, М. Р. Арсланов
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ,
ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ НАНОСТРУКТУРНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6
Исследована возможность применения наноструктурного титанового сплава ВТ6 в конструкции законцовки гибкого трубопровода. Проанализированы характер, уровень напряженно-деформированного состояния и остаточных напряжений в деталях изделия. Установлено различие в уровне напряженного состояния при использовании материала ВТ6 и наноструктурного титанового сплава. Титановый сплав ВТ6; наноструктурный титановый сплав ВТ6; законцовка трубопровода; развальцовка
В настоящее время проявляется большой интерес к разработке двигателей нового поколения с улучшенными силовыми и прочностными характеристиками, что также требует увеличение рабочих параметров во вспомогательных системах. Так, увеличение скорости подачи топлива, охлаждения и т. д. приводит к дополнительным нагрузкам на транспортировочные системы. Такие системы подразумевают транспортировку рабочей жидкости через жесткие трубы, однако, в условиях рабочих нагрузок и схемы подключения для стыковки труб применяются гибкие трубопроводы. Основную нагрузку в конструкции гибких трубопроводов при эксплуатации испытывают законцовки, которые обеспечивают герметичность и надежность стыковки. Таким образом, имеется необходимость в доработке применяемых в настоящее время изделий. Одним из решений данной проблемы является замена материала без изменения самой конструкции. Известно, что металлы с измельченными до наноразмеров зернами обладают физико-механическими свойствами, существенно отличающимися от крупнокристаллических материалов. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют
о существенном повышении характеристик статической и циклической прочности, а также высокоскоростной сверхпластичности данных материалов. Применение наноструктурных материалов в элементах конструкций авиационных изделий представляет значительный практический интерес.
Настоящая работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния в деталях законцовки трубопровода, изготовленных
из стандартных [1] и объемных наноструктур -ных материалов, в процессе формирования неразъемного соединения (НС), а также характера распределения остаточных напряжений.
ниппель
вкладыш
э *5 -
Ьв
в
Рис. 1. Эскиз: а - соединения, б - ниппеля, в - вкладыша
а
б
Контактная информация: maratarslanow@yandex.ru
Соединение состоит из двух деталей:
• ниппель (а?1Н = 42,3мм, Ь1Н = 23мм). Деталь типа ниппель на внутреннем диаметре имеет гребешки размерами Ь2Н = 0,3мм и к = 0,2мм.
• вкладыш (а?1В = 42мм, й2В = 45мм, ЬВ = = 107 мм).
На рис. 1, а, б, в приведены эскизы соединения, ниппеля и вкладыша соответственно.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
Изготовление законцовки трубопровода производится методом пластической деформации. Для его осуществления применяется известный и широко используемый способ - раздача (развальцовка).
На рис. 2 приведена схема технологического процесса развальцовки внутреннего диаметра вкладыша.
Рис. 2. Эскиз технологического процесса раздачи
На первом этапе вкладыш зафиксировали в шпинделе станка, и на поверхность наружного диаметра установили ниппель. Далее во вкладыш вводилось специальное приспособление. При поступательном движении конуса вдоль оси Z осуществлялось движение роликов, направленное вдоль оси У. Это привело к нагружению вкладыша внутренним давлением р. Вследствии нагружения производилась раздача внутреннего диаметра. Значение внутреннего давления р зависит от скорости движения и угла конуса.
Следующим шагом в технологической операции являлся вывод раскатника из сформировавшегося соединения. При движении конуса осуществлялся возврат роликов, менялась зона контактного взаимодействия с заготовкой, и на участках, вышедших из взаимодействия, происходила разгрузка. По завершению вывода роликов формировались поля остаточных напряжений и деформаций по всему объему деталей.
При построении расчетной модели процесса, в силу симметрии принимались 1/4 часть деталей и приспособления (рис. 3).
Вкладыш выполнен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, ниппель изготовлен из обычного (для варианта первого расчета) и наноструктурного (для второго варианта расчета) титанового сплава ВТ6. При расчете детали принимались как упругопластические тела. В табл. 1 приведены механические характеристики материалов [2, 3].
Таблица 1
Наименование и обозначение марки материала ^0^ МПа °пч, МПа Ех10-5, МПа
Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т 210 670 2,1
Т итановый сплав ВТ6 700 1150 1,15
Наноструктурный титановый сплав ВТ6 1360 1500 1,15
Ролики выполнены из инструментальной стали 6ХВГ (аТ = 1450 МПа, оПЧ = 1570 МПа). Модуль упругости Е = 3*105 МПа. Учитывая, что модуль упругости оснастки много больше модуля упругости вкладыша (Е = 1,96* 105 МПа) при моделировании оснастку принимаем как абсолютно жесткое тело.
На рис. 3 а, б проиллюстрирована расчетная схема. Как видно на первом этапе внутренняя поверхность вкладыша на участке L\ нагружалась давлением р, соответствующим давлению, создаваемым, контактным взаимодействием роликов приспособления при раздаче.
При составлении расчетной схемы были приняты следующие граничные условия.
Перемещение точек, лежащих на линии 1-2, ограничены в осевом и радиальном направлениях: u (z) = 0 мм, W(z = L3) = 0 мм.
На втором этапе меняется направление воздействия силового фактора р в обратное направление (рис. 3, б). Точки, лежащие на линии
1 -2, могли перемещаться в обоих направлениях.
Численное решение задачи моделирования процесса изготовления соединения было выполнено с помощью метода конечных элементов [4], реализованного в двухмерной осесимметричной постановке с использованием программно-вычислительного комплекса DEFORM 2D.
МНЕ
Рис. 3. Расчетная схема технологического процесса изготовления узла: а - первый этап; б - второй этап
Для создания сеточных аналогов вкладыша и ниппеля использовались прямоугольные 4-узловые плоские элементы. Количество элементов составило 10000 шт для вкладыша и 10000 шт. для ниппеля, количество элементов по толщине вкладыша - 9 шт.
За метод решения принимался итерационный метод Ньютона - Рафсона, для решения систем уравнения использовался метод сопряженных градиентов.
Для снижения влияния на результаты вычислений искажения сеточного аналога и получения достоверных данных, в расчете использовался алгоритм перестроения конечных элементов, в ходе которого данные из старой сетки интерполировались в новую. Критерием перестроения явилось максимальное искажение формы элементов.
Проведение исследования было разбито на два этапа. На первом расчет выполнялся для НС, выполненных из материалов ВТ6 и 12Х18Н10Т.
На рис. 4, а, б показаны поля распределения средних (сплошная линия) и остаточных (пунктирная линия) осевых о2, тангенциальных ое напряжений во вкладыше на наружной поверхности.
4С0
200
0
-200
4М
-(>00
-Ж
*360
ш * 120 V
! Г' 1 \
N ! ч*'! У * !
-710 . -!>:о \
\
20
40
б
Рис. 4 Поля распределения средних и остаточных напряжений после раздачи внутреннего диаметра вкладыша: а - осевые напряжения ог; б - тангенциальные напряжения ое
Видно, что максимальные осевые сжимающие напряжения возникают в зоне контакта гребешков ниппеля и поверхности трубы и достигают значения о = 585 МПа. Ближе к торцу заготовки, осевые напряжения стремятся к нулю, на границе участка Ьх -Ь2 наблюдается рост растягивающих напряжений и их значения достигают максимума - 70 МПа. Подобный характер наблюдается в отношении тангенциальных напряжений. Максимальные тангенциальные сжимающие напряжения равны 710 МПа, а максимальные растягивающие - 360 МПа.
По окончанию процесса изготовления неразъемного соединения в трубе вследствие неоднородности деформаций возникли остаточные напряжения и деформации. На рис. 4, а, б штриховыми линиями проиллюстрированы поля распределения остаточных напряжений после вывода приспособления из трубы. Отметим, что вывод приспособления не приводит к значительному изменению характера распределения напряжений, а происходит падение уровня их значений. Максимальные растягивающие тан-
а
а
б
генциальные напряжения составляют 120 МПа, а сжимающие - 610 МПа. Максимальные значения растягивающих осевых остаточных напряжений равны 160 МПа, сжимающих - 370 МПа.
На рис. 5 приведены графики распределения напряжений в детали типа ниппель в процессе раздачи и по окончанию технологического процесса.
Заметим, что в зоне контакта гребешков ниппеля и наружной поверхности трубы, сжимающие напряжения достигают максимального значения и равны о, = 1000 МПа, ое = 820 МПа. По окончанию обработки в ниппеле формируются поля остаточных напряжений. Как видно из графиков, характер остается неизменным, происходит лишь изменение уровня напряжений. Наибольший спад наблюдается в отношении сжимающих напряжение, их значения равны о*, = 580 МПа, о*е = 650 МПа.
тирная линия) осевых oz, тангенциальных ое напряжений во вкладыше.
<7 , МПа
,400
40
-ХС0
\\ * . 380
\\ \\
\ \ \ ‘ \ V -650 // / >/
V ^ >
-820
520
10
-О Z. мм
а
МПа
400
-800
-1000
-Л_
-8(PV . \ N -580 _ / / -/ / К / s f
10
20
Z, мм
б
Рис. 5. Поля распределения остаточных напряжений: а - осевые напряжения ог; б - тангенциальные напряжения ое
На втором этапе исследования проводился расчет для НС выполненного из наноструктурного титанового сплава ВТ6 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
На рис. 6 а, б показаны поля распределения средних (сплошная линия) и остаточных (пунк-
б
Рис. 6. Поля распределения средних и остаточных напряжений после раздачи внутреннего диаметра трубы; а - осевые напряжения oz; б - тангенциальные напряжения ое
Видно, что максимальные осевые сжимающие напряжения возникают в зоне контакта гребешков ниппеля и поверхности трубы и достигают значения oz = 850 МПа. Ближе к торцу заготовки, осевые напряжения стремятся к нулю, на границе участка L\ - L2 наблюдается рост растягивающих напряжений и их значения достигают максимума - 320 МПа. Подобный характер наблюдается в отношении тангенциальных напряжений. Максимальные тангенциальные сжимающие напряжения равны 780 МПа, а максимальные растягивающие - 360 МПа.
По окончанию процесса изготовления неразъемного соединения в трубе вследствие неоднородности деформаций возникли остаточные напряжения и деформации. На рис. 6, а, б штриховыми линиями проиллюстрированы поля распределения остаточных напряжений после вывода раскатника из трубы. Характер остаточных тангенциальных напряжений сжимающий, и максимальное значение составляет 700 МПа. Максимальные значения растягивающих осевых
а
остаточных напряжений равны 80 МПа, сжимающих - 400 МПа.
На рис. 7, а, б приведены графики распределения напряжений в детали типа ниппель в процессе раздачи и по окончанию технологического процесса.
Заметим, что в зоне контакта гребешков ниппеля и наружной поверхности трубы, сжимающие напряжения достигают максимального значения и равны о2 = 1380 МПа, ое = 880 МПа. Учитывая достаточно напряженное состояние в данной области, гребешки ниппеля в процессе нагружения подвергаются расплющиванию. По окончанию обработки, в ниппеле формируются поля остаточных напряжений. Как видно из графиков, характер остается неизменным, происходит лишь изменение уровня напряжений. Наибольший спад наблюдается в отношении сжимающих напряжений, их значения равны о*г = 800 МПа, о*е = 390МПа
г*. ІЛШ ГїГ
МПа 800 400 О
400
-800
-1200
УК)
7,40 V / / І і / — — і *
и \ ч \ -390 "
-*80
'0
10
а
20 Ъ, .ми
400
т.-
МІ 1а
-400
-800
-І2Ш
-1*00
г*50 90 200
\
/У — /
у
о
10
б
20 Т., ми
Рис. 7. Поля распределения остаточных напряжений: а - осевые напряжения ог; б - тангенциальные напряжения ое
Таким образом, в результате проведенного исследования были получены характер распределения НДС и остаточных напряжений в деталях законцовки трубопровода. В табл. 2, 3 при-
ведены сравнительные данные напряжении, возникающих в процессе нагружения и разгрузки при использовании стандартного материала и наноструктурного титанового сплава.
Т аблица 2
Наименование детали / материал ОЄ max, МПа °г тах, МПа Дое тах, МПа Д О тах, МПа
Ниппель ВТ6 -820 -1000 0 0
Вкладыш 12Х18Н10Т Участок Ь\ -710 -585 0 0
Участок Ь2 360 -400 0 80
Участок Ь3 -150 -420 0 220
Ниппель наноструктурный титановый сплав ВТ6 -880 -1380 60 380
Вкладыш 12Х18Н10Т Участок Ь1 -780 -850 70 265
Участок Ь2 -420 320 140 0
Участок Ь3 380 -400 230 0
Т аблица 3
Наименование детали / материал * О Є max, МПа * О г тах, МПа До*е max, МПа Л * Д О г тах, МПа
Ниппель ВТ6 -650 -580 240 0
Вкладыш 12Х18Н10Т Участок -610 -370 0 0
Участок ^2 -280 -200 180 120
Участок и3 -190 -380 0 100
Ниппель наноструктурный титановый сплав ВТ6 -390 -800 0 220
Вкладыш 12Х18Н10Т Участок и -700 -400 90 30
Участок и2 -100 -80 0 0
Участок и3 -320 -280 130 0
Вычисления разности напряжений производились по формуле 1.
До = 1011 - |02|, (1)
где о1 - напряжения в деталях, изготовленных по стандартной схеме, о2 - напряжения в ниппе-
ле из наноструктурного титанового сплава ВТ-6 и во вкладыше взаимодействующего с ним.
Видно, что в ниппеле, выполненном из наноструктурного материала, уровень осевых и тангенциальных напряжений при нагружении выше, чем в ниппеле, изготовленном из титанового сплава ВТ6 (табл. 2). Разность значений составляет 60 МПа для осевых и 240 МПа для тангенциальных напряжений. Заметим также, что при разгрузке уровень остаточных тангенциальных напряжений меньше у ниппеля, выполненного из наноструктурного титанового сплава, чем у ниппеля из стандартного материала, а в отношении осевых остаточных напряжений прослеживается обратная картина. Разность значений составляет 240 МПа и 220 МПа соответственно (таблица 3).
Что касается НДС во вкладыше, то, как показал анализ, на обоих этапах нагружения, на участке Ь1 уровень напряжений больше при контакте с ниппелем из наноструктурного титанового сплава, чем с деталью из стандартного материала. Во отношении других участков наблюдается несколько иная картина. Так, в криволинейной зоне Ь2 при нагружении во вкладыше при контакте с ниппелем из стандартного материала максимальные тангенциальные напряжения имеют растягивающий характер и сжимающий для осевых напряжений. Наоборот - для вкладыша, взаимодействующего с наноструктурным ниппелем.
Данные различия возникают ввиду изменения механических свойств материала. Так, у наноструктурного сплава увеличен предел текучести, при этом снижена пластичность.
Исследования НДС и остаточных напряжений показали, что в значениях наблюдаются небольшие различия. Также экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что при испытаниях на статическую прочность гибких трубопроводов разрушение конструкции происходит в месте соединения деталей законцовки. Причем разрушению подвергаются зубчики детали типа «ниппель». Учитывая, что прочность наноструктурного материала выше, чем у обычного титанового сплава ВТ6, можно утверждать,
что прочность соединения с использованием такого материала выше, чем с применением стандартного материала.
ВЫВОД
Приведенные результаты свидетельствуют о возможности применения наноструктурного титанового сплава в качестве основного материала для изготовления детали типа ниппель в конструкции законцовки трубопровода. При этом замена материала приведет к увеличению прочности соединения при статическом нагружении. Однако еще не изучена прочность такого соединения при циклических нагрузках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ 1 12923 - 77.
2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 540 с.
3. Добаткин С. В. Объемные металлические нано- субмикрокристаллические материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: МИСиС, 2007. 36 с.
4. Зубченко А. С. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.
ОБ АВТОРАХ
Жернаков Владимир Сергеевич, проф., зав. каф. сопротивления материалов. Дипл. инженер-механик по авиац. двигателям (УАИ, 1967). Д-р техн. наук по тепловым двигателям летательн. аппаратов (УГ АТУ, 1992). Иссл. в обл. механики деформируемых тел и конструкций.
Мардимасова Тамара Николаевна, доц. той же каф. Дипл. инженер-электромеханик по авиац. приборам (УАИ, 1971). Канд. техн. наук по динамике и прочности (УАИ, 1977). Иссл. в обл. механики деформируемых тел и конструкций.
Арсланов Марат Рашитович, асп. той же каф. Дипл. инженер-механик по оборудованию и технологии сварочн. производства (УГАТУ, 2010). Иссл. в обл. механики деформируемых тел и конструкций.
