CC BY
126
Polyakova Marina Andreevna, сandidate of technical sciences, docent, m.polyakova-64@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University,
Gulin Alexandr Evgenyevich, postgraduate, walter chel@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk Nosov State Technical University
УДК 621.73.06-52
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАПАСА ПЛАСТИЧНОСТИ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ В ПРОЦЕССАХ ГИБКИ ПРОТАЛКИВАНИЕМ НА ТРУБОГИБОЧНОМ СТАНКЕ
В.Е. Харсеев
В программном комплексе ((¥огш 7 проведено математическое моделирование процессов гибки трубной заготовки на трубогибочном станке методом проталкивания по четырем различным схемам. На основании полученных результатов выполнен сравнительный анализ рассматриваемых схем с позиций накопления поврежденности при помощи линейного критерия В.Л. Колмогорова и нелинейного критерия В.А. Огородникова.
Ключевые слова: гибка, трубная заготовка, математическое моделирование, разрушение, степень использования запаса пластичности.
При создании современной ракетно-космической и авиационной техники к деталям трубопроводов за частую предъявляются повышенные физико-механические требования, вызванные особенностями их условий работы, в связи с чем, при их изготовлении все большее применение находят высоколегированные труднодеформируемые металлы. В случае применения данных металлов, вследствие пониженной пластичности, при проектировании процессов гибки труб необходимо основываться не только на прогнозировании потери устойчивости, но и на возможности разрушения в результате исчерпания ресурса пластичности.
Целью работы является исследование влияния траектории перемещения гибочного ролика на этапе подгиба на использование ресурса пластичности материала заготовки в процессах гибки труб по схеме проталкиванием на трубогибочном станке по средствам математического моделирования.
Расчет степени использования запаса пластичности проводился по методике изложенной в работе [6] и сводящейся к следующему алгоритму:
математическое моделирования процесса; определение опасных точек и запись в них необходимых параметров напряженно-деформированного состояния в отдельный файл, математическая обработка записанных результатов и вычисление критериев разрушения.
В качестве опытного образца была принята деталь, изображенная на
1 тх - 38X6 ГОСТ 8732-78
рис. I. Исходная заготовка - труба
12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
Моделирование проводилось для четырех схем гибки проталкиванием [3]: радиально-дуговая, прямоугольная, диагональная встречная и диагональная попутная. Процесс гибки состоит из двух этапов: этап подгиба, на протяжении которого помимо проталкивания осуществляется подгибка трубы за счет выхода гибочного ролика в заданную точку, и этап до-гиба, на котором производится только проталкивание трубы. Кинематические расчетные схемы этапов подгибки представлены на рис. 2. В различных схемах отличались лишь траектория выхода ролика в заданную точку.
Рис. 1. Эскиз опытной детали
Реологические свойства материала были взяты из стандартной библиотеки материалов (^Рогт 7. Во всех случаях проводилось моделирование половины задачи с заданием соответствующих свойств геометрической симметрии. Вращение роликов задавалось нулевым коэффициентом трения. Также при моделировании были принято, что деформируемое тело является жесткопластическим и изотропным. Условие, лимитирующее размер сетки конечных элементов, - размер элемента не более 1,2 мм.
В настоящее время существует множество различных макроскопических феноменологических теорий разрушения, все их можно классифицировать по трем группам: механические теории прочности, энергетические теории и деформационные теории. Наибольшее распространение в анализе процессов обработки давлением получили деформационные критерии, что связано с рядом их преимуществ перед теориями двух других типов [5]. Деформационные критерии по существу выражают связь между
пластичностью и накопленной степенью деформации в зависимости от ряда термомеханических параметров процесса. Исходя из величин, которые (Уогт 7 позволяет записывать в трассируемых точках, в качестве критериев разрушения были приняты деформационная теория В.Л. Колмогорова и деформационная теория В.А. Огородникова.
в г
Рис. 2. Кинематические расчетные схемы этапов подгибки: а - диагональная встречная схема, б - диагональная попутная схема, в - прямоугольная схема, г -радиально-дуговая схема: 1 - толкатель, 2, 3,4 - гибочные ролики, У1 -линейная скорость ¡-ого звена, 60, -угловая скорость У-го звена
В соответствии с теорией В.Л. Колмогорова критерий разрушения выглядит следующим образом [2]:
I
I
Н
¥ = | ЕВ — (И < 1,
(1)
где Н - скорость деформации сдвига; £ - время; £к - время окончания процесса; Е и В - коэффициенты наследственности: в связи с отсутствием данных о фактических значениях в расчете не учитываются
Е = В = 1, (2)
Ар - предельная степень деформации сдвига, которую может претерпевать
материал при определенном постоянном показателе вида жесткости напряженного состояния: в качестве диаграммы пластичности принималась экспоненциальная аппроксимирующая функция
Ар(г]) = а-еь^ + с, (3)
где а,Ъ,с - коэффициенты, полученные в результате подбора методом наименьших квадратов, по опытным данным, приведенным в [1]:
а = 1,305; Ь =-0,481; с = 0,821; (4)
г] - показатель жесткости напряженного состояния:
Л = (5)
О*
где <тср - среднее нормальное напряжение; сг^ - интенсивность напряжений.
Таким образом, преобразуем критерий разрушения Колмогорова к виду
Г Н [ с1А С с^ . „
Ч> = ЕВ —(11= — = л/3 —-<1, (6)
} Лр } Ар } Ар
где - степень деформацииОшибка! Источник ссылки не найден.; Лк - степень деформации сдвига в конце процесса; к - степень деформации в конце процесса; р - показатель пластичности материала, отражающий предельную степень деформации, которую может претерпевать материал при определенном показателе вида жесткости напряженного состояния.
В соответствии с теорией разрушения В.А. Огородникова критерий разрушения имеет следующий вид [4]:
£1_к а агс1ап^7
Г ¿Л £,■ 1 ¥= (1 + а агс1вп ——) —-^ < 1, (7)
£■ аЕ1 I-Р
где а - константа:
а = 0,2; (8)
£1* р - предельная степень деформации, которую может претерпевать материал при определенном показателе вида жесткости напряженного состояния и определенной величине третьего инварианта тензора напряженного состояния: влиянием третьего инварианта тензора напряженного состояния пренебрегаем, так как (^Рогт 7 не предоставляет возможности в автоматическом режиме записывать данные, позволяющие рассчитать коэффициенты, учитывающие его влияние:
л/3'
Рис. 3. Изменение степени использования запаса пластичности: а - по теории Колмогорова на этапе подгиба; б - по теории Огородникова на этапе подгиба; в - по теории Колмогорова на протяжении всей гибки; г - по теории Огородникова на протяжении всей гибки; 1 - диагональная встречная схема; 2 - диагональная попутная схема; 3 - прямоугольная схема; 4 -радиально-дуговая схема
С учетом вышесказанного критерий разрушения Огородникова принимает следующий вид:
й--^
£1_к ^ З^ср о,2 агс^ап ^
ч>
ГГ. £■ 1 (1Е/
(1 + 0,2 аг^ап —) —--1.
. -------<7;
, л ч 1+0,2 агс^ап .
чТзУ
Из математического моделирования процессов гибки в программном комплексе QForm 7 были получены необходимые для расчета степени использования запаса пластичности характеристики напряженно-деформированного состояния в опасных точках. Дальнейшая обработка результатов проводилась в программе Microsoft Excel. На рис. 3 приведено изменение степени использования запаса пластичности в опасных точках по приведенным выше теориям разрушения.
На основании полученных результатов с позиции использования ресурса пластичности можно сделать следующие выводы: наиболее благоприятной на этапе подгиба является радиально-дуговая траектория перемещения гибочного ролика; на этапе подгиба диагональная встречная, диагональная попутная и прямоугольная схемы гибки проталкиванием практически тождественны, незначительные отклонения вызваны вычислительной погрешностью метода; в случаях гибки с преобладающим по времени этапом догиба траектория перемещения гибочного ролика на этапе подгиба не оказывает влияния на общую степень использования запаса пластичности в опасной точке.
Список литературы
1. Богатов А.А.. Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1984, с. 144.
2. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Изд-во «Металлургия», 1970. 229 с.
3. Оптимизация процесса гибки трубопроводов методом проталкивания, рассмотренным на примере трубогибочного станка модели СТОПН-80 ФГУП "НПО "Техномаш" / Л.М. Овечкин [и др.] Прогрессивные разработки ученых - новым изделиям ракетно-космической техники: сборник научных трудов / под ред. д-ра техн. наук В.Г. Бещекова. М: ФГУП "НПО "Техномаш", Фолиум, 2013. 228 с.
4. Огородников В. А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Вища школа, 1983. 174 с.
5. Харсеев В.Е. Макроскопические феноменологические модели и теории разрушения обработки материалов давлением. // Обработка материалов давлением: сборник научных трудов. Краматорск: ДГМА, 2013. № 3 (36). 254 с.
6. Харсеев В.Е., Кривенко Г.Г. Прогнозирование возможности разрушения металла при гибке трубной заготовки. // Прогрессивные разработки ученых - новым изделиям ракетно-космической техники: сборник научных трудов / под ред. д-ра техн. наук В.Г. Бещекова. М: ФГУП "НПО "Техномаш, Фолиум, 2013. 228 с.
Харсеев Виталий Евгеньевич, асп, harseevve@mail.ru, Россия, Москва, Университет машиностроения - Московский государственный машиностроительный университет мами)
MEASURING THE EXTENT OF PLASTICITY MARGIN TUBULAR BLANK DURING BENDING PUSH ON BENDING MACHINES
V.E. Harseev
In the software package QForm 7 mathematical modeling bending processes billets on pipe bending machine by pushing the four different schemes. Based on these results the comparative analysis of the schemes from the standpoint of the accumulation of damage using a linear criterion V.L.Kolmogorova and linear criterion V.A.Ogorodnikova.
Key words: bending, billet, mathematical modeling, the destruction, the degree of use of the reserve of plasticity.
Harseev Vitaly Yevgenyevich, postgraduate, harseevve@mail.ru. Russia, Moscow, University of Engineering - Moscow State Engineering University (MAMI)
