CC BY
69
УДК 620.171.2
СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ
РАСТЯЖЕНИЕМ/СЖАТИЕМ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПОЛОС
В.Е. Харсеев, П. А. Петров
Работа посвящена исследованию вновь предложенного способа исследования пластичности металлов растяжением/сжатием специальных полос и состоит из двух частей. В первой части представлено подробное описание нового метода; во второй -выполнено исследование его возможностей посредством проведения испытаний на растяжение восьми специальных полос из алюминиевого сплава АМг6 ГОСТ 4784-97.
Ключевые слова: пластичность; способ исследования; показатель напряженного состояния; показатель вида напряженного состояния; компьютерное моделирование; DEFORM.
Под пластичностью обычно понимают способность металла при определенных условиях необратимо деформироваться без разрушения в виде макроскопических нарушений сплошности [2, 3, 5, 8]. В качестве количественной характеристики пластичности целесообразно применять степень деформации, накопленную материалом к моменту разрушения е р [13, 5, 8]:
еР = е4=1Р ,
где t - время деформирования, с; tР - время деформирования, соответствующее моменту разрушения, с; е^ - степень деформации:
t
е = I е ¡ж, 0
где &1 - интенсивность скоростей деформации.
Одним из ключевых параметров процесса, определяющих пластичность, является напряженное состояние материала. Его влияние характеризуется поверхностью пластичности, отражающей зависимость степени деформации, накопленной к моменту разрушения, от величины показателя напряженного состояния и показателя вида напряженного состояния. В качестве показателей напряженного состояния ^ и вида напряженного состояния %, с учетом выводов работы [1] приняты величины, предложенные С.И. Губкиным [2] и А. А. Богатовым [3]:
Л = о/а, % = то,
где о - среднее нормальное напряжение, МПа; о^ - интенсивность нормальных напряжений, МПа; то - показатель Надаи-Лоде.
123
Представленные в работе [3] данные, отражающие диапазоны изменения показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния, характерные для различных способов обработки металлов давлением, свидетельствуют о том, что для адекватного прогнозирования возможности разрушения в процессе формоизменения необходимо определить пластичность металла в широком диапазоне изменения показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния, включающих положительные и отрицательные их значения.
Анализ известных методов исследования пластичности металлов, не требующих применения специализированного оборудования [4 - 7], показал, что решить описанную задачу без привлечения нескольких способов, требующих различного испытательного оборудования, позволяют только два метода: растяжение/сжатие образцов типа «бабочка» под различными углами [4] и радиальное выдавливание в каналы определенной формы [5]. Применение первого метода ограничено необходимостью изготовления специализированного приспособления, позволяющего прикладывать растягивающую и сжимающую нагрузку к образцу под углом, изменяющимся в диапазоне от 0° до 90° с шагом 5°; второго - необходимостью изготовления комплекта матриц, различающихся формой канала, определяемой полиномиальными уравнениями.
Целью работы являлось разработка метода, позволяющего исследовать пластичность металлов в широких диапазонах изменения показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния, включающих положительные и отрицательные величины, на испытательном оборудовании одного вида, и не требующего применения специализированных приспособлений.
Для достижения поставленной цели был разработан новый способ исследования пластичности металлов и выполнена его экспериментальная проверка.
В качестве универсального метода предлагается использование разработанного метода, основанного на испытаниях на растяжение/сжатие, заключающегося в том, что для исследования зависимости пластичности металла от показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния, испытаниям подвергаются специальные полосы, представленные на рис. 1, а, с пропилами и перемычкой с проточками.
Варьирование величин показателей достигается изменением угла наклона пропилов, в результате чего в центре перемычки реализуются различные комбинации двух видов простого нагружения: растяжения, либо сжатия и сдвига (см. рис. 1, б). Для локализации возникновения разрушения в упомянутом месте перемычка дополнительно ослаблена проточками.
Для нового способа справедливы следующие гипотезы:
- зависимости показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния от угла наклона пропилов симметричны относительно 0°;
- значения показателей для одного вида испытаний на образцах с углом наклона пропилов большим 90° равны значениям показателей для другого вида испытаний на образцах с углом наклона пропилов 180°.
а
б
Рис. 1. Способ исследования пластичности металлов растяжением/сжатием специальных полос: а - образец «специальная полоса»; б - схема нагружения образца
в перемычке: а - угол наклона пропилов,0; Р - растягивающая/сжимающая сила, приложенная к образцу, Н; Р' - сила, являющаяся результатом приведения Р к центру перемычки, Н; Рп - растягивающая/сжимающая компонента Р', Н; Рх
- сдвигающая компонента Р', Н
Таким образом, максимальные диапазоны варьирования величин показателей при проведении испытаний двух видов (растяжение и сжатие), достигаются изменением угла наклона пропилов в пределах от 0° до 90°. В случае применения испытания одного вида увеличение диапазонов достигается применением образцов с углом наклона пропилов более 90°, при этом необходимо изменять габаритные размеры образца и геометрию пропилов для локализации деформации в проточке.
Для исследования и экспериментальной проверки предлагаемого метода, исходя из имеющихся возможностей, в работе применялся один вид испытаний: растяжение. В качестве варьируемого фактора был принят угол наклона пропилов.
Для проведения экспериментов были изготовлены восемь образцов из алюминиевого сплава АМг6 ГОСТ 4784-97, представленные на рис. 2, со следующими углами наклона пропилов: 0, 60, 65, 75, 90, 95, 110 и 115°.
Выбор углов наклона пропилов образцов производился с учетом диаграммы пластичности алюминиевого сплава АМг5В, представленной в работе В. Л. Колмогорова [8].
а
б
в
д
е
лц*
а -
Рис. 2. Экспериментальные образцы: 0°; б - 60°; в - 65°; г - 75°; д - 90°; е - 95°; ж -110°; з -115°
Экспериментальные работы выполнялись на испытательной машине INSTRON кафедры «Технологии обработки давлением» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для определения параметров напряженно-деформированного состояния материала образцов во время формоизменения было выполнено компьютерное моделирование процессов в программе DEFORM, основанной на методе конечных элементов.
Принятая в исследовании расчетная схема и размеры перемычки представлены соответственно на рис. 4, аи рис. 4, б.
Для качественного построения конечно-элементной сетки (см. рис. 4, в) со сгущением в интересующей области применялись окна плотности [9] с относительным размером элементов - 0,16 и 0,4.
Для предупреждения вырождения элементов сетки конечных элементов и качественного выполнения расчета было принято условие: максимальное приращение времени без переразбиения сетки конечных элементов - 0,15 с.
Реологические свойства материала были определены при помощи испытаний на сжатие цилиндрических образцов третьего типа 010 х 15 по ГОСТ 25.503-97. В результате чего было найдено уравнение сопротивления деформации материала s$ в виде
sS = 781,441е°Д52 -161,297. (1)
г
з
Коэффициенты уравнения (1) определены минимизацией отклонения аппроксимирующей функции от экспериментальных результатов по методу Левенберга-Марквардта.
Результаты расчетов представлены на рис.3; метод Левенберга-Марквардта реализован с помощью встроенной функции программы МаШСАО. Коэффициент корреляции Пирсона экспериментальных данных и функции составил 99,023%.
600-
400 200
О 0.2 0.4 0.6
Ч
Рис. 3. Сопротивление деформации алюминиевого сплава АМгб: .......- экспериментальные результаты;--уравнение (1)
Выходными данными моделирования являлись параметры напряженно-деформированного состояния в месте возникновения разрушения, необходимые для определения величин показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния в процессе формоизменения. Места инициирования разрушения назначались в качестве трассируемых точек, в которых производилось определение выходных параметров, с записью в отдельный файл для последующей математической обработки.
Математическая обработка результатов моделирования производилась в программе МаШСАО. При обработке были определены функции величин показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния в месте возникновения разрушения в процессе формоизменения, полученные результаты в виде графиков отражены на рис 5.
Как видно из рис. 5, в ходе деформирования показатели напряженного состояния и вида напряженного состояния изменяются. Дальнейшую обработку производили для средних величин показателей напряженного состояния Лр и вида напряженного состояния %р, определяемых как:
1 е р 1 е р Лр =— !ЦЛе , ср =— |. е р о е р о
В таблице ниже представлен план полнофакторного вычислительного эксперимента с результатами.
Для выявления зависимостей показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния в месте и в момент разрушения от угла наклона пропилов была применена встроенная функция МаШСЛОкусочной аппроксимации полиномом второй степени. При определении регрессионных функций также учитывались гипотезы, изложенные в первой части статьи.
План полнофакторного вычислительного эксперимента
Номер опыта Варьируемый фактор Результаты
а, ° Лр Ср е Р
1 0 0,575 -0,714 0,543
2 60 0,265 -0,543 0,637
3 65 0,183 -0,395 0,615
4 75 0,126 -0,223 0,594
5 90 0,123 -0,153 0,894
6 95 0,010 -0,055 0,855
7 110 -0,081 0,136 0,927
8 115 -0,188 0,215 1,126
Полученные результаты в виде графиков представлены на рис. 6. Коэффициент корреляции Пирсона результатов моделирования и аппроксимирующих функций для показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния составил соответственно 98,076 и 98,613%.
а
б
Рис. 5. Результаты вычислительного эксперимента: а - показатели напряженного состояния в месте возникновения разрушения; б - показатели вида напряженного состояния в месте возникновения разрушения:..................- 0°; н—|—I- - 60°;
□ □ □ - 65°; о о о-75°; ■ э-90°;д д ¿-95( ' ' ■ ■ ■ -115°
/ = 1мм/с
ю
А(2,51Ю
37'
Б-Б(2,51)
г3
и&п
Щ5
-2
а
б
в
Рис. 4. Моделирование растяжения специальных полос: а - расчетная схема; б - размеры перемычки; в - сетка конечных элементов
0.6
0.4
0.2
Пр
Хр
о
-0.2
-0.4
О 30 60 90 120 150
а, град а
О 30 60 90 120 150 180
с*,град
б
Рис. 6. Зависимости величин показателей в месте и в момент
разрушения от угла наклона пропилов: а - показателя напряженного состояния; б - показателя вида
напряженного состояния:- - растяжение; .......
о о о - экспериментальные результаты
- сжатие;
Выводы
Подводя итоги исследования, необходимо отметить следующее: 1. Полученные из моделирования результаты свидетельствуют о том, что вновь предложенный способ является эффективным методом исследования пластичности металлов, обладающим широкими диапазонами
изменения показателей напряженного состояния и вида напряженного состояния, включающими как положительные, так и отрицательные величины, на испытательном оборудовании одного вида, и не требующего применения специализированных приспособлений: для алюминиевого сплава АМгб диапазоны показателей соответственно -0,381...0,570 и -0,731...0,632.
2. Новый способ исследования пластичности металлов является наиболее подходящим для анализа процессов листовой штамповки, так как не требует применения образцов, изготовленных из прутка.
3. Совместное применение нового способа оценки пластичности металла и методики построения кривых упрочнения листовых материалов с помощью опытов на продольное сжатие A.B. Власова и других [10] позволяет получить комплекс характеристик материала необходимых для анализа процессов использования ресурса пластичности с применением компьютерного моделирования.
Авторы статьи выражают благодарность кафедре «Технологии обработки давлением» МГТУ им. Н.Э. Баумана, за оказанную помощь в проведение экспериментальных работ и предоставленную возможность использования лицензионной программы MathCAD. Так же авторы признательны 000«ТЕСИС» за предоставление лицензии для опытной эксплуатации DEFORM v. 11.
Список литературы
1. Харсеев В.Е., Петров П.А. Выбор параметров напряженно-деформированного состояния для построения диаграмм пластичности / Технология легких сплавов. М.: ОАО «Всероссийский институт легких сплавов», 2015. №2.С.131 - 144.
2. Огородников В. А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Выща школа, 1983. 175 с.
3. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением / А.А. Богатов, О.И. Мижирицкий, С.В.Смирнов. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
4. Tomasz Wierzbicki, Yingbin Bao, Yuanli Bai. A new experimental technique for constructing a fracture envelope of metals under multi-axial loading. Massachusetts Institute of technology. Cambridge, MA 02139, USA.
5.
Сопротивлениедеформацииипластичностьприобработкеметалловдавление м / Ю.Г. Калпин, В.И. Перфилов, П. А. Петров, В. А. Рябов, Ю.К.Филиппов.М.:Машиностроение, 2011. 244 с.
6. An Extension of the GISSMO Damage Model Based on Lode Angle Dependence / Merdan Bassaran, Sven David Wolkerling, Markus Feucht, Frieder Neukamm, Dieter Weichert. LS-DYNA Anwenderforum, 2010.
7. Bao Y.B., Wierzbicki T., 2004. On fracture locus in the equivalent strain and stress triaxiality space // International Journal of Mechanical Science 46, 81-98.
8. КолмогоровВ.Л. Напряжения, деформации, разрушение.М.: Металлургия, 1970. 229 с.
9. DEFORM™ v.11 User's manual.
10. Построение кривых упрочнения листовых материалов с помощью опытов на продольное сжатие / А.В. Власов, Ю.В. Майстров, А.И. Алимов, А.Б.Пономарев //Известия Тульского государственного университета. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. Вып. 10: в 2 ч. Ч. 1. С. 43 - 56.
Харсеев Виталий Евгеньевич, асп., [email protected], Россия, Москва, Московский государственный машиностроительный университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, Россия, Москва, Московский государственный машиностроительный университет
METHOD RESEARCH PLASTICITY METAL TENSION/COMPRESSION SPECIAL LANES
V.E.Harseev, P.A.Petrov 131
The work deals with the newly proposed method study plasticity of metals tension/compression of special lanes and consists of two parts. The first part is a detailed description of the new method; in the second we have investigated its options based on the tests of the eight special stretching bands of aluminum alloy AMg6 GOST 4784-97.
Key words: plasticity; method of investigation; index of the state of stress; indicator of the stress state; computer Modelling; DEFORM.
Harseev Vitaly Evgenievich, postgraduate, harsee vve amail. ru, Russia, Moscow, Moscow State Engineering University,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent,head of chair, Russia, Moscow, Moscow State Engineering University
УДК 622.278-047.43
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ГАЗИФИКАЦИЮ
ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
Р. А. Ковалев, Г.С. Болотов, И.А.Кононенко, В.И. Савин
Представлен процесс подземной газификации, протекающий по длине реакционного канала, рассмотрен прямой и обращенный процесс газификации наземной газификации твердых топлив. Кроме режимов процесса газификации, принимая во внимания геологические характеристики залегания угля, указана необходимость оценить влияние шага заложения скважин иобъемный расход дутья. Представлены зависимости теплотворности газа от расхода дутья на разных длинах подземного газогенератора на Подмосковной станции «Подземгаз»; зависимость скорости фильтрации от градиента давления; отмечено изменение проницаемости образцов подмосковного угля при уменьшении его влажности.
Ключевые слова: динамика газообразования, теплотворность газа, гидравлическое сопротивление, газификация углей, фильтрационные потоки.
Добыча в Подмосковном угольном бассейне продолжалась более 150 лет. На сегодняшний день общие геологические ресурсы составляют 11 млрд т. Балансовые запасы А+В+С1- 4098 млн т, С2- 1024 млн т, забалансовые - 1843 млн т. В угленосной песчано-глинистой толще содержится до 14 пластов и прослоев угля, из которых разрабатывался обычно один, реже два пласта мощностью 1,5-3,0 м. Угли бурые технологической группы Б2, преимущественно гумусовые, высокозольные и с повышенным содержанием серы [2].
