CC BY
45
УДК 621.983; 539.374
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА НЕОДНОРОДНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ТОЛЩИНЕ ДЕТАЛИ ПРИ ОБЖИМЕ
С УТОНЕНИЕМ
К.Х. Нгуен, О.Н. Митин
Установлены закономерности влияния технологических параметров на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок методом конечных элементов на основе программного комплекса QFORM 2D-3D v. 7.
Ключевые слова: моделирование, обжим с утонением, неоднородность, матрица, пуансон, сила, коэффициент обжима, коэффициент утонения, трубная заготовка, QFORM 2D-3D, напряжение, интенсивность напряжений, степень деформации.
В работе [1, 2] выполнено моделирование операций обжима и обжима с утонением толстостенных трубных заготовок конической матрицей методом конечных элементов. Выявлено влияние угла конусности матрицы, коэффициента трения, коэффициента обжима и утонения на силовые режимы операций обжима и обжима с утонением стенки тонкостенных трубных заготовок. В работах [3, 4] на основе моделирования операции обжима толстостенных трубных заготовок установлены закономерности влияния технологических параметров на неоднородность распределения напряжений и деформаций по толщине детали при обжиме.
Ниже приведены результаты теоретических исследований неоднородности распределения напряжений по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок методом конечных элементов на основе программного комплекса QFORM 2D-3D v. 7.
Влияние технологических параметров на неоднородность распределения напряжений и деформаций по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок установлено путем использования модели, которая представляет собой полую осесимметричную 3D-заготовку в из стали 10 ( Gq 2 = 210МПа; ав = 340МПа). Для моделирования выбран программный комплекс QFORM 2D-3D v. 7 [5], позволяющий моделировать процессы объемной и листовой штамповки с использованием конечных 3D-элементов пирамидальной формы. Для создания геометрии деталей экспериментальных штампов и заготовок используем программный комплекс КОМПАС 3D v. 13 и SOLIDWORKS 2010. Расчеты операции обжима с утонением стенки выполнены для трубных заготовок
при следующих геометрических размерах заготовки и технологических параметрах операции: Н0 = 130мм; В0 = 80мм; б0 = 6мм; ц = 0,1;0,15;0,2, а =10; 20; 300, тоб = 0,6; 0,7; 0,8и тут=0,8; 0,9; 1.
Рассматривались напряженное и деформированное состояния в характерных трех точках Р0, Р1, Р2, соответствующих внутренней, свободной и контактной поверхности рабочего инструмента и трубной заготовки. На рис. 1 представлена схема положений элементов в конечно-элементной сетке при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок.
Рис. 1. Положение элементов в конечно-элементной сетке при обжиме без утонения толстенных заготовок: 1 - элемент №1 (Р0); 2 - элемент №2 ();
1 - элемент №3 (Р2 )
На рис. 2 приведены графики и шкалы распределения напряжений на заготовке после обжима с утонением толстостенных трубных заготовок.
Неоднородность распределения напряжений по толщине трубной заготовки о оценивалась коэффициентом неоднородности величины средних напряжений к^:
ко = (I о
тах
о
тт
I)/
о
ср
где о тах Ь о
тт
о
ср
- соответственно абсолютная максимальная, ми-
нимальная и средняя величины значений средних напряжений.
400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600 -1800 -2000 -1200
Рис. 2. Распределение напряжений в пластической области при обжиме с утонением стенки
На рис. 3 - 5 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений к^ от угла
конусности матрицы а в характерных точка очага пластической деформации Р0, Р1 и Р2.
4.4 3.8 3.2 2.6 2
10 15 20 25 а
Рис. 3. Зависимости изменения к^ от а
Гшоб = 0,7; т = 0,1; тут = 1): 1 - Р0; 2 - Р; 3 - Р2
Анализ графических зависимостей на рис. 3 показывает, что с увеличением угла конусности матрицы а от 10 до 300 коэффициент неоднородности величины средних напряжений к изменяется неоднородно по
слоям. Во внутренней части трубной заготовки коэффициент неоднородности величины средних напряжений ко уменьшается на 3.. .18 %, а на
контактной поверхности рабочего инструмента и заготовки коэффициент ко увеличивается на 25.50 %.
На рис. 4 даны графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ко от коэффициента трения т. Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента трения т коэффициент ко уменьшается на 5.35 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации.
3 Г
2
^--
1/
2.8 2.5 2.3 2.0
0.12
014
0.16
018
Рис. 4. Зависимости изменения к от т
о "
(Чб = 0,7;а = 200;шут = 1): 1 - Ро; 2 - Р1; 3 - Р2
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ко от коэффициента обжима тоб
представлены на рис. 5. Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента обжима тоб от 0,6 до 0,8 коэффициент ко
увеличивается на 5.35 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации (рис. 5).
На рис. 6 приведены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности величины средних напряжений ко от коэффициента утонения тут. Установлено, что с увеличением коэффициента утонения тут от 0,8 до 1 коэффициент неоднородности величины средних напряжений ко возрастает на 20.25 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации.
ка
2.8 2.4 2 1.6
3
\1_ V1
0.6 0.65 0.7 0.75 %
Рис. 5. Зависимости изменения к- от тоб
а
(а = 200;т = 0,1; тут = 1): 1 -Р0; 2 -Р; 3 -Р2
ут
ка
2.5
1.5
3 1
VI
0.8 0.85 0.9 0.95 ^
Рис. 6. Зависимости изменения ка от тут
а ут
(а = 200; т = 0,1; тоб = 0,7): 1 - Р0; 2 - Р; 3 - Р2
Графические зависимости изменения распределения интенсивности напряжений в детали после моделирования операции обжима с утонением толстостенных заготовок приведены на рис. 7.
Неоднородность распределения интенсивности напряжений по толщине трубной заготовке а оценивалась коэффициентом неоднородности интенсивности напряжений к^:
ка1 ~ шах а1 шт ) ! аср ■
где ашах, а, аср - соответственно максимальная, минимальная и средняя величины интенсивности напряжений.
102
Рис. 7. Распределение интенсивности напряжений на заготовке после обжима без утонения стенки
На рис. 8 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений к—- от коэффициента утонения тут . Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента утонения т^т от 0,8 до 1 характер изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений к—- имеет сложный вид, и коэффициент к— изменяется на 30...40 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации.
I-
0.38 0.36 0.34 0.32 0.3
1 2 I/7
_ й /
0.8 0.84 0.88 0.92 0.96 ш.
Рис. 8. Зависимости изменения к— от т
—! У
(а = 200;тоб = 0,7;т = 0,1): 1 - Р0 ; 2 - Р1; 3 - Р2
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений к—- от угла конусности матрицы а приведены на рис. 9. Установлено, что с увеличением угла конусности матрицы
а от 10...30° коэффициент неоднородности интенсивности напряжений 1— увеличивается на 30...40 % в зависимости от рассматриваемой точки
очага пластической деформации.
0.4 0.35 0.3 0.25
2 1 3
10 15 20 25 *
Рис. 9. Зависимости к— от а
(тут = 1;Шоб = 0,7;т = 0,1): 1 - Р0 ; 2 - р; 3 - Рг
На рис. 10 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений к—- от коэффициента утонения коэффициента трения т. Анализ графических зависимостей показывает, что с изменением коэффициента трения от 0,1 до 0,2 коэффициент интенсивности напряжений изменяется неоднородно в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации (по каждому слою). Во внутренней части заготовки коэффициент к—~ увеличивается на 15 %, на поверхности утонения он уменьшается на 25 %, а на контактной поверхности заготовки и рабочего инструмента коэффициент к—~
увеличивается на 5 %.
Графические зависимости изменения коэффициента неоднородности интенсивности напряжений ]— от коэффициента обжима тоб приведены на рис. 11.
0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Рис. 10. Зависимости к— от т
(шут = 1;шоб = 0,7;т = 0,1): 1 - р ; 2 - р; 3 - Р2
Рис. 11. Зависимости к— от шоб
(шут = 1; а = 200; т = 0,1): 1 - Ро; 2 - р; 3 - Р2
Анализ графических зависимостей показывает, что с увеличением коэффициента обжима от 0,6 до 0,8 коэффициент неоднородности интенсивности напряжений уменьшается на 20.. .40 % в зависимости от рассматриваемой точки очага пластической деформации.
Выводы. С помощью программного комплекса QFORM 2Б-3Б методом конечных элементов может быть выполнено исследование неоднородности распределения напряжений по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок. Установлены закономерности влияния технологических параметров (угла конусности матрицы, ко-
эффициента трения, коэффициента обжима и утонения) на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при обжиме с утонением толстостенных трубных заготовок.
Список литературы
1. Яковлев С.С., Нгуен К.Х. Исследование силовых режимов процесса обжима цилиндрических заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 4. С. 64-69.
2. Митин О.Н., Нуждин Г.А., Нгуен К.Х. Моделирование операции обжима с утонением толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 5. С. 57 - 65.
3. Митин О.Н., Нуждин Г. А., Нгуен К.Х. Закономерности влияния технологических параметров на неоднородность распределения напряжений по толщине детали при обжиме толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 6. С. 46 - 53.
4. Яковлев С.С., Нгуен К.Х., Митин О.Н. Неоднородность распределения деформаций по толщине детали при обжиме толстостенных трубных заготовок // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 7. С. 10 - 15.
5. Биба Н.В., Стебунов С.А. QForm 5.0 - программный инструмент для повышения эффективности производства в обработке металлов давлением. 2008.
Митин Олег Николаевич, канд. техн. наук, докторант, mpf-tula@rambler.ru, Россия,, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»,
Нгуен Куок Хуи, асп., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE REGULARITY OF THE EFFECT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE IN-HOMOGENEITY OF THE STRESS DISTRIBUTION BY THICKNESS OF DETAILS AT THE SQUEEZING OPERATION WITH THINNING
O.N. Mitin, Q.H Nguyen
In this paper, established the regularity of the effect of technological parameters on the inhomogeneity of the stress distribution by thickness of details at squeezing operation with thinning of thick-walled tube workpieces using the finite element method on based software QFORM 2D -3D v. 7.
Key words: Simulation, the squeezing with thinning, inhomogeneity, Bottom Die, Top Die, force, the coefficient of squeezing, the coefficient of thinning, tube workpieces, QFORM 2D - 3D, stress, stress intensity, strain rate.
Mitin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, doctoral, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, OPC "SPA "SPLAV",
Nguyen Quoc Huy, postgraduate, mpf-tula @rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539. 374
ПОСТРОЕНИЕ МЕТОДОМ ЛИНИЙ СКОЛЬЖЕНИЯ ПОЛЕЙ, ПРИМЫКАЮЩИХ К ПРЯМОЛИНЕЙНЫМ СВОБОДНЫМ ГРАНИЦАМ, В ЗАДАЧАХ ОСЕВОЙ СИММЕТРИИ
Г.В. Панфилов, С.В. Недошивин
Установлены правила построения полей линий скольжения, примыкающих к прямолинейной свободной границе и состоящих из двух ортогональных семейств логарифмических спиралей, при осесимметричном пластическом течении.
Ключевые слова: осесимметричная деформация, аналитический метод линий скольжения, операционное исчисление.
В работе [1] обоснована правомерность совместного решения условия «полной пластичности» с системой дифференциальных уравнений равновесия при анализе напряженно-деформированного состояния в технологических задачах обработки металлов давлением. Получаемая в результате система двух квазилинейных дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка относительно среднего напряжения и характеристического угла относится к гиперболическому типу и методом характеристик может быть сведена к двум системам обыкновенных дифференциальных уравнений. Одна из них, как и в случае плоского пластического течения, представляется уравнениями линий скольжения (характеристик), а другая - соотношениями для среднего напряжения вдоль этих линий скольжения. Таких систем достаточно для численных расчетов, позволяющих построить поля линий скольжения, схематизирующие пластические области, и найти распределение в них напряжений при осесимметричном течении деформируемого материала. При этом использование для расчетов рекуррентных соотношений и наличие итерационных процессов последовательных приближений, необходимых для соблюдения определенных геометрических зависимостей в исследуемых технологических
