ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бондарь Сергій Володимирович

УДК – 539.3

РОЗРОБКА МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ЕЛЕМЕНТІВ ШТАМПОВОЇ ОСНАСТКИ ДЛЯ ХОЛОДНОГО ТА ПОЛУГАРЯЧОГО ВИДАВЛЮВАННЯ

05.02.09 – динаміка та міцність машин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Опір матеріалів” Харківського державного політехнічного університету.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

Лавінський Володимир Іванович,

Харківський державний політехнічний університет,

доцент кафедри “Опір матеріалів”

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Морачковский Олег Костянтинович,

Харківський державний політехнічний університет,

завідуючий кафедрою “Теоретична механіка”

кандидат технічних наук, професор

Пустиніков Володимир Ілліч,

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури,

професор кафедри “Будівельна механіка”

Провідна установа : | Інститут проблем машинобудування НАН України, м. Харків

Захист відбудеться “31” березня 1999 року на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.10 в Харківському державному політехнічному університеті (310002, м.Харків-2, вул.Фрунзе,21)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий “ 23 ” лютого 1999 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради |

Бортовий В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Розвиток і удосконалювання сучасного обробного обладнання відбувається переважно з використанням безвідхідних технологій. Технологічні процеси, засновані на використанні властивостей пластичності матеріалів, відрізняються високою продуктивністю та економічністю, що зумовило їхнє широке застосування. Одними з найбільш ефективних маловідхідних процесів обробки металів тиском є холодне і полугаряче видавлювання, що дозволяють одержувати точні заготівки з мінімальними припусками на механічну обробку, а в деяких випадках і практично готові деталі. Проте, на шляху широкого впровадження цих процесів виникають проблеми, пов'язані з проведенням аналізу міцності при проектуванні елементів устаткування.

Створення нових конструкцій матриць, що є одним з найбільш навантажених елементів штампа, потребує попереднього і достатньо точного розрахунку термо-пружньо-пластичної формозміни з урахуванням контактної взаємодії окремих елементів конструкції для визначення закону розподілу деформацій і напружень в інструменті, особливо на контактній поверхні. Це є основою для адекватного уявлення процесів, які протікають в інструменті, що дозволяє створювати працездатні конструкції з мінімальною масою. Складність геометрії елементів що аналізуються, неоднорідність структури, розмаїтість температурних та силових впливів, ставлять рішення даної задачі у рамки складної проблеми. Математичний аналіз таких задач досить важкий, навіть при багатьох припущеннях, і не дозволяє одержати розв'язання рішення в аналітичному виді, примушуючи технологів вдатися до експерименту. Проведення експериментальних досліджень у виробничих умовах дуже важке, і в переважній більшості випадків, при проектуванні нових конструкцій матриць, використовують практичні рекомендації у вигляді таблиць і номограм, підтверджених багаторічним досвідом конструювання.

У зв'язку з цим виникає необхідність у розробці методик, орієнтованих на проведення аналізу міцності елементів штампового устаткування. На основі розроблених методик необхідно створити алгоритми і програмне забезпечення, що дозволяє формувати розрахункові схеми елементів штампової оснастки, які враховують усю специфіку проектованої конструкції, проводити адекватний аналіз міцності у термо-пружньо-пластичній постановці з урахуванням контактної взаємодії окремих елементів конструкції, а також подавати отримані результати в зручному для аналізу вигляді.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася у межах державної наукової програми “Розробка засобів чисельного аналізу міцності, стійкості та коливань елементів конструкцій космічних платформ в умовах інтенсивних термосилових навантажень”, № Д.Р. 01940012949.

МЕТОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ є розробка методики, алгоритмів і створення програмного забезпечення для аналізу напружено-деформованого стану (НДС) елементів штампової оснастки для холодного видавлювання (ХВ) і полугарячого видавлювання (ПГВ) у термо-пружньо-пластичній постановці, з урахуванням контактної взаємодії. З використанням створеного програмного забезпечення провести аналіз НДС конструкцій матриць для ХВ і ПГВ і формулювання рекомендацій на вибір раціональних геометричних і технологічних параметрів: величин натягів, кутів конусності, а також жорсткості бандажа.

Наукова новизна роботи полягає у наступних теоретичних та практичних результатах:

- розроблено комплекс методик і алгоритмів для побудови розрахункових схем елементів багатошарових бандажованних матриць для ХВ і ПГВ, а також для проведення в інтерактивному режимі аналізу отриманих результатів розрахунку;

- на базі методу скінчених елементів створено розрахунковий модуль, що дозволяє проводити розрахунок термо-пружньо-пластичної задачі в двомірній постановці з урахуванням контактної взаємодії різноманітних елементів конструкції, не накладуючи обмеження на число елементів, що контактують. Однією з особливостей розрахункового модуля є можливість проведення розрахунків напруженого стана при спільному розгляді матриці ї заготівки, що деформується. При цьому навантаження прикладаються до заготівки, і враховується контактна взаємодія між заготівкою і матрицею, що відбувається по реальній конфігурації робочої вставки(без її спрощення).

- проведено багатопараметричне дослідження впливу геометричних і фізичних особливостей на НДС багатошарових бандажованих матриць для ХВ і ПГВ. Сформульовано рекомендації на вибір розміру натягу, кута конусності, а також жорсткості бандажа для матриць, що мають, як розрізну, так і суцільну робочу вставку.

Вірогідність результатів. Проводилося порівняння результатів розв'язання тестових прикладів, які мають аналітичне розв'язки, або чисельно вирішені іншими авторами, а також порівняння з результатами експерименту, проведеного методом фотопружності. Погрішність результатів розрахунку, яка не перевищує припустимих значень, свідчить про можливість використання створеного розрахункового модуля для практичних розрахунків.

Особистий внесок автора полягає в тому, що положення, які складають суть дисертаційної роботи були отримані та вирішені ним самостійно:

- розроблені методики розрахунку й аналізу плоского й осесиметричного напружено деформованого стану елементів штампового устаткування в термо-пружньо-пластичній постановці з урахуванням контактної взаємодії різноманітних елементів конструкції;

- по розробленим методикам створені алгоритми та програмне забезпечення, яке покладено в основу комплексу Сocs_FEM, за допомогою якого, вирішені тестові приклади;

- розроблені розрахункові схеми основних елементів оснастки штампового обладнання (пуансон, матриця), виконані дослідження напружено деформованого стану, сформульовані рекомендації на вибір раціональних геометричних і технологічних параметрів: величин натягів, кутів конусності, а також жорсткості бандажа.

Практична цінність роботи складається в розробці ефективних методик і створенні на їх основі програмного комплексу Сocs_FEM, який працює в інтерактивному режимі, дозволяє формувати розрахункові схеми різноманітних конструкцій, досліджувати контактну взаємодію елементів штампової оснастки в двомірній, термо-пружньо-пластичній постановці, і проводити детальний аналіз отриманих результатів. Для ряду спроектованих конструкцій матриць сформульовані рекомендації на вибір раціональних геометричних і технологічних параметрів: величин натягів, кута конусності і жорсткості бандажа. Розроблена методика розрахунку напружено-деформованого стану й аналізу контактної взаємодії елементів штампового устаткування застосовувалися на ДП “Завод ім.Малишева” (м.Харків) при проектуванні нової конструкції двошарової бандажованої матриці.

Апробація роботи. Основні результати і положення відбиті в роботі доповідались на міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я (MicroCad-System)”, (Харків-Мишкольц, 1993-1998 р.р.), на наукових семінарах кафедри “Опір матеріалів” ХДПУ.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи висвітлений у 6 публікаціях, з них: 4 у фахових виданнях, 2 у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Робота викладена на 123 сторінках, містить 42 рисунка, 7 таблиць. В додатку наведено документи про впровадження результатів роботи.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми, її наукова новизна і практична цінність, сформульовані мета і основні задачі досліджень, зв'язок із науковими програмами і планами.

У першому розділі, на основі огляду літератури, показано стан проблеми дослідження працездатності елементів штампової оснастки для холодного та полугарячого видавлювання. Розглянуто основні методики, застосовувані при розрахунках НДС бандажованих матриць, найбільше навантаженого елемента штампової оснастки. Відмічено, що основним недоліком відомих методик є спрощення закону навантаження матриці та розрахункових схем, що полягає в нехтуванні контактною взаємодією між елементами конструкції. Тому ці розрахункові схеми не можуть повною мірою описати реальну конструкцію бандажованої матриці, яка має складну геометричну конфігурацію робочої вставки.

Друга частина літературного огляду присвячена аналізу методик, орієнтованих на рішення контактної задачі в термо-пружньо-пластичній постановці.

Таким чином, для створення працездатних матриць необхідно, ще на етапі проектування, проводити детальний аналіз НДС бандажованих матриць, з метою формування рекомендацій для підвищення характеристик міцності, що потребує створення спеціального програмного забезпечення.

Проведений огляд дозволив сформулювати основну мету і задачі даної дисертаційної роботи.

Другий розділ починається з постановки задачі термо-пружньо-пластичної контактної взаємодії у двовимірній постановці. Більшість реальних конструкцій елементів штампової оснастки такі, що можуть бути достатньо точно описані розрахунковими схемами осесиметричної або плоскої крайової задачі теорії пружності. Це дозволяє знизити вимірність задачі і тим самим істотно спростити аналіз контактних явищ.

Методом рішення поставленої крайової задачі вибирається метод скінчених елементів в переміщеннях. Такий підхід дозволяє одержувати наближене рішення для конструкцій складної геометричної конфігурації з кусочною однорідністю структури, при різноманітних граничних умовах і умовах навантаження. У основу методу покладена варіаційна постановка, що зводиться до знаходження мінімуму функціонала повної енергії Лагранжа для системи взаємодіючих тіл.

Э=П-Ао-Ап | (1)

де П - потенційна енергія деформації пружної системи; Ао- робота об'ємних сил; Ап- робота поверхневих сил.

Як основний використовується ізопараметричний косокутний чотирьох вузловий скінчений елемент із білінійною апроксимацією переміщень усередині елемента. Використання такого типу елемента призводить до регулярних топологічних сіток, які не потребують створення матриці індексів, що значно скорочує обсяг вхідної інформації про геометрію об'єкта.

Розписуючи функціонал повної енергії (1) у вигляді суми інтегралів по скінченим елементам і проводячи варіювання, після підстановки значень переміщень по всіх невідомих параметрах, одержуємо систему рівнянь:

[Kij]{ui}={Qj}, i,j=1. .n. | (2)

де [Kij] - матриця жорсткості системи, {ui},{Qj} - вектори стовпці вузлових переміщень і правих частин, n - число скінчених елементів системи.

Рішення системи лінійних рівнянь здійснюється блочним методом Холецкого, що дозволяє розглядати системи великих розмірів. У результаті рішення системи лінійних рівнянь визначаються вузлові переміщення. Для визначення деформацій використовувалися залежності Коші, а для визначення напружень - закон Гука.

При рішенні температурної задачі, крім геометричних і фізичних характеристик конструкції, задається інформація про температуру вузлових точок розбивки, що враховується при побудові матриці жорсткості.

Поставлена термо-пружньо-пластична контактна задача є нелінійною. Для рішення даної нелінійної задачі застосовується метод послідовного розгляду ряду лінійних задач. Алгоритм рішення задачі дозволяє врахувати всі типи нелінійності в рамках єдиного ітераційного процесу.

Нелінійність першого типу пов'язана з нелінійним поводженням матеріалів, при пластичному деформуванні. На кожній ітерації, в елементах, де виявлені пластичні деформації, пружні властивості матеріалів перераховуються по теорії малих пружньопластичних деформацій згідно до методу перемінних параметрів пружності : |

(3)

Нелінійність другого типу обумовлена урахуванням контактної взаємодії. Граничні умови в областях імовірного контакту задаються у вигляді нерівностей:

, | (4)

де - контактні напруження в напрямку загальної нормалі n до лінії контакту; - переміщення точок і початковий зазор (натяг) у напрямку нормалі.

Нелінійність з'являється також зі зміною зон контакту, взаємним прослизанням елементів, що контактують, і наявністю тертя між ними. Лініарізація контактної задачі здійснюється за допомогою спеціальних прошарків контактних елементів, наділених особливими властивостями, що дозволяють зводити зовнішню нелінійність задачі до внутрішньої нелінійності контактного прошарку. На кожній ітерації зони контактної взаємодії рахуються постійними, а елементи, що знаходяться в даних зонах, повинні задовольняти умовам (4) - умові закриття зазору без взаємопроникнення тіл. Умови фрикціонної взаємодії елементів, що контактують, формулюються у формі закону Кулона: |

(5)

де - коефіцієнт сухого тертя.

Контактні елементи об'єднують взаємодіючі підобласті в єдину систему і виконують функції реєстрації ділянок контакту і відриву, а також моделюють різноманітні умови роботи з'єднання (зчеплення, прослизання, сухе тертя і т.п.). Контактний прошарок являє собою сукупність первинних чотирикутників довільного вигляду, сторони яких є складовими регулярної топологічної сітки в межах усієї конструкції, що значно спрощує побудову матриці жорсткості конструкції і не потребує побудови матриці індексів. Сторони чотирикутників первинної дискретизації контактних кінцевих елементів, як і простих кінцевих елементів, можуть бути відрізками прямих або дугами кіл. Повторна дискретизація на елементи проводиться автоматично за допомогою інформацією про число розбивки сторін первинних елементів і ступеня нерівномірності цієї розбивки. При повторній дискретизації дуги кола задаються ламаними.

На кожній ітерації деформації в центрі контактних елементів перераховуються за формулою (6), приводячи, таким чином, деформацію до реальної товщини прошарку:

; . | (6)

де - мінімальна товщина прошарку; - поточна товщина прошарку; Т - температура нагрівання; - коефіцієнт температурного розширення; fтр - коефіцієнт тертя.

Задаючи розмір не рівний поточній товщині прошарку , можна моделювати різноманітні умови поєднання поверхонь, що контактують,(зазор, натяг). Якщо після перерахунку знак нормальної деформації не збігається з напрямком навантаження, то елемент виводиться з контакту. Закінчення ітераційного процесу рішення задачі відбувається, якщо на черговій ітерації елементи не виводяться з розрахунку, а також, якщо буде виконана умова:

; | (7)

де -заздалегідь задана мала величина.

Умова (7) означає, що сума інтенсивності деформації на сусідніх ітераціях не повинна відрізнятися на достатньо малу, заздалегідь визначену величину. Такий підхід забезпечує достатньо швидку збіжність обох процесів і звичайно потребує виконання не більш п'ятьох ітерацій.

На основі описаного алгоритму був створений програмний комплекс COCS_FEM, що дозволяє проводити дослідження напружено-деформованого стану й аналіз міцності різноманітних класів конструкцій у плоскій або осесиметричній постановці. Комплекс COCS_FEM написаний на мові програмування Borland Pascal 7.0, і призначений для роботи, як у середовищі MS-DOS, так і Windows. Комплекс умовно можна розбити на три частини: препроцесор, розрахунковий модуль, постпроцесор. Препроцесор - являє собою набір команд, що дозволяють в інтерактивному режимі створювати інформаційні моделі розрахункових схем конструкцій. Розрахунковий модуль - обчислювальний блок, призначений для обробки наявної інформаційної моделі з метою одержання даних про напружено-деформований стан конструкцій. Постпроцесор, також, як і препроцесор, являє собою набір команд, але вже для подання отриманих рішень у табличному або графічному вигляді. Всі три частини працюють в єдиній графічній оболонці, що дозволяє на будь-якому етапі подати інформацію в зручної для аналізу формі. Інтерфейс програми дозволяє використовувати набір сервісних функцій, серед яких контекстна допомога, збільшення цікавлячої області, побудова графічного об'єкта в необхідному ракурсі (диметрія, ізометрія, а також у проекціях на координатні площини), зміна палітри використовуваних кольорів, зберігання налагоджень для кожної моделі й інші.

Розробка нового програмного забезпечення потребує проведення тестових розрахунків з метою підтвердження вірогідності одержуваних результатів. Як перший тестовий приклад вирішувалась задача про взаємодію жорсткого кільцевого штампа з пружним півпростором, аналітичне рішення якої було отримано А.О.Галіним[]. У якості інших тестових прикладів була розглянута задача про знаходження коефіцієнта концентрації напруження при розтягу, стиску і згині в смузі з надрізами і викружками (рис.1) і в пуансонах, посаджених із натягом, при розтягу і стиску. Результати розрахунку порівнювалися з результатами експерименту, що здійснювався методом фотопружності на зразках з оптично активного матеріалу ЕД-15. Для фіксованого значення викружки і відношення H/h були проведені розрахунки, що дозволяють проаналізувати вплив розміру скінченого елемента в зоні концентрації на похибку обчислення. На рис.2 приведена залежність значення коефіцієнта концентрації і часу рахування від розміру елемента в зоні концентрації. Отримані результати дозволяють сформувати модель із раціональною розбивкою, при якій допустима похібка обчислень досягає за рахунок незначного збільшення часу вирішування. Похибка, отримана при рішенні тестових прикладів, не перевищує 5-7%, що говорить про можливість застосування створеного програмного забезпечення при практичних розрахунках.

Рис.1 |

Рис.2

Узагальнюючи вищесказане, можна відзначити, що розроблена методика та створений програмний комплекс COCS_FEM, що дозволяє здійснювати аналіз напружено-деформованого стану елементів штампової оснастки в термо-пружньо-пластичній постановці з урахуванням контактної взаємодії складових елементів. Проведені тестові приклади показали можливість застосування даного комплексу при практичних розрахунках багатошарових бандажованих матриць.

Третій розділ присвячений рішенню прикладних задач, по оцінці НДС багатошарових бандажованих матриць при холодному і полугарячому видавлюванні.

У першій частині розділу зроблена постановка задачі, розглянуто узагальнені конструкції матриць, описано граничні умови.

Друга частина розділу присвячена аналізу навантажень, що діють на інструмент з боку заготівки при її деформуванні. Для достовірного визначення навантажень автором запропонована методика, при якій одночасно визначають НДС, як у заготівці, що пластично деформується, так і в інструменті. Ця методика дозволила врахувати реальну контактну взаємодію між заготовкою і матрицею, з урахуванням особливостей конфігурації внутрішньої поверхні робочої вставки.

Рис.3 |

Рис.4

Для конструкції, зображеної на рис.3, були проведені розрахунки при різноманітних моделях заготівки, що деформується. Перший розрахунок проведений для моделі, що описує ідеально-пружню поведінку матеріалу. Другий розрахунок - дія заготівки на матрицю замінялась нормальним тиском, розподіленим по усій довжині робочої вставки. У третьому розрахунку моделювалася пружньо-пластична поведінка заготівки. На рис.4 приведені закони зміни радіального напруження уздовж внутрішньої поверхні робочої вставки, тому що саме по величині напруження r і визначаються найбільш небезпечні, з позиції міцності, зони внутрішньої поверхні робочої вставки. Аналіз результатів показує, що практично по усій довжині матриці значення радіального напруження, отримані в третьому розрахунку, перевищують значення, отримані в першому. Це говорить про те, що пружна заготівка не може повною мірою описати процес деформування при видавлюванні. Другий розрахунок демонструє лише позамежний режим впливу. Аналогічні розрахунки були проведені для матриць, що мають різноманітні конфігурації внутрішньої поверхні робочих уставок (рис.5, рис.6).

Рис.5 |

Рис.6

На основі аналізу результатів розрахунків, проведених для різноманітних конфігурацій робочих вставок матриць, доказана правомірність використання в подальших розрахунках пружньо-пластичної моделі заготівки, що деформується. Прийнята модель заготівки, у такому вигляді не спотворює критеріальну оцінку міцності матриці, і в подальших розрахунках основну увагу можна зосередити на аналізі впливу контактної взаємодії окремих елементів складових бандажованих матриць, не побоюючись, що виникаючі великі пластичні деформації в заготівці значно змінять результати розрахунку.

У третій частині розділу автором здійснюється аналіз впливу величини натягу і жорсткості бандажа на НДС внутрішньої поверхні складових бандажованих матриць для холодного видавлювання. На рис.7 зображена розрахункова модель матриці, що має суцільну робочу вставку, традиційно застосовувану для виготовлення стержньових деталей із конічними елементами, що мають один або декілька переходів. Розрахункова схема складається з заготівки 1, до якої прикладаються сили деформування Рдеф, робочої вставки 2, бандажу 3 і обойми 4, до якої прикладаються сили затяжки “матрицедержателя” Рзат. Між робочою вставкою і бандажем уводиться прошарок контактних елементів першого типу(СКЭ 1-го типу), що дозволяють промоделювати контактну взаємодію із тертям за законом Кулона. Між робочою вставкою і бандажем уводиться прошарок контактних елементів другого типу (СКЭ 2-го типу), що дозволяє врахувати початковий натяг, що створюється при запресовці. Між обоймою і бандажем, уводиться прошарок контактних елементів третього типу (СКЭ 3-го типу), що дозволяє промоделювати контактну взаємодію між двома поверхнями, що виникає під дією сил затягування, що діють на обойму з боку “матрицедержателя”.

Рис.7 |

Рис.8

Аналіз результатів розрахунку свідчить, що при збільшені розміру натягу відбувається зменшення радіальних напружень на поверхні робочої вставки. Даний ефект спостерігається в зонах перетинів, які мають різкі переходи, що представляють собою концентратори напруження (рис.8). На гладких циліндричних ділянках вставки, де радіальні напруження, викликані деформацією заготівки, незначні по величині, відбувається збільшення розміру радіального напруження зі зростанням величини натягу. Проте, найбільш небезпечними є зони перепаду перетину, тому головна задача полягає в зниженні радіальних напружень безпосередньо в цих зонах, бо саме радіальні напруження є основною складовою інтенсивності напруження i, за яким і формується критерій міцності.

Рис.9 |

Рис.10

На рис.9 приведена залежність інтенсивності напруження від величини натягу в найбільш небезпечному перетині вставки (зона А, рис.2) при різноманітній жорсткості бандажа.

Відзначимо, що введення раціонального натягу між бандажем і робочою вставкою, дозволяють знизити величину інтенсивності напруження на внутрішній поверхні останньої до 20%. При цьому за раціональне припускається значення натягу, що реально можна реалізувати в конструкції, і при якому напруження на поверхні вставки будуть мінімальні.

При зниженні модуля пружності матеріалу бандажа до 0.8Евставки відбувається помітне зменшення напружень на робочій поверхні вставки, особисто помітне при значенні натягу в інтервалі =0.9-1.0 мм. З наступним збільшенням натягу інтенсивність напруження в зоні концентратора практично залишаються незмінними, а у верхній циліндричній зоні робочої вставки відбувається їхнє зростання. При загальній тенденції зниження радіального напруження при зменшенні жорсткості вставки, вплив величини натягу якісно зберігається у визначених межах.

Аналізуючи закон розподілу радіальних напружень уздовж внутрішньої поверхні робочої вставки матриці, можна відзначити, що вплив натягу по різному виявляється по довжині робочої поверхні. Це залежить від величини жорсткості вставки, що у свою чергу явно залежить від товщини стінки вставки. У зв'язку з різноманітним кутом конусності бандажа і внутрішньої поверхні робочої вставки відбувається зменшення товщини стінки вставки у верхній зоні матриці, що призводить до зменшення жорсткості вставки і відповідно збільшення впливів натягу. У нижній же частині матриці, відбувається протилежне явище: товщина стінки збільшується і відповідно збільшується жорсткість вставки, що призводить до зменшення впливу натягу.

Проведені розрахунки свідчать про те, що при збільшенні величини натягу відбувається зменшення інтенсивності напруження у небезпечних зонах внутрішньої поверхні робочої вставки. Вплив натягу істотно залежить від величини жорсткості вставки, що явно залежить від товщини стінки вставки. Таким чином, автором довів, що бажано використовувати конструкції матриць, у яких є однаковий напрямок конусності бандажа і внутрішньої поверхні робочої вставки. Ця пропозиція дозволить вирівняти товщину стінки вставки, і відповідно жорсткість по довжині матриці. Також для створення і забезпечення найбільш сприятливих експлуатаційних умов бандажування необхідно зробити робочу вставку розрізною, що дозволить змінити безпосередньо величину натягу по висоті матриці.

На рис.11 приведена скінчено-елементна модель матриці, що має розрізну робочу вставку. У приведеній моделі присутні прошарки контактних елементів працюючі, як у вертикальному напрямку(СКЭ 1-го типу), так і елементи, працюючі в горизонтальному напрямку(СКЭ 2-го типу). На рис.12 приведена картина розподілу інтенсивності напруження в матриці, отримана за допомогою програмного комплексу COCS_FEM. На рис.10 приведено закон розподілу радіальних напружень в найбільш небезпечному перетині A-A при різноманітних значеннях натягу.

Мал.11 |

Мал.12

Одночасно зі зниженням радіальних напружень у зонах концентрації, бандажування також дозволяє створити сприятливі умови роботи деталей, виготовлених із твердосплавного матеріалу ВК-15 (елементи робочої вставки). Даний матеріал має межу міцності при стиску в 2 рази вищу, чим при розтягу, і тому при конструюванні матриць, необхідно створювати умови всебічного стиску для вставки. Проста заміна сталевої робочої вставки на вставку, виготовлену з високоміцного матеріалу, робить матрицю більш дорогою і не призводить до підвищення її працездатності в аспекті міцності.

Існує ще один метод зменшення навантаження на матрицю, що полягає в попередньому нагріванні заготівки, що деформується. При полугарячому видавлюванні сталеву заготівку, як правило, нагрівають до температури 250 - 300С, що з одного боку призводить до зменшення інтенсивності силового впливу на матрицю, у порівнянні з методом холодного видавлювання, а з іншого боку - виникає необхідність урахування дії температурного поля, що призводить до перерозподілу напруження у небезпечних зонах робочої вставки.

Рис.13 |

Рис.14

На рис.13 приведена скінчено-елементна модель багатошарової бандажованої матриці, застосовуваної при ПГВ. По розрахунковій схемі здійснювали розрахунки, у яких крім механічного навантаження, враховувалася температура нагрівання внутрішньої поверхні робочої вставки Тнагр=300С, і температура охолодження Тохл=20С на зовнішній ділянці обойми. Аналіз результатів розрахунку показує, що температура нагрівання не дає значного впливу на значення інтенсивності напруження. У ході розрахунків також здійснювався аналіз впливу кута конусності бандажа на НДС внутрішньої поверхні робочої вставки.

На рис.14 приведена залежність інтенсивності напруження, у найбільш навантаженій точці внутрішньої поверхні матриці, від кута конусності робочої вставки. Аналізуючи отримані рішення, можна відзначити, що найкращими, з позиції міцності матриці і технологічної точки зору, є діапазон значення кута, рівний від 1.0 до 2.0.

Проведені розрахунки показали повну працездатність вище згадуваних матриць, та дозволили сформулювати рекомендації по вибору геометричних і фізичних параметрів конструкцій, які приводять до зменшення матеріалоємності без втрати працездатності.

Основні результати роботи

1. Розроблено методику розрахунку й аналізу напружено-деформованого стану елементів штампової оснастки для холодного і полугарячого видавлювання, яка дозволила істотно підвищити точність розрахунків.

2. На основі методу скінчених елементів створений програмний комплекс COCS_FEM для розрахунку у двовимірній постановці параметрів НДС елементів штампової оснастки, схильних термосиловому навантаженню, з урахуванням пружньо-пластичного характеру деформування і контактної взаємодії. Аналіз тестових прикладів показав можливість застосування створеного програмного забезпечення для практичних розрахунків.

3. Розроблено методику визначення навантажень, що діють на інструмент при холодному видавлюванні, заснована на спільному розгляді матриці і заготівки, при деформуванні останньої. Запропонований підхід дозволяє розглядати реальні геометричні характеристики конструкцій (без додаткових спрощень) і врахувати контактну взаємодію між робочою вставкою матриці і заготівкою, що деформується. Визначені контактні тиски між робочою вставкою матриці і заготівкою далі використовуються як граничні умови при безпосередньому розрахунку матриць.

4. Проведено аналіз впливу величини натягу і жорсткості бандажа для складової, багатошарової матриці, з суцільною робочою вставкою, застосовуваної для холодного видавлювання. Дано рекомендації на вибір оптимальної величини натягу. Проведено дослідження напружено-деформованого стану багатошарової матриці, що має складову робочу вставку, що обгрунтувало можливість застосування твердосплавного матеріалу (ВК15,ВК20) для виготовлення високо навантажених елементів робочої вставки.

5. Обгрунтовано працездатність багатошарової матриці, застосовуваної для полугарячого видавлювання. Проведено аналіз впливу кута конусності бандажа на інтенсивність напруження точок внутрішньої поверхні матриці, результати якого і дозволили сформулювати рекомендації на вибір оптимальних кутів конусності з позиції міцності робочої вставки.

6. Розроблена методика розрахунку напружено-деформованого стану й аналізу контактної взаємодії елементів штампового устаткування застосовувалися на ДП “Завод ім.Малишева” при проектуванні нової конструкції двошарової бандажованої матриці.

ПубликацІЇ за темою дисертації

1. Бондарь С.В. Исследование напряженно-деформированного состояния матриц при холодном выдавливании. Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета. № 27. - Харьков: ХГПУ, 1998,-С. 183-188.

2. Бондарь С.В. Исследование влияния конструктивных особенностей на коэффициент концентрации напряжений в полосе с выкружкой. Динамика и прочность машин. № 56. Сборник научных трудов ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1998,-С. 55-59.

3. Бондарь С.В., Зубатый С.С., Лавинский Д.В. Исследование концентрации напряжений в пуансонах с клиновидной посадочной частью. Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета. № 27.- Харьков: ХГПУ, 1998,-С. 188-193.

4. Бондарь С.В., Зубатый С.С., Лавинский В.И. Контактное взаимодействие упругих тел с учетом пластических деформаций. Информация технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сборник научных трудов ХГПУ., Вып.6, Харьков: ХГПУ, 1998, -С. 36-38;

5. Бондарь С.В. Анализ напряженно-деформированного состояния элементов плоского зубчатого вариатора с учетом контактного взаимодействия. Информация технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье (MicroCad-97), Харьков: ХГПУ, 1997, -С. 55-57.

6. Бондарь С.В., Зубатый С.С., Лавинский В.И. Автоматизация расчетов на прочность. Информация технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье (MicroCad-93), Харьков: ХГПУ, 1993,-С. 36-38.

Особистий внесок автора складається в наступному:

У роботах [1,3-6] автор розробляє алгоритм рішення задачі, здійснює його програмну реалізацію, одержує чисельні результати і бере участь у їхньому узагальненні. У роботах [3,5,6] автор бере участь у розробці розрахункових схем основних елементів оснастки штампового устаткування, одержує чисельні результати, порівнює їх з експериментальними даними і бере участь у їхньому узагальненні.

Анотація

Бондарь С.В. Розробка методів розрахунку і дослідження напружено-деформованого стану елементів штампової оснастки для холодного і полугарячого видавлювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - динаміка і міцність машин. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Розроблена методика для проведення аналізу напружено-деформованого стану складових бандажованих матриць для холодного і полугарячого видавлювання. На підставі методу скінчених елементів створений і оттестован програмний комплекс для розв'язання термо-пружно-пластичної контактної задачі в двовимірній постановці. Розроблена методика для достовірного завдання навантажень, при якій одночасно визначають НДС, як у заготівці, що пластично деформується, так і в інструменті з урахуванням їхнього взаємного впливу один на одного. Дана методика дозволила врахувати реальну контактну взаємодію між заготівкою і матрицею, з урахуванням особливостей конфігурації внутрішньої поверхні робочої вставки, без її спрощення. Проведено ряд розрахунків різноманітних типів багатошарових бандажованих матриць для холодного і полугарячого видавлювання, і дані рекомендації по вибору оптимальних механічних (величина натягу та кут конусності бандажа) та фізичних (жорсткость бандажа) параметрів конструкції, з метою зменшення інтенсивності напруження на робочій поверхні робочої вставки.

Ключові слова: метод скінчених елементів, міцність, жорсткість, натяг, штампова оснастка, пуансон, складова бандажована матриця, робоча вставка.

Аннотация

Бондарь С.В. Разработка методов расчета и исследования напряженно-деформированного состояния элементов штамповой оснастки для холодного и полугорячего выдавливания. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 – динамика и прочность машин. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Диссертационная работа посвящена вопросам исследования напряженного и деформированного состояния основных элементов штамповой оснастки при холодном и полугорячем выдавливании, с целью формирования рекомендаций по увеличению статической прочности выше указанных элементов. В работе описана постановка краевой контактной, термо-упруго-пластической задачи в двумерной постановке. Метод решения основан на наиболее перспективном численном методе - методе конечных элементов. Ведение конечных элементов, наделенных специальными свойствами, позволило в одном итерационном процессе учесть нелинейность, связанную с нелинейным поведением материала (при решении задачи пластического деформирования) и нелинейность, связанную с учетом контактного взаимодействия (граничные условия в областях предполагаемого контакта задаются в виде неравенств). На базе разработанных методик созданы алгоритмы и программный комплекс Сocs_FEM, позволяющий формировать расчетные схемы элементов штамповой оснастки, учитывающие всю специфику проектируемой конструкции, проводить адекватный прочностной анализ в термо-упруго-пластичекой постановке с учетом контактного взаимодействия различных элементов конструкции, а также представлять полученные результаты в удобном для анализа виде.

С помощью комплекса Сocs_FEM проведено решение тестовых примеров, которые имеют, как аналитическое решение, так и решены другими авторами. Также проведено сравнение результатов расчета с результатами, полученными с помощью эксперимента, проведенного методом фотоупругости на образцах из оптически активного материала. Погрешность вычисления не превысила 7%, что говорит о возможности применения созданного программного обеспечения для дальнейших расчетов.

Разработана методика определения нагрузок, действующих на матрицу со стороны заготовки, заключающаяся в одновременном определении напряженно-деформированного состояния в матрице и пластически деформируемой заготовке. Такой подход позволил честь контактное взаимодействие между заготовкой и инструментом, с учетом особенностей конфигурации внутренней поверхности рабочей вставки (без ее упрощения).

Проведены исследования напряженно деформированного состояния различных типов многослойных бандажированных матриц, применяемых при холодном и полугорячем выдавливании. Даны рекомендации по выбору оптимальных, с точки зрения прочности точек внутренней поверхности рабочей вставки, механических (величина натяга и угол конусности бандажа) и физических (жесткость бандажа) параметров конструкции.

Ключевые слова: метод конечных элементов, прочность, жесткость, натяг, штамповая оснастка, пуансон, составная бандажированная матрица, рабочая вставка.

Summary

Bondar S.V. Stamp equipment elements for the cold and semi hot extrusion strain-stress state calculation and investigation methods elaboration. – Manuscript.

Thesis for a candidates degree by specialty 05.02.09 – dynamics and strength of machine. – The Kharkov State Polytechnical Univercity, Kharkov, 1999.

Method for the composed sleeve die for the cold and semi hot extrusion strain-stress state analyses are developed. Program package for the 2-D contact thermo-elasto-plastic problems solution is created by using finite elements method. Problem of the die loading definition is studied. Calculations and optimal design of the several die types is done.

Key words: Finite elements method, strength, stiffness, interference, stamp equipment, composed sleeve die.

Підп. до друку 12.01.99. Формат 60*90/16. Папір друк.

Ум. друк. арк. 0.83. Тираж 100. Зам 025

ООО “Спарт”

Надруковано на ризографі ООО “Спарт”.

310024, м.Харків, Пушкінська 79/1