Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

МЕЛЬНИЧУК ОЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

УДК 621.7.044

МОДЕЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
ГІДРОДИНАМІЧНОГО ШТАМПУВАННЯ ЗАКІНЦІВОК ТРУБОПРОВОДІВ
ПОВІТРЯНИХ СИСТЕМ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

Спеціальність 05.07.04 –
технологія виробництва літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кривцов Володимир Станіславович,

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”, м. Харків,

завідувач кафедри технології виробництва літальних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Божко Валерій Павлович,

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”, м. Харків,

завідувач кафедри фінансів;

кандидат технічних наук, доцент

Савченко Микола Федорович,

Харківський національний економічний університет, м. Харків,

доцент кафедри техніки та технології.

Провідна установа: Авіаційний науково-технічний комплекс “Антонов”

Міністерства промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться 16 червня  р. о 14  годині на засіданні спеціалізованої вченої
ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного
університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070,
м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий 12 травня  р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Застела О. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. До конструкцій трубопровідних систем літальних апаратів (ЛА) пред'являються такі вимоги, як підвищення їх надійності, ресурсу та живучості, поліпшення виробничої, експлуатаційної та ремонтної технологічності при зниженні маси й витрат. Ці вимоги є основними при створенні тонкостінних високоресурсних трубопроводів протиобліднювальної системи (ПОС) й системи кондиціонування повітря (СКП) транспортних і пасажирських літаків.

Трубопроводи ПОС і СКП розраховані на транспортування великих об'ємів повітря (у ПОС – нагрітого до 250…350єС при тиску 0,7...1,1 МПа), займають важливе місце у ваговій структурі ЛА, знаходяться під дією динамічних, циклічних і повторно-статичних навантажень, їх конструкції виконані з титанових сплавів, а самі трубопроводи – особливотонкостінні (д ? ,02D) зі штампованими наконечниками.

Високоресурсний трубопровід виготовляють методом складання-зварювання з набору уніфікованих елементів і приварної арматури (КТМ .4.1999-90).

При монтажі окремих ділянок трубопроводів у літакобудуванні широко використовують з'єднання сфера-конус, що забезпечує герметичність стиків, компенсацію їх кутових і лінійних переміщень під дією перемінних експлуатаційних навантажень. До елементів з'єднання
сфера-конус – сферичним і конусним наконечникам – пред'являють жорсткі вимоги відповідності критеріям якості та технологічності.

Подальше зменшення товщини стінок трубопроводу з метою зниження його маси обмежується небезпекою втрати стійкості елементами з'єднання. Збільшення жорсткості закінцівок забезпечують виготовленням двошарових (посилених) сполучних елементів.

Одним з найбільш прийнятних способів виготовлення елементів високоресурсних трубопроводів є гідродинамічне штампування (ГДШ).

Дослідженню наукових і прикладних проблем ГДШ присвячено роботи Ю. Г. Мацукіна, В. С. Кривцова, С. А. Бичкова, О. П. Брагина, С. А. Полтарушникова, Є. І. Мільченка, В. Г. Кас'яна, Г. К. Крижного, С. Я. Родька, С. Д. Муравйова, В. Д. Толмачова, Р. О. Бєлобородова та ін.

При реалізації процесу ГДШ як енергоносій застосовують переважно порохи, використання яких у наш час обмежено вимогами, насамперед соціальної безпеки, що актуалізує пошук альтернативних джерел енергії, які задовольняють вимогам технологій ГДШ.

Експериментальні методи вибору технологічних параметрів процесів ГДШ потребують значних витрат часу, засобів і коштів. Сучасний рівень розвитку обчислювальної техніки й можливості інформаційних технологій дозволяють чисельно досліджувати ці процеси, що надає можливість підвищити їхні техніко-економічні показники. Однак математичні моделі формоутворення тонкостінних оболонок на устаткуванні імпульсної обробки методами ГДШ – відсутні.

Таким чином, моделювання, теоретичні та чисельні дослідження цих процесів, які сприяють розробці раціональних, стійких технологій ГДШ щодо закінцівок трубопроводів повітряних систем ЛА, є актуальною задачею. Своєчасним є також удосконалення конструкцій технологічного оснащення і устаткування, орієнтоване на оптимізацію енергообміну при операціях штампування й, головним чином, на використання безпечних енергоносіїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до державних науково-технічних програм Міністерства освіти і науки України:

? Г104-14/00 “Методологічні основи синтезу перспективних конструкцій ЛА на базі сучасних технологій і матеріалів”;

? Г104-18/03 “Розробка методології проектування та синтезу технологічних процесів виготовлення деталей і вузлів для виробів авіаційно-космічної техніки”;

? Г104-45/04 “Створення системної методології виробництва авіаційно-космічної техніки за допомогою сучасних CALS-технологій”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є:

1. Розробка раціональних стійких технологій ГДШ та рекомендацій до їх застосування на основі результатів чисельного моделювання й дослідження процесів ГДШ тонкостінних вісесиметричних закінцівок на першому етапі формоутворення – формуванні основного (генерального) контуру.

2. Розробка нових конструктивно-технологічних рішень, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників процесів ГДШ і усунення недоліків (соціальних та екологічних), властивих установкам для ГДШ, де використовувався порох як основний енергоносій.

Для досягнення поставленої мети в дисертації були вирішені такі задачі:

1. Обґрунтовано принциповий підхід до вирішення задач ГДШ тонкостінних вісесиметричних закінцівок трубопроводів повітряних систем ЛА.

2. Обґрунтовано основні параметри навантажуючого імпульсу тиску при ГДШ тонкостінних оболонок.

3. Обґрунтовано розрахункову схему й побудовано математичну модель з використанням сучасних методів чисельного моделювання.

4. Виконано чисельне дослідження НДС оболонки при моделюванні процесу ГДШ сферичного наконечника на етапі формування основного контуру.

5. Виконано зіставлення результатів чисельного експерименту з існуючими даними натурних випробувань і досвідів.

6. Виконано аналіз одержаних результатів і розроблено рекомендації стосовно підвищення техніко-економічних показників процесів ГДШ тонкостінних вісесиметричних оболонок.

7. Обґрунтовано й розроблено удосконалені елементи конструкції та нові пристрої в устаткуванні для ГДШ.

Об'єкт дослідження – технологічний процес гідродинамічного штампування елементів високоресурсних трубопроводів систем ЛА.

Предмет дослідження – технологічне забезпечення необхідної якості, надійності та ресурсу закінцівок трубопроводів повітряних систем ЛА.

Методи дослідження. При виконанні досліджень використано теорії тонких оболонок і пластичної плинності, результати аналізу існуючих лабораторних і виробничих експериментальних досліджень.

Чисельні дослідження виконано методами математичного моделювання з використанням сучасних систем CAE (computer-aided engineering) і систем аналітичних обчислень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Обґрунтовано основні параметри імпульсу тиску й встановлено апроксимуючі функції розподілу тиску у формуючій камері, реалізовані при ГДШ тонкостінних оболонок.

2. Побудовано з використанням систем CAE на прикладі сферичного наконечника з'єднання сфера-конус трубопроводів повітряних систем ЛА скінченно-елементну модель ГДШ тонкостінних вісесиметричних оболонок при формуванні основного контуру, за допомогою якої визначено вплив параметрів навантажуючого імпульсу тиску на процес формоутворення оболонок, установлено характерні області можливих результатів, визначено область раціональних (рекомендованих) параметрів навантаження.

3. Запропоновано науково обґрунтований підхід на основі результатів досліджень, одержаних з використанням сучасних систем CAE, який дозволяє сформулювати практичні рекомендації, що сприяють підвищенню техніко-економічних показників процесів ГДШ тонкостінних вісесиметричних оболонок.

4. Розроблено скінченно-різницеву модель для вирішення частинної задачі, а саме – визначення НДС тонкостінних вісесиметричних оболонок при динамічному формоутворенні на етапі формування основного контуру.

5. Обґрунтовано й розроблено зразок конструктивно удосконаленого перехідника ствола прес-гармати, який дозволяє дискретно регулювати об'єм рідини у формуючій камері.

6. Обґрунтовано конструктивну схему енергетичного вузла на основі гідравлічної мультиплікації швидкості рідини з використанням явища гідравлічного удару, що забезпечує необхідний розгін снаряда в установках для ГДШ. Запропоновано як елементи розгінного блоку обладнання: пневматичний пристій, аналог двигуна дизель-молота та гідравлічний пристрій замкненого типу.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень дозволяють:

1. Оптимізувати розроблюванні технологічні процеси виготовлення виробів з тонкостінних вісесиметричних заготовок методом ГДШ на етапі формування основного контуру шляхом:

? мінімізації необхідних енерговитрат;

? одержання виробу з раціональними параметрами НДС при мінімальних значеннях проміжних згинальних деформацій та мінімальному негативному впливі імпульсного навантаження на структуру матеріалу заготовки, що сприяє підвищенню ресурсних характеристик готового виробу;

? мінімізації навантаження на штампове оснащення;

? скорочення часу й зменшення витрат на розробку та практичне уточнення параметрів техпроцесу.

2. Досліджувати аналогічним шляхом формоутворення інших виробів цієї групи, використовуючи запропонований у роботі метод визначення раціональних значень параметрів імпульсу тиску за допомогою систем CAE; систематизувати одержані результати й виробити практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесів ГДШ приварної арматури високоресурсних трубопроводів.

3. Створити на основі запропонованого алгоритму й скінченно-різницевої моделі прикладний програмний продукт для вирішення задач такого класу, що може бути використано як складова частина програмного модуля, що описує ГДШ або інший аналогічний процес в єдиній

інтегрованій системі САПР/АСТПВ/АСУ заготівельно-штампувального виробництва. Використання цієї програми дозволить чисельно оптимізувати техпроцеси на етапі проектування, скоротити терміни й витрати на розробку та практичне налагодження, підвищити якість і продуктивність роботи технологів.

4. Підвищити за допомогою запропонованого конструктивного удосконалення перехідника ствола установок для ГДШ технологічні можливості устаткування й збільшити його енергетичний ККД.

5. Усунути недоліки (соціальні і екологічні), властиві установкам, де як основний енергоносій застосовували порох, при збереженні переваг ГДШ, за допомогою використання в установках для гідродинамічного штампування запропонованих пристроїв на основі мультиплікаційного розгону з використанням явища гідравлічного удару.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних і практичних розробок належить особисто авторові. Особисто автором розроблено математичну модель деформування тонкостінних вісесиметричних оболонок методом ГДШ. Розробка принципових схем і конструкцій пристроїв для розгону снаряда в установках ГДШ здійснювалася разом зі співробітниками кафедри технології виробництва літальних апаратів ХАІ, прізвища яких наведено в списку публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідажено автором на п'ятій міжнародній науково-технічній конференції “Фізичні та комп'ютерні технології в народному господарстві” (м. Харків, 2002 р.); міжнародних науково-технічних конференціях “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, 2002, 2003 і 2004 рр.); четвертій конференції користувачів програмного забезпечення CAD-FEM Gmb (м. Москва, 2004 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення й використання авіаційної техніки” (м. Харків,  р.); міжнародній науковій конференції “Молода наука Харківщини – 2004” (м. Харків,  р.); міжнародній науково-технічній конференції “Авіаційно-космічна техніка й технологія” (м. Харків,  р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в десятьох статтях (п'ять без співавторства), восьми виданнях матеріалів і тезисів конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація містить вступ, п'ять розділів, висновки. Повний обсяг дисертації складає 207 сторінок і містить 72 рисунки, 18 таблиць, додаток на 23 сторінках і компакт-диску, список використаних джерел з 155 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко викладено сучасний стан проблеми і обґрунтовано актуальність дослідження, відзначено наукову новизну, практичну цінність роботи, наведено дані щодо апробації роботи, публікацій, структури і обсягу дисертації.

У першому розділі виконано огляд та аналіз стану проблеми.

Визначено доцільність процесу, описано технологічні можливості і область застосування ГДШ. Зазначено особливості виготовлення елементів з'єднання сфера-конус високоресурсних трубопроводів повітряних систем ЛА. Проаналізовано енергетичні системи, використовувані в установках для ГДШ. Відзначено роль учених і фахівців у вирішенні цих задач. Сформульовано цілі та задачі дослідження для розв'язання зазначених проблем.

Другий розділ присвячено теоретичному дослідженню процесів ГДШ тонкостінних вісесиметричних оболонок.

При створенні з'єднань типу сфера-конус (рис. ) з використанням методів гідродинамічного штампування на прес-гарматах виникає необхідність вирішення задач, що за постановкою та методами вирішення істотно відрізняються. Це задачі:

? формування основного контуру сферичних і конусних оболонок;

? формування елементів взаємної фіксації й компенсаторів;

? калібрування сферичних і конусних оболонок.

У подібних процесах можна вважати раціональним поділ операції формоутворення на переходи за характерними відмітними ознаками. Так, для формування основного (генерального) контуру оболонки слід реалізовувати навантаження якомога більш плавне, тобто наближене до статичного. Цього можна досягти нарощуванням маси снаряда й зниженням його швидкості, що збільшить тривалість навантаження та деформування заготовки, при цьому швидкість її переміщення зменшується. Для формоутворення компенсаторів та елементів взаємної фіксації (рифтів, опуклостей та ін.) як елементів оболонки, що мають більшу жорсткість, потрібен імпульс тиску більш високої інтенсивності. При калібруванні, де переміщення оболонки дуже малі, потрібен жорсткій гостродинамічний імпульс, який забезпечує каліброване зусилля, що досягається зниженням маси снаряда й збільшенням його швидкості. У цьому випадку оболонка мусить співударятися з поверхнею матриці з граничною швидкістю для зменшення величини пружинення.

На основі результатів експериментальних досліджень і досвіду промислового впровадження ГДШ тонкостінних оболонок виявлено, що в усіх випадках вигляд функції, яка визначає навантажуюче діяння, можна розділити на чотири варіанти апроксимації.

У роботі виконано моделювання й дослідження процесу формоутворення основного (генерального) контуру елементів з'єднання сфера-конус на прикладі зовнішньої оболонки сферичного наконечника, виготовленого з титанового сплаву ПТ-7М (рис. ), де апроксимуючу

функцію розподілу тиску p у формуючій камері (рис. ) обґрунтовано й використано у вигляді

, (1)

де pmax – максимальний тиск; tmax – тривалість імпульсу тиску; p, t – поточні значення тиску та тривалості імпульсу.

Динамічне деформування тонкостінних циліндричних заготовок описується геометричними і фізичними нелінійними рівняннями теорії тонких оболонок з використанням апарату теорії пластичного плину.

У циліндричній системі координат рівняння руху елемента оболонки в прирощеннях з урахуванням інерційних сил у моментній постановці мають вигляд

;

; (2)

,

де r, z – поточні ейлерові координати оболонки; h – поточна товщина матеріалу;  – кут між нормаллю до поверхні елемента оболонки й позитивним напрямком осі z;  – щільність матеріалу; S – довжина дуги уздовж меридіана; p – нормальний тиск, що діє на заготовку; Q – перерізуюча сила; Ns, N, Ms, M – поздовжні сили й згинальні моменти в меридіональному та широтному напрямках.

Аналогічно будують теорію визначення НДС багатошарових оболонок. Відображення закону зміцнення матеріалу – обґрунтоване і використовується у вигляді

, (3)

де еi – інтенсивність деформацій; уi – інтенсивність напружень; уФ – межа плинності; Р – модуль зміцнення.

Нормальний тиск, що діє на заготовку з боку передавального середовища, описується співвідношенням (1). Граничні умови можуть бути різними при забезпеченні їхньої осьової симетрії.

Третій розділ присвячено чисельному вирішенню задач визначення НДС тонкостінних вісесиметричних оболонок при ГДШ. Виконано моделювання й проведено дослідження впливу на параметри НДС оболонки характеристик навантажуючого імпульсу тиску при формоутворенні сферичного наконечника на етапі формування основного контуру.

В аналітичному вигляді вирішення подібних задач не є можливим. Нелінійні задачі такого класу, які враховують геометричну та фізичну нелінійності, а також контактну взаємодію, можна вирішувати чисельно. Математичне моделювання й теоретичні дослідження з використанням обчислювальної техніки, сучасних прикладних комп'ютерних систем CAE і систем аналітичних обчислень виконано:

? методом скінченних елементів (МСЕ);

? методом скінченних різниць (МСР).

Обґрунтування та побудова математичної моделі засновується на результатах експериментальних досліджень.

1. МСЕ. Моделювання виконано в універсальній системі інженерного аналізу ANSYS.

Скінченно-елементна модель складається з 260 2D чотиривузлових елементів твердого деформованого тіла PLANE182 (рис. ):

? 200 елементів розміром 0,50,2 мм;

? 60 елементів розміром 1,00,2 мм.

Контактну модель заготовки з поверхнею матриці “rigid-to-flexible” реалізовано елементами TARGE169 і CONTA171. Фізичний закон зміцнення матеріалу ПТ-7М задано білінійною моделлю з ізотропним зміцненням. Граничні умови призначено з урахуванням осьової та силової симетрій і відповідають процесу роздачі з вільними торцями. Навантажуюче діяння задано функцією тиску відповідно до співвідношення (1).

Досліджувану область визначено параметрами прикладеного імпульсу тиску: величиною максимального тиску pmax і тривалістю імпульсу tmax, що характеризують навантажувальне діяння на заготовку. Моделюванню було

піддано понад 200 процесів шляхом варіювання значень pmax і tmax з визначеними кроками у діапазонах:

;

.

Виконані дослідження дозволили установити, що за характером деформування й кінцевим результатом процесу формоутворення тонкостінних оболонок на етапі формування основного контуру, розглянуту область можна умовно розділити на п'ять характерних зон (рис. ):

А – зона відсутності контакту оболонки з поверхнею матриці; низькі енергетичні параметри імпульсу;

Б – зона неповного контакту оболонки з поверхнею матриці; величини імпульсів тиску недостатні для досягнення необхідних деформацій вздовж всієї заготовки;

В – зона повної відсутності позитивних рішень; навантажуючий імпульс має надлишкову енергію; істотно негативний вплив інерційних сил; формоутворення супроводжується співударянням заготовки з робочою поверхнею матриці, відскоком, спотворенням форми оболонки; можливе повторне накладення оболонки на матрицю;

Г – зона раціональних параметрів навантажуючого імпульсу тиску; параметри навантаження, що забезпечують необхідне, а також плавне деформування та “м'який” контакт (мала швидкість співударяння) оболонки з поверхнею матриці;

Д – зона довірчих рішень, як позитивних, так і негативних; надлишкова енергія імпульсу, але більш плавне формоутворення.

Лінії Л и Н (рис. ) умовно обмежують область задовільних рішень Г.

Частина рішень, що відповідають областям В и Д, дозволяє одержати оболонку необхідної геометрії, однак процес формоутворення при цьому різний.

На рис. показано два варіанти реалізації гідродинамічного формоутворення сферичного наконечника при різних значеннях максимального тиску імпульсу. Очевидно, що перший варіант навантаження (рис. , а) супроводжується “плавним” деформуванням заготовки, а при реалізації другого варіанта (рис. , б) розвиваються істотні проміжні згинальні деформації, що негативно впливає на утомні й міцнісні характеристики матеріалу деталі й призводить до збільшення енергії деформування оболонки й навантаження на штампове оснащення та конструкцію устаткування.

Лінія К (рис. , ) відповідає частинному випадку співвідношень параметрів навантажуючого діяння, де імпульс і постійний за величиною, тобто

, (4)

однак параметри НДС оболонки при цьому різні.

Імпульси, що відповідають області Г і належать лінії Л (рис. , ), характеризуються приблизно рівною швидкістю щi наростання величини тиску за часом

, (5)

де щi – швидкість наростання тиску, що на рис. показано як кут нахилу дотичної до лінії функції p = p(t).

Смуга С (рис. ) визначає область раціональних швидкостей наростання тиску, які відповідають формоутворенню в зоні Г.

Важливою характеристикою при розгляді досліджуваних процесів є величини nt і ni, що визначають відповідно частини тривалості й величини імпульсу, що витрачається на деформування заготовки до повного накладання на поверхню матриці

; , (6)

де tp, ip – тривалість і величина робочої (корисної) частини імпульсу тиску.

Дослідженнями установлено, що при істотному розходженні в параметрах pmax і tmax (табл.) імпульсів, що відносяться до області Г (рис. , ), відхилення граничних значень iр, тобто їх частин, які реалізовано на формоутворення, складає всього 4,7Величина iр нерозривно зв'язана з часом tр деформування заготовки до повного її накладання на робочу поверхню матриці. Діапазон відхилень значень tр для зони Г складає 8,9

Аналіз параметрів імпульсів, що відповідають області Г, і тих, які належать лініям Л та Н (рис. , табл.), показує, що величина nt при найменшому раціональному імпульсі дорівнює 0,811, найбільшому – зменшується до 0,5. Отже, оболонка накладається на матрицю на етапі гальмування (0,5 ? nt ? ) під впливом інерційних сил. На етапі розгону, коли тиск наростає (0 nt ,5), при контакті оболонки з поверхнею матриці надлишкова енергія імпульсу обумовлює високі швидкості співударяння оболонки з поверхнею матриці і її відскік (pmax  МПа; tmax  мс; рис. , , табл., квадратний знак).

Виходячи з цього, стосовно операції формування основного контуру оболонки, можна вважати оптимальним імпульс, що характеризується параметрами nt і vудару (при t > tmax, p > ). Гіпотетичний імпульс, який задовольняє зазначеним умовам, є імпульсом мінімальних

енерговитрат на формоутворення, тому що в ньому відсутня нереалізована (баластна) його частина. На рис. , і в таблиці цей імпульс позначено як імпульс М (pmax 1,5 МПа; tmax ,2 мс, шестикутний знак). Однак практична реалізація його неможлива оскільки жорсткість оболонки в зоні перетяжного ребра істотно вища, що потребує більшого зусилля.

Таким чином, на формоутворення тонкостінних оболонок при ГДШ впливають не тільки енергетичні, але й динамічні характеристики імпульсу тиску. Основними параметрами імпульсу, що впливають на характер деформування заготовки, є pmax, tmax, nt, ip, tp, щi; при формуванні основного контуру рекомендуються: 0,5 ? nt ? ip Г min ? ip ? ip Г max; tp Г min ? tp ? tp Г max; щi Г min ? щi ? щi Г max. Стовідсоткова реалізація енергії імпульсу при деформуванні – неможлива.

При формуванні основного контуру таких оболонок раціональними є параметри навантажуючого діяння, що відносяться до лівої нижньої частини області Г, оскільки вони задовольняють заданим вимогам при найменших енерговитратах.

Зіставлення параметрів імпульсу тиску, отриманих шляхом чисельного дослідження, з величиною, яка відповідає практичній реалізації процесу формоутворення наконечника, показує, що експериментальне значення навантажуючого імпульсу тиску (pmax ,6 МПа; tmax ,1 мс, рис. , знак – п'ятикутна зірочка) лежить в межах області Г – зони позитивних рішень.

При порівнянні результатів чисельного вирішення задачі визначення параметрів НДС деталі з одержаними раніше експериментально, використано інтегральну оцінку правильності рішення. На рис. показано порівняння компонентів деформованого стану (рис. , а) і інтенсивності деформацій (рис. , б), визначених теоретично (чисельно) і експериментально. Як видно, відхилення результатів чисельного рішення від результатів експерименту істотне тільки в зонах, близьких до протяжного ребра матриці, тобто в зонах, де деформації мають відносно мале значення.

На основі зіставлення результатів, одержаних чисельно і експериментально, можна твердити, що запропонована скінченно-елементна модель ГДШ тонкостінних вісесиметричних оболонок дає припустимий результат.

Запропоновані принцип і послідовність дій, реалізовані при вирішенні частинної задачі, слід використовувати при дослідженні НДС однотипних оболонок, які відносяться до розглянутої групи деталей. Результатом має стати система функціональних залежностей впливу відносних геометричних характеристик оболонок (наприклад, сферичних з титанового сплаву ПТ-7М) на раціональні параметри навантажуючого імпульсу тиску у вигляді

(7)

де д – відносна товщина оболонки; D – відносна глибина проштамповування; д – товщина стінки заготовки; d – діаметр заготовки; D – діаметр сфери.

На основі цієї системи рівнянь слід розробити практичні рекомендації, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесів ГДШ такої категорії виробів.

2. МСР. Побудова алгоритму й скінченно-різницевої моделі ґрунтується на теоретичних викладках, наведених у другому розділі роботи.

Перетин заготовки розбивають на сегменти (елементи уздовж твірної) й шари (елементи за товщиною), визначають початкові й граничні умови з урахуванням осьової та силової симетрії, які відповідають деформуванню оболонки з вільними торцями. Закон зміцнення матеріалу ПТ-7М визначається залежністю (3). Тиск зовнішнього навантажуючого діяння задають згідно з співвідношенням (1).

Сумісне рішення рівнянь виконується за часовими шарами з урахуванням змінювань у параметрах системи, накопичених на попередніх кроках, і в сформованих до цього кроку

граничних умовах. Чисельне інтегрування рівнянь руху елементів оболонки (2) виконують скінченно-різницевим методом за явною схемою. Величини деформацій та напруг у шарах заготовки одержують сумісним вирішенням рівнянь теорії пластичності й фізичного закону зміцнення матеріалу. Стійкість обчислювального процесу при інтегруванні системи рівнянь руху досягається додержуванням критерію Куранта. При описі контакту оболонки з поверхнею матриці прийнято допущення: матриця абсолютно жорстка, удар відсутній, що припустимо, оскільки процес формування основного контуру характеризується малими швидкостями співударяння.

Програмування й вирішення рівнянь математичної моделі виконано з використанням обчислювальної техніки та прикладних систем аналітичних обчислень.

За допомогою розробленої моделі визначено параметри НДС тонкостінних вісесиметричних оболонок при певних варіантах навантажуючого імпульсу тиску.

3. Оцінний аналіз результатів моделювання МСЕ і МСР. Здійснити рівнозначне порівняння математичних моделей і зіставити результати з ряду причин є занадто складним.

1. Сучасні системи CAE – прикладні універсальні інтелектуальні системи з могутнім вбудованим обчислювальним апаратом МСЕ, створені для вирішення широкого кола практичних інженерних задач. Ці системи налагоджені, тестовані, сертифіковані. У системах CAE при коректній постановці задачі (побудові моделі) одержані результати є достовірними, про що свідчить їхнє порівняння з експериментальними даними. Однак при усіх своїх перевагах безпосередньо в процесах технологічної підготовки виробництва машинобудівних підприємств системи CAE ще не набули широкого розповсюдження, що обумовлено їх складністю і специфікою роботи в цих системах, для чого потрібні фахівці в галузі CAE.

2. Розробка скінченно-різницевої моделі здійснена за схемою: обґрунтування теоретичного етапу, перетворення аналітичних залежностей у скінченно-різницеві, побудова алгоритму вирішення, програмування, обчислення. Прикладну систему аналітичних обчислень (комп'ютерний математичний аналіз) використано тільки для обчислень. Математична модель має обмежену кількість початкових параметрів і придатна тільки для вирішення частинної задачі – визначення характеристик НДС при динамічному формоутворенні основного контуру тонкостінних вісесиметричних оболонок. На основі запропонованої математичної моделі можлива розробка прикладного програмного продукту для вирішення задач подібного класу безпосередньо на виробництві, що може входити складовою частиною в єдину інтегровану систему САПР/АСТПВ/АСУ заготівельно-штампувального виробництва. Однак розробка скінченно-різницевої моделі, що давала б результат адекватний моделюванню МСЕ в системах CAE, потребує істотно більших витрат часу.

У четвертому розділі наведено особливості деяких технологічних операцій ГДШ деталей приварної арматури високоресурсних трубопроводів.

У розділі описано раніше реалізовані у виробничих і лабораторних умовах технологічні процеси із застосуванням операцій ГДШ окремих деталей, на прикладі яких побудована теоретична частина цього дослідження.

Наведено й частково систематизовано розрізнені відомості щодо інгредієнтів, які складають техпроцес, – режими, операції, методики розрахунків, матеріали і інші елементи, запозичені з виробничих інструкцій, технологічних карт, маршрутних і директивних технологій, керівних технічних матеріалів галузевих НДІ, стандартів і сертифікатів на використовувані матеріали,

технічних звітів з науково-дослідних робіт, авторських свідоцтв на винаходи. Розглянуто також деякі методики розрахунків геометричних розмірів заготовок і силових параметрів штампування.

Розробка технологічного процесу починається з вибору виду або типу заготовки і її підготовки. Елементи приварної арматури виготовляються з суцільнотягнутих стаканів, трубних заготовок та одношовних труб в діапазоні діаметрів і товщини, в якому виготовляють трубопроводи. У розділі наведено залежності для розрахунку розмірів заготовки, викладено технічні вимоги до відхилення геометричних і фізичних параметрів; сформульовано основні режими підготовки заготовок з титанових сплавів ПТ-7М і ВТ1-0, сталі 12Х18Н10Т.

Докладно описано методику визначення первинної кількості енергії (необхідного набою пороху) з використанням як аналітичного підходу, так і графічного матеріалу.

Проаналізовані в роботі техпроцеси реалізовано на установці типу ПП11М. Наведено рекомендації щодо проектування технологічного оснащення.

Спеціальний підрозділ присвячено особливостям технології виготовлення зразка двошарового посиленого сферичного наконечника, що складається з двох елементів – зовнішнього (оточуючого) та внутрішнього. Обидва елементи мусять мати між собою міцне нерухоме безпроміжне з'єднання, забезпечуване штампувальною операцією – однією або декількома. Розглянуто кілька альтернативних варіантів маршрутних технологій виготовлення деталей зазначеного типу. Найбільш характерним є вибір завершальної операції штампування, яка може бути або сумісного формоутворення вкладених одна в іншу циліндричних заготівок, або заштамповка заготовки внутрішньої оболонки у вже відштамповану зовнішню. Як приклад наведено маршрутну технологію виготовлення сферичного наконечника АНУ.7400.001.011 з трубчастої заготовки Ш50Ч0,8 мм з титанового сплаву ПТ-7М.

Аналогічне за призначенням з'єднання для спеціальних конструкцій трубопроводів може бути виконано у вигляді кульового шарніра без поверхні рознімання. Елементи такого з'єднання мусять мати сполучення на всій поверхні контакту й можливість взаємного відхилення на 5...10° з плавним переміщенням без ривків і заїдань, з щільним приляганням контактних поверхонь. Необхідною умовою одержання якісного з'єднання є забезпечення строгої сферичності поверхні контакту елементів. Для цього слід також точно розраховувати енергетичні параметри процесу.

У п'ятому розділі викладено пропозиції стосовно модернізації деяких конструктивних елементів технологічних та енергетичних вузлів установок для ГДШ.

Розділ містить окремі фрагменти виконаних у ХАІ пошукових робіт щодо комплексу сучасних проблем ГДШ у припущенні можливої перспективи її подальшого розвитку й розповсюдження.

У попередніх дослідженнях проаналізовано всі аспекти виробничої зацікавленості в способі ГДШ і доведено його перспективність. Однак подальше його розповсюдження можливе лише при створенні устаткування нового покоління, яке відповідає сучасним вимогам за рівнем екологічної безпеки, ступенем механізації і автоматизації, а також стабільністю реалізованих на ньому технологічних операцій.

Одним з основних напрямків таких розробок є проектування та створення принципово нових систем розгону робочого тіла (снаряда), призначених замінити застосовувані раніше енергетичні пристрої на пороховому енергоносії.

Відомо, що ефективність процесів ГДШ визначається в основному високими швидкостями снаряда – 100...200 м/с. Тому основною проблемою є забезпечення розгону снаряда до зазначених

швидкостей. Проведений у цьому дослідженні аналіз можливих альтернативних схем енергетичного забезпечення процесу штампування показав, що розгін снаряда в стволі дією на нього безпосередньо різноманітних газових субстанцій – малоефективний.

Основна принципова концепція запропонованої системи розгону снаряда полягає в такому (рис. ):

? надання снарядові початкової динаміки розгону здійснюється за допомогою явища гідравлічної мультиплікації швидкості, яке полягає в збільшенні швидкості потоку рідини при русі її у звужуваному каналі. При цьому прискорене переміщення снаряда в стволі відбувається під дією тиску рідини, що супроводжує снаряд на всьому шляху його переміщення не відриваючись від нього;

? подальший розгін снаряда здійснюється наданням йому додаткового імпульсу, зумовленого наявністю на торці снаряда, який межує з рідиною, явища гідравлічного удару, що викликає короткочасне, але значне підвищення тиску розганяючої рідини.

У розділі наведено декілька перспективних функціональних схем, що мають спільну для всіх властивість щодо соціальної і екологічної безпеки. Виконано конструктивні проробки найбільш реальних перспективних варіантів пристроїв розгінного блоку: пневматичного і аналога двигуна дизель-молота. Запропоновано і обґрунтовано схему гідравлічного розгінного пристрою замкненого типу.

Також важливим фактором при розробці ідеології нового обладнання є забезпечення стабільності результатів штампування в межах серійної партії виробів, які необхідно виготовити. Як один з прикладів у розділі наведено проробку способу підвищення ефективності процесу передачі енергії у формуючій камері за допомогою системи дискретного регулювання об'єму рідини в перехіднику ствола.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Відповідно до поставлених цілей у дисертації одержано такі наукові та практичні результати:

1. Обґрунтовано необхідність розподілу процесів ГДШ тонкостінних вісесиметричних оболонок на три етапи, що характеризуються різними параметрами процесу й відрізняються постановкою й методом вирішення: формування основного контуру оболонок, формування елементів взаємної фіксації та компенсаторів, калібрування оболонок.

1.

2. Виявлено основні характеристики імпульсу тиску у формуючій камері, які реалізуються при ГДШ. Визначено апроксимуючі залежності розподілу тиску при формуванні основного контуру тонкостінних оболонок, обґрунтовано припустимість використання функції тиску у формуючій камері у вигляді p.

3. Обґрунтовано розрахункову схему та побудовано скінченно-елементну модель ГДШ сферичного наконечника на етапі формування основного контуру. Досліджено з використанням систем CAE НДС оболонки при ГДШ, визначено вплив параметрів навантажуючого діяння на процес формоутворення. Встановлено область раціональних параметрів імпульсу тиску, яка характеризується мінімальними значеннями проміжних згинальних деформацій та найменшими енерговитратами на деформування оболонки.

4. Проведено порівняння результатів чисельного моделювання й досліджень з існуючими даними натурних експериментів і досвідів. Оцінено рівень коректності математичної моделі при визначені раціональних параметрів імпульсу тиску в формуючій камері та параметрів НДС деталі при формуванні основного контуру. Математична модель забезпечує припустимий результат.

5. Запропоновано підхід до практичної реалізації у виробництві результатів досліджень, одержаних з використанням сучасних систем CAE, заснований на побудові системи функціональних залежностей впливу відносних геометричних характеристик оболонок на раціональні параметри імпульсу тиску у формуючій камері при ГДШ.

6. Розроблено скінченно-різницеву модель визначення параметрів НДС тонкостінних вісесиметричних оболонок на етапі формування основного контуру методом ГДШ. Обґрунтовано можливість використання моделі як складового елемента єдиної інтегрованої системи САПР/АСТПВ/АСУ заготівельно-штампувального виробництва.

7. Виконано аналіз раніше реалізованих у виробництві й лабораторних експериментах процесів ГДШ приварної арматури; здійснено аналітичне дослідження типових технологічних операцій та визначено можливості якісного їх поліпшення. Запропоновано й розроблено удосконалену конструкцію перехідника ствола з дискретно регульованим об'ємом формуючої камери.

8. Проведено аналіз схем енергетичних вузлів для ГДШ, альтернативних пороховому энергоприводу. Обґрунтовано принципову концепцію системи розгону снаряда рідинним передавальним середовищем. Виконано конструктивні проробки найбільш реальних перспективних варіантів систем розгону снаряда потоком рідини, сформованим за допомогою мультиплікатора швидкості, з реалізацією явища гідравлічного удару. При цьому зовнішнім джерелом енергії є екологічно чисті субстанції. Як елементи розгінного блоку обладнання запропоновано пневматичний пристрій і аналог двигуна дизель-молота. Представлено схему гідравлічного энерговузла замкненого типу.

Основні положення дисертації викладено в публікаціях:

1. Кривцов В. С., Мельничук А. П. Особенности описания деформирования тонкостенных цилиндрических деталей при гидродинамической штамповке // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та “ХАИ”. – Х., 2001. – Вып. . – С.  – .

2. Кривцов В. С., Брагин А. П., Мельничук А. П. Устройства разгона снаряда в установках для гидродинамической штамповки // Вопросы проектирования и производства конструкций

летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. – 2001. – Вып. ). – С.  – .

3. Брагин А. П., Полтарушников С. А., Мельничук А. П. Гидродинамическая штамповка на пресс-пушках: оценка целесообразности и некоторые предложения по ее внедрению // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве: Труды пятой междунар. научно-техн. конф., 28 –  мая 2002 г. – Х.: ХНПК “ФЭД”. – 2002. – С.  – .

4. Брагин А. П., Мельничук А. П. Гидродинамическая штамповка на пресс-пушках: предложения по усовершенствованию конструкции оборудования // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т
“ХАИ”. – 2002. – Вып. ). – С.  – .

5. Кривцов В. С., Брагин А. П., Мельничук А. П. Анализ некоторых результатов научных и производственных исследований процессов гидродинамической штамповки элементов трубопроводов воздушных систем самолетов // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та “ХАИ”. – Х., 2003. – Вып. . – С.  – .

6. Мельничук А. П. Определение параметров импульса давления при гидродинамической штамповке осесимметричных тонкостенных оболочек // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. – 2004. – Вып. ). – С.  – .

7. Мельничук А. П., Светличный С. П. Исследование процессов гидродинамической штамповки тонкостенных осесимметричных элементов высокоресурсного трубопровода воздушных систем летательных аппаратов // Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (М., 21 –  апреля 2004 г.). – М.: Полигон-пресс. – 2004. – С.  – .

8. Мельничук А. П. Исследование процессов гидродинамического формообразования тонкостенных осесимметричных оболочек при оформлении основного контура на примере сферического наконечника трубопроводов воздушных систем ЛА // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та “ХАИ”. – Х., 2004. – № ). – С.  – .

9. Мельничук А. П. Влияние параметров нагружающего воздействия на процесс гидродинамического формообразования тонкостенных осесимметричных оболочек // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ. – 2004. – Вып. ). – С.  – .

10. Мельничук А. П. Экспериментальное обоснование результатов численного исследования параметров НДС тонкостенных осесимметричных оболочек при гидродинамической штамповке // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. – 2004. – Вып. . – С.  – .

11. Зайцев В. Е., Мельничук А. П. Обоснование конструктивной схемы энергетического узла в установках для гидродинамической штамповки на основе гидравлической мультипликации скорости и использования явления гидравлического удара // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Нац. аэрокосм. ун-та “ХАИ”. – Х., 2005. – № ). – С. 10– 15.

12. Мельничук А. П. Возможные принципиальные схемы создания внешней нагрузки в перспективных установках для гидродинамической штамповки // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т
“ХАИ”. – 2006. – Вып. ). – С. 137– 140.

АНОТАЦІЯ

Мельничук О. П. Моделювання технологічних процесів гідродинамічного штампування закінцівок трубопроводів повітряних систем літальних апаратів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю
05.07.04 – технологія виробництва літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2006.

Дисертацію присвячено моделюванню й дослідженню процесів гідродинамічного штампування (ГДШ) закінцівок трубопроводів повітряних систем ЛА на першому етапі формоутворення – при формуванні основного контуру, результати яких сприяють розробці раціональних стійких технологій ГДШ закінцівок; удосконалюванню елементів конструкції технологічного оснащення устаткування для ГДШ, що спрямовано на підвищення техніко-економічних показників процесів ГДШ і усунення соціальних та екологічних недоліків, властивих установкам для ГДШ, що використовують пороховий енергоносій.

Містить результати теоретичних і чисельних досліджень. Дослідження базуються на теоріях тонких оболонок і пластичної плинності, результатах аналізу лабораторних і виробничих експериментальних досліджень. Математичне моделювання виконано з використанням обчислювальної техніки, сучасних прикладних систем CAE та систем аналітичних обчислень.

Результати роботи передано для використання на АНТК “Антонов”, застосовані в навчальному процесі в Національному аерокосмічному університеті “ХАИ”.

Ключові слова: гідродинамічне штампування, високоресурсний трубопровід, з'єднання сфера-конус, сферичний наконечник, математична модель, тонкостінна оболонка, імпульс тиску, формоутворення, технологічний процес, прес-гармата.

АННОТАЦИЯ

Мельничук А. П. Моделирование технологических процессов гидродинамической штамповки законцовок трубопроводов воздушных систем летательных аппаратов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 – технология производства летательных аппаратов. – Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена моделированию и исследованию процессов гидродинамической штамповки (ГДШ) законцовок трубопроводов воздушных систем ЛА, совершенствованию элементов конструкции технологического оснащения оборудования для ГДШ.

Целями исследования являются: разработка рациональных устойчивых технологий ГДШ и рекомендаций к их применению на основе результатов численного моделирования и исследования процессов ГДШ тонкостенных осесимметричных законцовок на первом этапе формообразования – при оформлении основного (генерального) контура; разработка новых конструктивно-технологических решений, направленных на повышение технико-экономических показателей процессов ГДШ и устранение недостатков (социальных и экологических), свойственных установкам для ГДШ, где в качестве основного энергоносителя использовался порох.

Содержит результаты теоретических и численных исследований. Исследования базируются на теориях тонких оболочек и пластического течения, на результатах анализа лабораторных и производственных экспериментальных исследований.

Математическое моделирование выполнено с использованием вычислительной техники, современных прикладных систем CAE (computer-aided engineering) и систем аналитических вычислений.

В диссертации получены научные и практические результаты.

Обоснована необходимость разделения процессов ГДШ тонкостенных осесимметричных оболочек на три этапа, характеризующиеся различными параметрами процесса и отличающиеся постановкой и методом решения: оформление основного контура оболочек, оформление элементов взаимной фиксации и компенсаторов, калибровка оболочек.

Установлены основные характеристики импульса давления в формующей камере, реализуемые при ГДШ. Определены аппроксимирующие зависимости распределения давления при оформлении основного контура тонкостенных оболочек, обоснована допустимость использования функции давления в формующей камере в виде p.

Обоснована расчетная схема и построена конечно-элементная модель ГДШ сферического наконечника на этапе оформления основного контура. Исследовано с использованием систем CAE НДС оболочки при ГДШ, определено влияние параметров нагружающего воздействия на процесс формообразования. Установлена область рациональных параметров импульса давления, характеризующаяся минимальными значениями промежуточных изгибных деформаций и минимальными энергозатратами на деформирование оболочки.

Проведено сравнение результатов численного моделирования с существующими данными натурных экспериментов. Оценен уровень корректности математической модели при определении рациональных параметров импульса давления в формующей камере и параметров НДС детали при оформлении основного контура. Математическая модель обеспечивает приемлемый результат.

Предложен подход к практической реализации в производстве результатов исследований, полученных с использованием современных систем CAE, основанный на построении системы функциональных зависимостей влияния относительных геометрических характеристик оболочек на рациональные параметры импульса давления в формующей камере при