Введение к работе
Актуальность темы. В авиационной, автомобильной и судостроительной промышленности широко применяются крупногабаритные оболочечные детали Для их изготовления используется метод обтяжки
Развитие промышленности диктует все более жесткие требования к изготовлению деталей методом обтяжки. Увеличиваются размеры деталей, усложняется их форма Применяются новые материалы Процессы обтяжки зачастую ведутся на пределе возможностей оборудования и материала, в результате чего значительно возрастает вероятность возникновения браковочных признаков
Оболочечные детали, как правило, являются носителями аэродинамических форм Поэтому предъявляются повышенные требования к точности их размеров и формы Допуски на отклонение размеров деталей достаточно малы Так, при размерах оболочек до нескольких метров допускаемое отклонение от заданной поверхности составляет доли миллиметра. Достижение такой точности — сложная задача Требуется разработка новых технологических приемов.
Проектирование и отладка технологии изготовления деталей методом обтяжки требует больших трудозатрат с использованием дорогостоящего оборудования и материалов В связи с этим становится актуальным развитие и использование математического моделирования технологического процесса. Моделирование позволяет отказаться от многократного натурного эксперимента, значительно сократить экономические и трудовые затраты Появляется возможность оптимизации технологии без проведения дополнительных опытных работ
Таким образом, тема работы отвечает современным требованиям машиностроения и является актуальной
Настоящая работа выполнялась в соответствии с перечнем Критических технологий федерального уровня, направление 2 6 — «Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления». Тема работы включена в основное научное направление Воронежского государсгвенної о технического университета «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники», научное направление «Автоматизированное проектирование операций листовой штамповки» кафедры прикладной механики
Целью диссертационной работы является создание методик прогнозирования формоизменения заготовок в операциях обтяжки на основе математического моделирования технологии и разработка технологических рекомендаций по проектированию операций обтяжки
Задачи работы. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи
Разработать математическую модель формообразования заготовки в операциях обтяжки, позволяющую определять напряженно-деформированное состояние материала заготовки в процессе ее формоизменения и адекватно отра^ жающую локальные эффекты (влияние условий закрепления заготовки в зажимах, перегибов заготовки)
Разработать методику оценки вероятности возникновения технологических отказов, таких как разрушение заготовки, образование неустранимого гофра, в операции обтяжки
Выполнить комплекс расчетных экспериментов по анализу формоизменения заготовок методом обтяжки в проблемных областях Разработать технологические рекомендации по снижению опасности разрушения заготовок в области зажимных губок обтяжных прессов
Создать методику прогнозирования формоизменения заготовки при изготовлении деталей, имеющих геометрические особенности (локальные впадины поверхности).
5. Создать методику определения остаточных напряжений и пружинения в заготовках после снятия технологических усилий, а также после обрезки заготовки по контуру детали или локального удаления части материала детали Разработать технологию, позволяющую снизить отрицательное влияние пружинения на точность соответствия детали чертежу
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением методов теории упругости и пластичности, теории оболочек, метода конечных элементов Проверка предлагаемых алгоритмов осуществлялась с помощью систем численного моделирования обтяжки листовых заготовок и экспериментально. Экспериментальные исследования осуществлялись с помощью современной регистрирующей аппаратуры Для обработки экспериментальных данных применялись методы математической статистики
Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается корректной постановкой задачи, использованием аргументированных допущений, корректным применением надежных методов математического моделирования Пакет ABAQUS, применявшийся для расчетов, сертифицирован по стандарту ISO 9001 и широко применяется для решения нелинейных задач в науке и промышленности Результаты расчетов сопоставлялись с экспериментальными данными, предложенные методики проверены экспериментально и применены в производстве
Научная новизна работы. Разработана методика математического моделирования процесса формообразования листовых материалов на обтяжном оборудовании, позволяющая прогнозировать поведение материала в локальных областях (область зажимных губок, области изменения кривизны поверхности)
Выявлен механизм возникновения концентрации напряжений в области выхода заготовки из зажимных губок Предложены способы снижения опасности разрушения заготовки в области зажимных губок.
Разработана методика определения остаточных напряжений и пружинения заготовок после формообразования заготовки методом обтяжки, после обрезки заготовки по контуру детали и после фрезерования заготовки по толщине
Практическая значимость работы. Разработан комплекс программ, обеспечивающий интеграцию системы проектирования управления процессом формообразования листовых материалов на обтяжном оборудовании — «S3F» с универсальным конечно-элементным пакетом ABAQUS Программный комплекс позволяет моделировать технологический процесс обтяжки листовых заготовок на конкретном оборудовании и предсказывать технологические отказы
Предложены технологические рекомендации по снижению опасности разрушения заготовки в процессе ее формообразования
Создана методика корректировки объёмной оснастки, используемой в операции обтяжки, на величину пружинений Методика внедрена на заводе Воронежского акционерного самолетостроительного общества, при изготовлении деталей носовой части крыла самолета
Реализация и внедрение результатов работы. На основе разработанных алгоритмов и методик построен программный комплекс, включающий модули по подготовке и расчету модели процесса обтяжки, обработке результатов, расчету остаточных напряжений, корректировки оснастки на величину пружинений. Программный комплекс внедрен в Центре программного обеспечения «ТЕСТ» Разработанные методики и программный комплекс внедрены автором при выполнении работ по корректировке обтяжных пуансонов на величину нру-жинения для Воронежского акционерного самолетостроительного общества
Апробация работы. Основные выводы и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2005, 2006), Международной школе-семинаре «Современные проблемы механики и прикладной матемагики» (Воронеж, 2005), Международной научно-методической конференции «Информатика проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2006), научно-практической конференции «Инженерные системы» (Москва, 2007) Доклады были отмечены грамотой за лучший доклад («АКТ-2005»), грамотой за научную работу («АКТ-2006») и дипломом за активное участие («ИС-2007»)
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит в [3, 4] — разработка методики конечно-элементного моделирования процесса обтяжки, анализ механизма возникновения концентрации напряжений в области зажимных губок; в [5] — разработка методики оценки упругой разгрузки заготовки, в [1, 2, 6, 8] — разработка программного комплекса для интеграции системы проектирования управления обтяжкой «S3F» и конечно-элементного пакета ABAQUS, в [1, 2] — создание методики конечно-элементного моделирования разгрузки, в [7] — подготовка методики корректировки пуансона на величину пружинения, в [9] — анализ проблем, возникающих при конечно-элементном моделировании процесса обтяжки, поиск их решения.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и основных выводов, списка литературы из 132 наименований и приложения Основная часть рабоїьі изложена на 161 странице, содержит 82 рисунка и 11 таблиц
