Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы математического моделирования при проектировании технологических процессов ..
1.1. Методы решения краевых задач в обработке металлов
1.2. Современное развитие технологии прокатки
1.3. Основы технологии штамповки 1.4. CAD/CAM/CAE системы
1.5. Методы автоматической генерации
2. Методика расчета напряженно-деформированного состояния
2.1. Математическая модель формоизменения
2.2. Метод конечных элементов. Основные соотношения
2.2.1. Обобщенная плоская задача
2.2.2. Осесимметричная задача
2.3. Горячая деформация
2.3.1. Колсч полісмен тая аппроксимация температурной задачи .
2.3.2. Моделирование плоских температурных полей
2.3.3. Моделирование осеснмметричиых температурных полей .
2.3.4. Реализуемые типы температурных граничных условий
2.4. Контактное взаимодействие и его реализация
2.4.1. Основные соотношения, моделирующие контактное взаимодействие
2.4.2. Реализация условий трения
2.5. Оценка ВОЗМШШШ ра «рушенні! Стр.
2.6. Аппроксимация механически свойств металлов и сплавов
при гормтеи обрабо йке давлением 165
3. Математическое моделирование горячего формоизменения материалов при листовой прокатке —. 172
3.1 Задание параметров полосы и валков. Установка начального положения 173
3.2. Контактное взаимодействие полосы с валком 183
3.2.1. Определение нейтрального сечения 86
3.2.2. Силы, действующие на валки, и момент прокатки 189
3.2.3. Расчет возможных разрушений при листовой прокатке 193
3.3 Проверка работоспособности математической модели 195
3.3.1. Сравнительный анализ расчетов и аналитических формул... 197
3.3.2. Сравнительный анализ расчетов и результатов работы реального прокатного стана 204
4. Методика расчета деформационных и энергосиловых параметров прокатки сортовых профилей —— 209
4.1. Основные допущения, принимаемые при физической постановке чадачп сор твои прокатки
4.2. Алгоритм построения пространственного напряженно-деформированного состояния для элемента очага деформации .. 218
4.3. Факторы, влияющие на прочесе прокатки в калибрах
4.3.1. Вычисление нейтрального сечения 222
4.3.2. Учет подпора со стороны соседних сечений 224
4.3.3. Определение координаты точки «\нлга мскі.т.іа валками 230
4.3.4. Вычисление скоростей движения почек контактной поверхности с учетом пошагового изменения контура 235
4.3.5. Вычисление продольной скорости сечений полосы 237
4.3.6. Определение усилия и момента прокатки 239
4.4. Моделирование и анализ процесса прокатки в калибрах 242
4.4.1. Сравнительный анализ расчетных и -экспериментальных
показателей формоизменения при прокатке в гладких
валках, полученных на лабораторном стане МГМИ 242
4.4.3. Сравнение результатов 2.5D анализа и трехмерного анализа прокатки в калибрах 251
4.5. Примеры применения компьютерных прогнозов 259
4.5.1. Усовершенствование промышленных калибровок 259
4.5.2. Экспертное опробование и оценка эффективности использования системы имитационного моделирования в промышленных условиях 269
5- Имитационное моделирование и оптимизация технологии производства подшипниковых колец 271
5.1. Моделирование получения башенных поковок подшипниковых колец 271
5.1.1. Расчет течения металла при штамповке башенных поковок 271
5.1.2. Расчет термонапряженного состояния штамповой оснастки при получении башенной поковки 288
5.1.3. Варианты усовершенствования технологического процесса получения башенных поковок 293
5.2. Повышение іффектиііиостн подшипникового производства 302
5.2.1. Построение приближения к решению задачи о развороте заготовки-шайбы в кольцо 306
5.2.2. Компьютерная реализация алгоритма расчета предварительных размеров шайб и колец для технологической операции разворота 318
5.3. Расчет технологических параметров, обеспечивающих бездефектное получение подшипниковые кольца 321
5.3.1. Отличительные особенности производства поковок по новой технологии и алгоритм поиска решения 321
5.3.2. Автоматизация расчета формы пуансона и матрицы при подготовке данных компьютерного моделирования 326
5.4 Расчет и экспериментальная штамповка с разворотом подшипникового кольца 203.01 331
5.4.1. Анализ влияния «угла атаки» на пуансоне на процесс разворота и выбор параметров заготовки 334
5.4.2. Опытная штамповка поковки по результатам теоретического анализа 339
5.4.3. Моделирование получения колец из шайб
переменного сечения 343
Заключение и основные выводы по работе... 353
Литература - 357
- Методы автоматической генерации
- Моделирование плоских температурных полей
- Определение нейтрального сечения
- Алгоритм построения пространственного напряженно-деформированного состояния для элемента очага деформации
Введение к работе
Актуальность проблемы
Технический уровень предприятий машиностроительной промышленности во многом определяется научно-техническим уровнем кузнечно-штамповочного и прокатного производства. Из-за возрастающей потребности промышленности в изделиях высокой точности и качества, к технологиям и оборудованию обработки металлов давлением предъявляются все более высокие требования.
Как показывают многие результаты обобщения работы современных прокатных станов, правильно выбранная и достаточно точно рассчитанная калибровка валков позволяет значительно повысить эффективность формоизменения прокатываемой полосы на каждом этапе превращения ее из заготовки в готовый профиль. Отсюда вполне естественно стремление многих исследователей разработать методы и математические модели, наиболее адекватно отражающие все термомеханические и физические процессы, протекающие в полосе, прокатываемой в системе калибров.
В условиях современного рынка и жесткой конкуренции важное место принадлежит расширению и совершенствованию профильного и марочного сортамента проката и повышению его качества, наиболее полному использованию возможностей установленного на производстве оборудования. Все чаще возникает необходимость в производстве малых партий проката, новых для отечественных прокатных цехов, требующих модернизации существующих и разработки новых калибровок валков. Экспериментальные исследования в этой области очень дорогостоящи, и не всегда возможны в производственных условиях. Значительная трудоемкость таких исследований и недостаточная полнота имеющихся в литературе экспериментальных данных по прокатке в калибрах замедляет и делает более
дорогой разработку новых технологических процессов и усовершенствование существующих. В этих условиях приоритетным является создание простых и достаточно точных моделей, учитывающих возможности современной мобильной и недорогой вычислительной техники, квалификацию ее пользователей и другие экономические, организационные и технические требования. Необходимость решения задач АСУТП также ставит вопрос о разработке достаточно быстрых алгоритмов количественной оценки параметров формоизменения.
С другой стороны, одна из основных проблем промышленного производства серийных товаров - это его эффективность и последующая утилизация отходов. Причем, чем выше общий уровень производства, тем больше проблем с экономией сырья, с повышением коэффициента использования металла. Появляются и экологические проблемы переработки и утилизации отходов производства. Наиболее остро эта проблема стоит перед металлоемкими отраслями, такими как штамповочное производство заготовок под подшипниковые кольца. И, конечно, разработка таких технологий, при которых из отходов производства удается получить полезный продукт, без какой-либо промежуточной переработки - является наиболее актуальной. Именно к таким процессам можно отнести процесс многопереходной штамповки, при котором очень важно получить поковку заданной конфигурации без зажимов, прострелов и других скрытых дефектов, развитие которых бывает достаточно трудно предусмотреть, тем более, если образование их на текущем переходе обусловлено ошибкой в форме штампов на предыдущем переходе. Сюда же можно отнести и процесс штамповки с последующей операцией разворота для получения подшипниковых колец из ранее утилизируемого дискового отхода.
Разрабатывать и оптимизировать такие технологии можно только с использованием имитационных моделей технологических процессов, представляющих собой сложные нелинейные физико-механические
системы. Реализация таких систем на компьютере и включение их в глобальную систему САПР позволит существенно сократить, а иногда и исключить дорогостоящие лабораторные и производственные испытания, сократить сроки подготовки и внедрения технологических процессов в производство, оценить безопасность и износостойкость оборудования.
Все вышеизложенное свидетельствует о том, что математическое моделирование процессов горячей штамповки и прокатки требует дальнейшего усовершенствования. И решение этой проблемы невозможно без создания соответствующих компьютерных систем проектирования ответственных элементов техпроцессов, основанных на применении методов механики сплошной среды, приемах и алгоритмах, позволяющих прогнозировать напряженное состояние деформируемого материала при обработке его давлением.
Поэтому разработка и дальнейшее усовершенствование методов, быстрых алгоритмов и вычислительных систем, предназначенных для проектирования и оптимизации технологических процессов горячей обработки давлением материалов, является актуальной и важной научно-технической проблемой.
Цель работы
На основе современных математических методов и компьютерных технологий численного моделирования физико-механических процессов деформирования твердого тела, разработать научные основы и методику прогнозирования формоизменения металла при прокатке в калибрах и штамповке. Разработать и реализовать на персональных компьютерах вычислительную систему, позволяющую давать научно-обоснованные рекомендации по проектированию перечисленных технологических процессов. Внедрить разработанные системы в производственную практику.
Для достижения указанных целей ставились следующие задачи:
С использованием методов механики сплошной среды, компьютерного проектирования и идей полуаналитического метода конечных элементов, разработать математическую модель объемного течения металла и быстродействующий алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при прокатке на гладкой бочке и в калибрах.
Разработать математические модели, достаточно адекватно описывающие деформирование металла при штамповке, а также позволяющие оценить характеристики напряженно-деформированного состояния в штамповом инструменте и оснастке.
Разработать алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее эффективно, в интерактивном режиме анализировать процессы штамповки и прокатки, и на этой основе модернизировать существующие технологические процессы и разрабатывать новые.
С использованием разработанных моделей выполнить комплекс расчетных экспериментов и провести сравнительный анализ результатов с параметрами действующих калибровок валков, кузнечных линий и данными лабораторных исследований, а также с результатами, полученными при использовании вычислительных систем зарубежными исследователями и опубликованными в технической литературе. Оценить достоверность получаемых результатов имитационного моделирования.
Разработать методику анализа, поиска и уточнения формы промежуточных калибров при расчете вытяжных систем, обеспечивающих качество готового проката и экономию энергоресурсов.
-Разработать концептуальные рекомендации по подходу к проектированию технологических процессов многопереходной штамповки с использованием предлагаемого аппарата вычислительных систем.
ІІаучная новизна
На основе положений механики сплошной среды, разработаны математические модели, методики и алгоритмы решения задач о деформировании материалов с преобладающей скоростной чувствительностью в условиях переменной и падающей скорости хода деформирующего инструмента, с учетом контактного взаимодействия, на изменяющейся во времени и неизвестной заранее границе при реализации технологических операций прокатки и штамповки.
Разработана модификация полуаналитического метода конечных элементов для решения объемной задачи прокатки и алгоритм построения пространственного напряженно-деформированного состояния полосы в очаге деформации при установившемся режиме прокатки на гладкой бочке и в калибрах.
Разработана компьютерная система имитационного моделирования прокатки, позволяющая осуществлять целенаправленный, научно обоснованный поиск рациональных технологических параметров процесса, а также форм и размеров полосы и калибров.
На основе проведенного анализа и расчетов объемной штамповки, разработаны инженерные методики и получен ряд практических рекомендаций по рациональному выбору форм заготовок, по конфигурации пуансонов и матриц штампов для получения при многопереходной штамповке конечного изделия прогнозируемой формы в соответствии с требованиями промышленного производства.
Разработана концепция компьютерного проектирования технологических процессов горячей обработки металлов давлением, опирающаяся на теорию деформируемого твердого тела, и продемонстрирована на примере использования вычислительного комплекса SPLEN.
t-
Достоверность
Достоверность полученных в работе результатов и сделанных выводов обеспечивается строгостью математической постановки задачи и применением современных обоснованных, сходящихся и устойчивых вычислительных методов и приемов механики сплошной среды; подтверждается сравнительным анализом результатов расчета и данных лабораторных и промышленных экспериментальных исследований, установленной хорошей корреляцией этих результатов; практическим применением систем в промышленных условиях.
Практическая значимость
Разработан комплекс вычислительных программ для компьютерного моделирования и исследования процессов прокатки в гладких валках и прокатки в вытяжных калибрах в широком диапазоне конструктивных и технологических параметров, дающий возможность существенно сократить количество трудоемких промышленных экспериментов, ускорить разработку рациональных технологических режимов, включая калибровки валков.
Разработаны методика анализа калибровки валков и алгоритмы поиска и уточнения форм промежуточных калибров.
Разработаны модификации вычислительного комплекса для имитационного моделирования процессов горячей многопереходной штамповки на кривошипно-ползунном исполнительном механизме.
Для внедрения в производство метало- и энергосберегающей технологии переработки отходов подшипниковой промышленности разработана специальная модификация вычислительной системы. Эта система позволяет рассчитывать рациональные технологические параметры процесса горячей штамповки подшипниковых колец методом разворота, а также получать оценки функциональных характеристик штамповой оснастки.
Вычнслительные системы серии SPLEN в настоящее время
установлены в Московском государственном институте стали и сплавов,
МГТУ им.Н.Э.Баумана, Московском государственном институте
электроники и математики и используются в учебном процессе и научных
исследованиях, для подготовки специалистов в области механики, обработки
металлов давлением и математического моделирования, для расчетов
термонапряженно-деформированного локально-однородного
упругопластического состояния тяжело нагруженных деталей металлургических машин и оптимизации параметров технологических процессов прокатки и штамповки.
Реализация в промышленности
В отделении прессовых машин ВНИИМЕТМАШ (лаборатория прессования) внедрен программный пакет SPLEN, используемый для проектирования систем управления приводами кузнечно-прессового оборудования для процессов горячего изотермического деформирования. Внедрение программного продукта в проектные и технологические работы позволило существенно сократить сроки проектных работ и повысить их качество (1992г.).
В качестве основного элемента САПР внедрен вычислительный комплекс SPLEN(Bearing) на заводах Межреспубликанского концерна ((Подшипник». Эксплуатация вычислительного комплекса позволила модернизировать и разработать новые технологические режимы горячей штамповки подшипниковых колец и башенных поковок применительно к линиям Л-309 и Л-234, кривошипному и гидравлическому кузнечно-прессовому оборудованию (1994г.).
Внедрен в производство на Казанском моторостроительном ПО вычислительный комплекс SPLEN для моделирования формообразования деталей типа дисков, колец, шестерен с использованием метода конечных
элементов. Внедрение работы позволило в 3-4 раза сократить трудоемкость инженерного трула, на 15-20% уменьшить затраты на инструмент, электроэнергию, повысить качество деталей за счет ликвидации брака (1995г.).
Выполнены работы по автоматизации расчетов в подсистеме САПР ТП, предназначенной для имитационного моделирования и проектирования технологических процессов штамповки на АПЗ-20 (г.Курск). Внедрен вычислительный комплекс SPLEN(Bearing), предназначенный для анализа технологических процессов изотермической штамповки (1998г.). Внедрен вычислительный комплекс SPLEN(Rotation), предназначенный для анализа технологических процессов изотермической штамповки подшипниковых колец с применением операции разворота из дисковых отходов. Комплекс мероприятий, связанный с внедрением SPLEN(Rotation), позволил повысить КИМ при изготовлении колец подшипников в различных случаях с 0,4-0,5 до 0,65-0,70 (1998г.).
На заводе «Серп и Молот» внедрены результаты проведенных исследований и сделанных прогнозов, выполненные с помощью вычислительной системы SPLEN(RoIling), предназначенной для имитационного моделирования промышленных калибровок валков (1998г.).
На ОАО «ВПЗ-15» (г.Волжский) внедрен вычислительный комплекс имитационного моделирования процесса штамповки, как подсистемы САПР, применительно к линии Л-309. Промышленная эксплуатация комплекса позволила сократить сроки разработки и внедрения новых технологических процессов штамповки, усовершенствовать существующие элементы технологии, повысить качество поковок, значительно снизить выход брака (1999г.).
Опытно-промышленное опробование системы SPLEN(Caliber) выполнено в калибровочном бюро АО «ММК» на действующих калибровках сортовых станов 500, 300-2, 250-1 и проволочного стана 250-2 АО «ММК».
-II-
Полученные результаты расчета обладают высокой степенью достоверности, а пользовательский интерфейс и графические возможности представления результатов удобны пользователю. Вычислительная система была использована при разработке и совершенствовании калибровок на сортопрокатных станах АО «ММК» (2005г.).
Апробация работы
Материалы диссертации доложены и обсуждены на: — 4-ой
Всесоюзной научно-технической конференции по "Сверхпластичности
металлов", Уфа, 1989; — Всероссийской конференции «Математическое
моделирование технологических процессов обработки металлов давлением",
Пермь, 1990; — Международном Советско-китайском семинаре по
кузнечко-штамповочному производству, Воронеж, 1990;
— Международной конференции по сверхпластичности ICSAM-94, Москва,
1994; —Международном семинаре «Современные проблемы прочности»,
В.Новгород, 1999; — Международной конференции и Российской научной
школе «Системные проблемы качества, математического моделирования,
информационных, электронных и лазерных технологий», Сочи, 2001, 2002;
— XXXVIII семинаре «Актуальные проблемы прочности», Санкт-
Петербург, 2001; — Международной научно-технической конференции
«Высокие технологии в машиностроении», Самара, 2002; — Российской
научно-технической конференции «Авиакосмические технологии»,
Воронеж, 2003, 2004, 2005, 2006; — МНТК «Фундаментальные и
прикладные вопросы механики», Хабаровск, 2003; — 2-ой международной
научно-практической конференции «Исследование, разработка и
применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург,
2006.
А также неоднократно (2001-2007) докладывались и обсуждались на межвузовском научно-техническом семинаре «Математическое моделирование физико-механических систем и процессов обработки металлов давлением», проводимом при кафедре «Математическое моделирование» Московского государственного института электроники и математики (Технического университета).
Основные положения, выносимые на защиту, включают совокупность представлений, направленных на идентификацию влияния технологических параметров и фактов на качество изделий, получаемых при штамповке и прокатке в калибрах; математические модели и методики, полученные по результатам комплексных исследований в области механики сплошной среды и обработки металлов давлением при штамповке и прокатке; методологию выработки управляющих воздействий на режимы деформирования с целью повышения качества изделий и эффективности их производства, а также результаты практической реализации указанных научных разработок.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, включая 2 учебных пособия с грифом УМО вузов РФ по образованию в области Прикладной математики и Управления качеством.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 219 наименований. Содержит 99 рисунков, 27 таблиц. Общий объем работы 378 страниц машинописного текста.
Методы автоматической генерации
Современные процессы, протекающие и миропон жоночпке. диктуют необходимость внесения кардинальных изменений в систему корпоративного менеджмента: реорганизацию структуры управления, совершенствования технологий й модернизацию оборудования, создание и выпуск принципиально новой конкурентоспособной продукции, расширения поля деятельности, в том числе и на международном рынке, наращивание конхурентных преимуществ выпускаемой продукции. Сегодня одной из важнейших проблем машиностроительной промышленности является преодоление технологическою тс гаианпя от конкурентов.
Стать конкурентоспособным в бизнесе для промышленных предприятий сегодня немыслимо без использования информационных технологий. Ведущая роль среди них принадлежит комплексу CAD/CAM/CAE/PDM. то есть автоматизированным системам проектирования и конструирования, технологической подготовки производства и управления инженерными данными. Современные предприятия ставят перед собой следующие цели усовершенствований: -перевод существующих процессов на полное электронное описание изделия в едином информационном пространстве: -обеспечение сокращения длительности цикла «проектирование -подготовка - производство» на 50% и более, а также снижение затрат при изготовлении опытных образцов и проведении натурных испытаний, уменьшение времени выхода продукции на рынок путем внедрения сквозных технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий; - повышение качества Продукция (проектов) за счёт использования сертифицированных инструментов проектирования и стандартизированных средств разработки и рабочих мест; -развитие комплекса технических средств вычислительной техники и сетевой телекоммуникационной сети предприятия; - освоение передовых технологий CAD/CAM/CAE/PDM. максимальная автоматизация конструирования и технологической подготовки производства; - успешную реализацию проектов на высоком техническом уровне. Реализация этих бизнес-инициатив позволяет в достаточно короткие сроки перейти на новейшие технологии конструирования, технологической подготовки производства и управления данными, выводит предприятие на современный уровень организации процессов и ставит в один ряд с современными конкурентоспособными предприятиями.
Современные технологические процессы должны обладать высокими уровнями точности, надежности и стабильности. В условиях рынка одним из важнейших требований к ним является гибкость, рассматриваемая как способность к быстрой переналадке при производстве изделий производственной номенклатуры. Большое значение имеет применение CALS-технологи и поддержки жизненного цикла изделия, органично включаемых в общую совокупность интегрированного технологического комплекса.
Выбор мне гру ментон которые положены !) осногл системы управление жизненным циклом изделий представляет собой набор программных средств для объемного и плоского проектирования, автоматизации технологического проектирования, разработки и выпуска конструкторской документации. инженерного анализа и расчетов, управления инженерными данными, а также обеспечение возможности передачи информации в систему оперативного управления производством. Ранее системы автоматизированного проектирования (САПР) основывались на условных геометрических представлениях и логических переходах. Развитие компьютерной техники открыло широкие возможности автоматизации компьютерного конструирования и пространственного моделирования, разработки технологических процессов в диалоговом и автоматическом режимах на базе полного математического представления поверхностей и составляющих тел сборочных единиц, деталей и заготовок. что является принципиально новым шагом в области САПР.
При комплексном рассмотрении процесса подготовки производства изделия, то есть при разработке конструкторской документации и технологической подготовки производства, все звенья данного процесса регламентируются соответствующими ГОСТами и другими нормативно-техническими документами. Проблема интеграции САПР заключалась в том. что мощные по своим функциональным возможностям пакеты САПР производятся за рубежом и. следовательно, не учитывают специфику отечественного производства, обусловленного стандартами ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП и др.. В результате на рынке появились отечественные САПР, которые могли решать задачи технологической подготовки производства и подготовки технологической документации с использованием соответствующих баз данных, делать из них выборки и на основе последних формировать технологический маршрут производства изделия [1].
Так, на базе математического ядра, соответствующего стандартам DFX 3D. SAT. STL. IGES. XT и XB (Parasolid). STEP, разработаны отечественные системы трехмерного геометрического моделирования при конструировании и технологическом проектировании, например. среда T-FLEX CAD/CAM/CAE/PDM фирмы «Топ Системы». САПР технологических процессов "ТехноПро- фирмы Вектор-Альянс», аналогичная среда «Компас CAD СЛМ/PDM" с технологической системой "Компас Автопроект» фирмы «Аскон» и др. Полное математическое ядро функционирует в широко распространенном в оольшинстве стран мира системо а томаті нации черчения. конструирования и пространственного моделирования AutoCAD 3D. на базе которой строятся различные технологические приложения [2].
Моделирование плоских температурных полей
Заметим, что зависимости и коэффициенты, полученные в условиях одно ["о стана (завода) не всегда работают в условиях другого и. следовательно, имеют ограниченное применение.
Появление новых материалов, создание новых типов прокатных станов. повышение скорости прокатки, появление различных вспомогательных устройств дает возможность прокатывать металл в нетрадиционных системах калибров. При расчете таких малоисследованных систем калибров, при совершенствовании процесса формоизменения за счет рационализации формы калибров путем імрьирошішш элементов калибра, теоретическое исследование становится просто необходимым.
Освоение новых калибровок, рассчитанных без надежных предварительных данных, связано с многократными опробованиями. корректировками и экспериментами в производственных условиях. Наличие же теоретических решении может не только исключить непроизводительные затраты и сократить время принятия технологических решений, но и позволит согласовать эффективность технологии с техническими возможностями прокатных станов. Более того, знание полей распределения напряжений, деформаций и скоростей деформаций по объёму тела дает возможность определить не только форму и размеры очага деформации, но и проанализировать возможность деформируемости металла без разрушения.
При исследовании процесса прокатки в калибрах и создании новых или модернизации старых систем калибров необходимо знать энергосиловые параметры, а также интегральные и дифференциальные характеристики напряжённо-деформированного состояния металла в очаге деформации. Таким образом, актуальна разработка математической модели прокатки в калибрах, наиболее полно и ЗДвКВ&хно отражающей процессы, протекающие в деформируемой полосе. При этом возникает потребность в компьютерных программах отличающихся повышенным быстродействием, предназначенных для анализа явлений, происходящих в очаге деформации, а также для проектирования новых систем калибров, учитывающих особенности элементов калибра и задаваемого в него сечения.
Рассмотрим основные методы моделирования и подходы к созданию моделей процессов прокатки в калибрах.
В начальные периоды развития науки о калибровке валков разрабатывались и применялись преимущественно эмпирические методы. Основанные на исследовании и обобщении накопленного опыта отечественных (М.В.Врацкий. А.П.Виноградов, Л.С.Гельдерман и др.) и зарубежных (Л.Жез. Е.Кирхберг. Е.Зибель, В.Тафель. Х.Хофф, Т.Даль) ученых, разраГ лп ш;иііа-і графики и іміяіріІЧСІ-KML формулы для определения коэффициента вытяжки, уширения и энергосиловых параметров при прокатке по различным системам калибров.
Некоторые эмпирические методы расчета калибровок находят применение в настоящее время В частности, методы расчета калибровок валков А.П.Чекмарева, М.С.Мутьева, Р.А.Машковцева [74]. Б.В.Диомидова и Н.В.Литовченко [75], основанные на использовании построенных авторами эмпирических графиков для определения уширения, размеров калибров в зависимости от различных технологических параметров.
В работах П. И. Полу хина и А.Хензеля [76] рекомендованы эмпирические зависимости для определения коэффициентов уширения и вытяжки в функциях сомножителей, учитывающих влияние свойств прокатываемого материала, температуры, скорости, коэффициента трения и вида смазки, а также отношения радиуса валков к высоте полосы после прокатки. Эмпирические методы расчета формоизменения при прокатке ромб—ромб, ромб—квадрат, квадрат—овал, овал—круг предложены М.Л Зайцевым. Регрессионные модели показателей формоизменения в калибрах простой формы на базе статистической обработки результатов промышленной эксплуатации широко известных систем калибров построены В.Т.Жаданом и В.С.Берковским [77.78]. Полученные ими формулы учитывают коэффициенты продольной и поперечной деформации и содержат ряд числовых коэффициентов, найденных на основе статистической обработки большого объёма экспериментальных данных.
Формулы расчета уширения и усилий при прокатке в двухвалковых калибрах, учитывающие отношение площади сечения полосы и площади калибра к площади описанного прямоугольника, выведены В.С.Берковским и В.Б.Шишко с помощью статистической обработки экспериментальных данных, полученных в промышленных условиях. Ими же получены аналитические зависимости для средней вытяжки в паре калибров [79], которые могут быть использованы в расчетах калибровок.
В результате обработки таблиц расчетов на ЭВМ и большого количества экспериментов подбирались аппроксимирующие формулы по определению деформации, усилия и коэффициента уширения при прокатке в калибрах с учетом реологических свойств металла. В работах В.К.Смирнова, В.А.Шилова, ЮВ.Ипатовича, К.М.Литвинова [80-82] предложена система расчета калибровки валков, основанная на этих формулах.
Расчетные формулы для средних контактньіх давлении, усилий и крутящих моментов при прокатке в вытяжных калибрах предлагаются Минкиным А.В. [83]. В этой работе изложен способ расчета площади контакта прокатываемой полосы и валков в калибрах различных вытяжных систем.
Определение нейтрального сечения
Проектирование может выполняться на основе тех процесса-а нал о га, который может быть выбран из архива технологических процессов с последующей доработкой.
Системы позволяют моделировать изделие с целью создания конструкторской и технологической документации. Графический редактор разработает и выпустит различные документы - эскизы, чертежи, схемы, плакаты и т.д. Он работает со всеми типами примитивов, необходимыми для выполнения любого построения. К ним относятся точки, прямые, отрезки, окружности, эллипсы, дуги окружностей и эллипсов, многоугольники, ломаные линии, кривые NURBS. Разнообразные способы и режимы построения этих примитивов избавляют пользователя от необходимости производить сложные вспомогательные построения. В графический документ может быть вставлено растровое изображение различных форматов.
Графические редакторы полностью поддерживают ЕСКД. Поддерживаются стандартные и пользовательские стили линий и штриховок. Реализованы различные типы линейных, угловых, радиальных и диаметральных размеров. Автоматически выполняются простановка допусков и подбор квалитета по заданным предельным отклонениям. Среди объектов оформления - все типы шероховатостей, линий-выносок, обозначения баз, допусков формы и расположения поверхностей, линий разреза/сечения, стрелки направления взгляда, штриховки, тексты, таблицы. Режим заполнения граф основной надписи и текста технических требований облегчает оформление документа Система обеспечивает конструктора всеми инструментами, необходимыми для редактирования чертежа. Автоматически рассчитываются геометрические и массо-центровочные характеристики изделия и штамповой оснастки. Полученная геометрия передается в инженерные расчетные приложения для проверки, разработанной технологии. Большие задачи стоят перед ку з нечн о-штамповочным производством в отношении экономии металла. Наибольшая часть отходов при ковке связана с превращением поковки в деталь в процессе механической обработки. В отдельных случаях отходы в стружку достигают 60 и даже 70% от веса заготовки (для деталей сложных форм). При горячей штамповке отходы в стружку меньше, но увеличены отходы в процессе формообразования поковок (в основном на облой). При ковке поковок из слитков И К металла слитка удаляется в отход (донная и прибыльная его части), который после остывания до цеховой температуры передают в копровый цех на передел шихты или в сталеплавильные цеха на переплав по прямому назначению. В металлургическом производстве в условиях дефицита энергии, газа, мазута и т.п. экономия энергоносителей является первостепенной задачей. Из-за этих отходов значительно снижается коэффициент использования металла при ковке поковок из слитков. Величина отходов характеризует техническую культуру производства поковок и может служить в качестве одного из основных технико-экономических показателей производства деталей машин.
Объемная изотермическая штамповка была первоначально разработана с целью производства деталей, близких оо форме к готовому изделию. В этом режиме штампуют точные поковки сложной формы и больших - л \к роі! из малопластичных материалов.
В отличие от штампованных поковок обычной точности, требующих, как правило, значительной обработки резанием по всей поверхности, точные штампованные поковки обрабатываются лишь в местах сопряжения и на тех участках, где предусмотрено сверление или вырубка отверстий При штамповке точных поковок обеспечиваются жесткие допуски, минимальные радиусы закруглений и штамповочные уклоны и в результате коэффициент использования металла (КИМ), равный 0,8 и более (у поковок обычной точности КИМ а среднем 0,2...0,5), что особенно важно при производстве изделий из дорогостоящих и дефицитных материалов.
Использование изотермического режима, в случае деталей с развитой конфигурацией поверхности, позволяет увеличить количество необрабатываемых поверхностей с 5 20% при грубой иди предварительной штамповке до 50...80% при точной штамповке в условиях иэотермии и сверхпластической деформации.
Изотермическая штамповка позволяет исключить деформационное упрочнение, возникающее в тонких сечениях из-за захолаживания при контакте со штампом. Управление микроструктурой позволяет обеспечить изготовление деталей с повышенными и более однородными механическими свойствами и дает значительное уменьшение вероятности образования третий при штамповке.
При изотермической штамповке в закрытых штампах скорость деформации будет изменяться от точки к точке, в зависимости от геометрии заготовки под штамповку и внутренней полости штампа, а также от скорости деформирования и формы поверхности разъема штампа. Таким образом, невозможно подобрать температуру и скорость деформирования так, чтобы все части заготовки сложной формы деформировались со скоростями, лежащими внутри интервала, соответствующего сверхпластическому течению. Однако даже в обычном случае, когда изотермическая штамповка осуществляется со средними скоростями деформации, большими, чем скорости, отвечающие с верх пласти чес кому течению, следует предположить, что отдельные части материала на определенных этапах процесса штамповки деформируются сверхпластически.
Алгоритм построения пространственного напряженно-деформированного состояния для элемента очага деформации
Окончательный анализ результатов моделирования производится на основе информации, предоставляемой графическим редактором постпроцессора. Он позволяет отображать стадии формообразования. определять условия образования дефектов, оценивать интегральные характеристики на пряженно-де фор ми ров энного состояния; поля и эпюры интенсивностей и сдвиговых деформаций- скоростей деформаций и напряжений, гидростатических давлений. С его помошью можно построить структурные линии, отражающие изменение макроструктуры и волокон в процессе формоизменения и позволяющие тем самым прогнозировать качество готового изделия и его механические свойства. Постпроцессор может выводить графическую информацию о выбранных силовых и кинематических режимах нагружеиия по ходу инструмента и энергосиловых параметрах всего процесса в целом.
Специфическая организация взаимодействия препроцессора, процессора и постпроцессора в пакете SPLEN и технология проведения вычислений позволяют решать локальные задачи управления и оптимизации путем изменения в процессе одного вычислительного эксперимента термомеханических режимов формоизменения за счет задания закона регулирования скоростного или силового режима нагружен ия. программируемого заранее или в интерактивном режиме. Предусмотрена также, возможность влиять на текущие механические свойства деформируемого объекта, изменяя в процессе расчета реологические параметры материала или задавая разные зависимости напряжений течения от скорости деформации и температуры [150]. Процедуры остановки или возврата процессора к предшествующим стадиям формоизменения играют при этом решающую роль.
Особые ВОЗМОЖНОСТИ предоставляют системы SPLEN для управления контактными условиями на границе "инструмент - деформируемая заготовка". Задание граничных условий смешанного типа в системе определяющих уравнений и реализация разработанных алгоритмов и программных средств позволяют менять не только характеристики контактного трения, как в случае расчетов процессов штамповки разворотом кольцевых поковок [140], но и задавать специфические кинематические условия опережающего перемещения контейнера по сравнению с течением деформируемой заготовки, как, например, при моделировании процесса прессования с активным действием сил трения [122]. Другим примером управления контактными условиями является задача моделирования процесса штамповки с кручением [116], когда приложение крутящего момента к деформирующему инструменту вызывает дополнительные перемещения металла заготовки на контактной поверхности, а возникающие при этом сдвиговые деформации существенно изменяют всю картину течения.
В заключении нужно сказать, что создание наукоемкой и технически сложной продукции невозможно без использования специальных инструментальных средств инженерного анализа. Все этапы проектирования, изготовления опытных образцов и их доводки требуют решения множества сложнейших задач из области динамики, прочности, долговечности изделий. От успешного решения таких задач зависят как основные эксплуатационные характеристики изделий, так и уровень затрат на изготовление и доводку опытных образцов, а также сроки вывода новых изделий на рынок.
Современный уровень рентабельности производства требует сократить основную составляющую затрат цикла «проектирование - сертификация»: расходы на доводку и устранение дефектов проекта. По данным корпорации «Боинг», объем этих затрат составляет около 73%. Компании, стремясь существенно снизить подобные затраты, отводят в этом решающую роль именно интенсивному применению технологий инженерного анализа.
Широкое применение метода конечных элементов для исследования сложных объектов стимулировало создание программ автоматического построения сетки конечных элементов. Элементы, как правило, являются простыми геометрическими фигурами. Для пространственной задачи, например, таким элементом может быть тетраэдр. Для плоских задач, либо пространственных задач, сводящихся к плоским, используются различные плоские полигональные фигуры.
На практике наиболее часто производится разбиение изображений на треугольники. Это объясняется следующими причинами: о треугольник является простейшим полигоном, вершины которого однозначно задают грань; о любую область можно гарантировано разбить на треугольники; Любая поверхность может быть аппроксимирована с необходимой точностью сеткой треугольников о вычислительная сложность алгоритмов разбиения на треугольники существенно меньше, чем при использовании других полигонов; о реализация процедур рендеринга наиболее проста для области, ограниченной треугольником; о для треугольника легко определить три его ближайших соседа, имеющих с ним общие грани.
Процесс разбиения полигональной области со сложной конфигурацией в набор треугольников называется триангуляцией. При анализе или синтезе сложных поверхностей их аппроксимируют сеткой треугольников, и впоследствии оперируют с простейшими полигональными областями, т.е. с каждым из треугольников.
Проблема оптимального разбиения пространства задачи является подчас очень сложной. На каждый элемент разбиения могут накладываться довольно жесткие ограничения. На треугольники сетки накладываются два основных ограничения: треугольник не должен быть слишком вытянутым, т.е. его минимальный угол ограничен сверху; площадь треугольника не должна превышать определенного значения, ввиду того, что перемещения находятся только в вершинах и центре тяжести треугольника и есть шанс упустить максимальное перемещение (следовательно, и напряжение) при достаточно больших элементах.
К тому же, в пространстве задачи могут быть некие характерные области, где параметры меняются довольно резко. Например, в задачах механики твердого деформируемого тела, такие области образуются вблизи концентраторов напряжений и в них напряжения меняются чрезвычайно резко. Такие области требуют более частого разбиения.
В современных задачах подобного класса разбиение включает в себя огромное количество элементов, как правило, не менее тысячи. При этом на область разбиения должно накладываться минимум ограничений: не должно быть никаких ограничений, касающихся выпуклости; она может содержать отверстия, выделенные области (другие физические характеристики, нагрузки и т.п.). Треугольники получаемой сетки должны удовлетворять двум перечисленным выше требованием. Желательно, чтобы алгоритм был адаптивным и требовал как можно меньшего участия человека. Создавать вручную такие разбиения не представляется возможным, поэтому в дополнение к основным расчетным алгоритмам должны быть созданы и алгоритмы генерации разбиения, Особый интерес к алгоритмам триангуляции определяется тем, что они используются во многих процедурах машинной графики, таких как формирование поверхностей, закраска, удаление невидимых частей, отсечение.
Похожие диссертации на Математическое моделирование и оптимизация процессов деформирования материалов при обработке давлением
