Введение к работе
Актуальность темы. При анализе напряжённо-деформированного состояния достаточно широко используется принцип полузаданности кинематически возможных полей скоростей в очаге деформации. В одной из схем исследования напряжения в упрошенной форме предполагаются известными, и по методу верхней оценки с использованием вариационных принципов находятся недостающие элементы геометрии деформирования. В других вариантах из уравнений равновесия находится только часть компонент тензора напряжений, а остальные - задаются. В этих постановках задачи чаще решаются численными методами (используются конечные разности, конечные или граничные элементы, разбиение очага деформирования на жёсткие или непрерывно деформируемые области), реже - аналитическими методами. Необходимо обратить внимание на следующие особенности процессов обработки металлов давлением.
Во-первых, конечность формоизменения. Во-вторых, с конечностью формоизменения связана проблема выбора типа тензора напряжений. Рассмотрение процесса в локальном базисе текущей деформированной конфигурации означает использование материальных тепзоров напряжений (типа Пиолы-Кирхгофа). Если процесс привязан к локальному пространственному базису в криволинейных координатах, то возникающий тензор аапряжений Коши полагается симметричным по ряду условных допуще-яий.
В третьих, непосредственно наблюдаемой является геометрия (или кинематика) деформирования, напряжения "домысливаются" моделирова-:щём типа материала обработки. Исходя из экспериментальных данных и ;стественных условий симметрии процесса, можно с большой степенью адекватности задать элементы формоизменения такими, чтобы требование юкальной несжимаемости металла совместно с естественными граничны-ли условиями обеспечило однозначное описание кинематики. При этом іе исключается и вихревое движение материала (что соответствует дейст-іительности во многих процессах ОМД). Тогда остаётся невостребован-1ым силовое сопровождение вихревого деформирования, так как симмет-дачный тензор напряжений сопрягается только с деформациями растяже-шя-сжатия и сдвига.
Исходя из указанных особенностей процессов обработки металлов давлением представляется актуальной разработка полуобратного метода анализа кинематики и напряжений , опирающегося на первичность реконструкции кинематики и использующего несимметричный тензор напряжений в пространственных координатах.
Наегоящая работа проводилась в соответствии с межвузовской программой НИР "Металл", раздел 09.16 ; координационным планом НИР АН СССР на 1986-1990 гг., раздел 13.2; Программой фундаментальных исследований "Повышение надёжности систем машина - человек - среда" АН СССР на 1989 - 2000 гг., раздел 3 ; Федеральной программой "Интег-"рация" на 1997 - 2000 гг.; грантами Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам металлургии (1992 - 2000 гг.).
Цель работы. Системное описание кинематики и напряжений в процесах конечного формоизменения, при котором главным критерием корректности описания является адекватность определения кинематики.
Для этого ставились и решались следующие задачи.
С привлечением второго градиента анализировалось пространственное поле скоростей в зоне течения с целью выявления кинематического тензора , ответственного за ротационное деформирование. Рассматривалось сопряжение этого тензора (скоростей микроизгиба-кручения) с тензором поверхностной плотности микромоментов-пар, учёт которого обусловливает несимметричность пространственного тензора напряжений.
Используя частичную известность течения в очаге деформации , из условия локальной несжимаемости метериала в форме дифференциального уравнения находилась геометрия деформирования для процессов волочения (круглого профиля), высадки головок стержневых изделий, холодной продольной прокатки. Определялась кинематика и строились тензоры скоростей деформации и тензор-спины для этих процессов.
Рассматривались системы уравнений равновесия (движения) и определяющих соотношений для идеального жёсткоплаетического и вязкопла-стического материалов с целью получения приближённых аналитических решений задач в напряжениях. Решения в напряжениях использовались для оценки усилий на инструментах.
С использованием разработанных методов и принципа упругой разгрузки исследовалось влияние остаточных напряжений на операцию, промежуточную между волочением проволоки и высадкой из заготовок
головок крепёжных изделий - удаление окалины после термообработки методами кислотного травления и механической обработки. Основные положения, выносимые на защиту.
-
Представление кинематики локального ротационного движения в рамках общей кинематики течения материала в данном процессе тензором скоростей микрокручепия-изгиба, возігакаїошлм только при учёте квадратичного члена разложения изменения скорости в окрестности пространственной точки; в силу этого неизбежность несимметричности пространственного тензора напряжений
-
Построеіше замкнутой кинематики течения в очаге деформации и определение соответствующего ей напряжённого состояния на основе несимметричного пространственного тензора напряжений При этом соблюдаются принципы описания : совместно рассматриваются условие локальной несжимаемости, уравнения равновесия (движения), определяющее соотношение.
-
Модификация определяющего уравнения жёсткопластического с линейным; кинематическим упрочнением материала, реагируеющего на внешнее энергетическое стимулирование процесса деформирования уменьшением доли вязкой составляющей компонент тензора напряжений.
-
Разделение чисто пластических, вязких и динамических составляющих напряжений и оценка роли двух последних типов напряжений в операциях обработки металлов давлением.
-
Результаты исследований при моделировании процессов волочения, двухпозиционной. высадки головок стержневых изделий с построением полей напряжений и накопленных конечных деформаций, вычислением усилий на пуансонах, оценкой влияния скорости пуансонов на вязкие составляющие напряжений.
5. Сконструированная по предлагаемому методу кинематика течения в очаге деформации при продольной прокатке, содержащая гипотезу плоских сечений как результат применения линейного приближения в оценке деформирующего отображения; определение давления на валок и крутящего момента на нём по полю пластических напряжений
7. Использование результатов анализа волочения для сравнительной оценки приемлемости двух способов удаления окалины с поверхности
термообработанной проволоки, обоснование предпочтительности дробеструйной обработки поверхности. Научная новизна.
-
Дано обоснование использования несимметричного пространственного тензора напряжений для анализа процессов конечного формоизменения в операциях ОМД, пе противоречащее основным принципам механики сплошных сред.
-
Построены кинематики процессов волочения круглого профиля, высадки головок стержневых изделий и холодной продольной прокатки полосы из несжимаемого материала, соответствующие экспериментальным данным по искажениям координатных сеток. Получены поля тензоров скоростей деформации и тензор-спинов, необходимых для опрс-ления напряжений.
-
Выполнено разделение пластических, вязких и динамических составляющих напряжений при волочении и произведена оценка их относительных долей.
-
Предложена модель упрочнения жёсткопластическогр материала при двухпозиционной высадке головок стержней и конструкция поля суммарных по двум позициям высадки конечных деформаций .
-
Предложена структура определяющего соотношения для материала, чувствительного к внешнему энергетическому стимулированию процесса деформирования.
-
В процессе моделирования состояния проволоки после удаления окалины поставлена и решена задача о распределении водорода в результате его диффузии из кислотной ванны к оси проволоки и обратно к свободной поверхности, при этом предложен механизм силовой диффузии и решена задача для неё. Дано обоснование перехода от кислотного удаления окалины к дробеструйному её разрушению.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты позволяют не только определить силовые интегральные параметры процессов ОМД, но и проанализировать локальные особенности распределений напряжений. Сопоставление этих особенностей при симулировании волочения импульсами электрического тока с данными оптической и электронной микроскопии позволило выделить механизмы микродеформирования, чувствительные к токовому воздействию , и предложить технологические рекомендации по внедрению электростимуляции в процесс волочения
(ОАО "ЗСМК", г. Новокузнецк , имеется акт об использовании результатов диссертации).
Расчёты усилий на пуансонах при двухпозиционной высадке головок болтов и накопленных в них деформаций позволили разработать и внедрить оптимальные схемы формоизменения при производстве крепёжных изделий (ОАО "Автонормаль", г. Белебей , имеется акт об использовании результатов диссертации).
Результаты моделирования остаточных напряжений, образующихся после травления проволоки в кислотной ванне и последующей калибровки, показали их негативное влияние на предельную пластичпость при осадке, подтверждённое данными испытаний в условиях ОАО "ЗСМК", г. Новокузнецк.
Моделирование остаточных напряжений после дробеструйного удаления окалины использовано для разработки физико-технических основ технологии подготовки поверхности катанки под волочение.
Научные результаты, полученные на основании полуобратного метода анализа кинематики и напряжений, рекомендованы к использованию в специальных курсах, читаемых в Сибирском государственном индустриальном университете, в Томском государственном архитектурно-строительном университете. УМО по металлургии Министерства образования РФ монографии "Электростимулированное волочение : структура и анализ" ( авторы В.Е.Громов, В.Я.Целлермаер, В.ИБазайкин) присвоен гриф "Учебное пособие".
Апробация работы. Основные результаты , представленные в диссертации, докладывались на конференциях, семинарах, симпозиумах:
I Всесоюзной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов", Юрмала, 1987г.; Всесоюзном семинаре "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетичесих воздействий", г.Новокузнецк, 1991г.; Ш Международной конференции "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних эпергетических воздействий", г.Новокузнецк, 1993 г. ; Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", г.Москва, 1994г.; Ш Международной конференции 'Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов", г.Воронеж, 1994г.; I Международной конференции 'Актуальные проблемы прочности", г.Новгород, 1994г.; XIV
Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", г.Самара, 1995г.; Ш Международной конференции "Структурно-морфологические основы модификации материалов ..." г.Обнинск, 1995г.; IV Международной конференции "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий", г.Новокузнецк, 1995г.; I конференции "Материалы Сибири", г.Новосибирск, 1995г.; IV Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологай",г.Томск, 1995 г.; VII Международной конференции "Структура дислокаций и технологические свойства металлов и сплавов", г.Екатеринбург, 1996г. ; II Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике, г.Новосибирск, 1996г.; Международной конференции "Математические модели и численные методы механики сплошных сред", г.Новосибирск, 1996г.; III Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", г.Барнаул, 1996г.; IV Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов", г.Воронеж, 1996г.; Симпозиум "Синэргетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" , г.Москва, 1996г.; Научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии .экономика, экология, управление, технология", г.Новокузнецк, 1996г.; IV Международной конференции "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий.", г.Обшшск, 1997г.; Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике", г.Томск, 1997г.; Научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии", г.Новокузнецк, 1997г.; I Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности", г.Москва, 1997г. ; V Международной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов", г. Ялта, 1997г. ; III Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике, г.Новосибирск, 1998г. ; II Международной конференции "Водородная обработка материалов", г.Донецк, 1998г.; Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии", г.Новокузнецк, 1998г.; межвузовской научной конференции "Числешго-аналитческие методы решения краевых задач", г.Новокузнецк, 1998г.; VI Международной научно-технической конференции "Актуальные
проблемы материаловедения", г.Новокузнецк, 1999 г.; 11 и 12-ой зимних школах по механике сплошных сред, г.Пермь, 1997 и 1999 гг.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в двух монографиях и более 80 других работах. Список основных из них приведён в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов , заключения и списка цитируемой литературы. Введение содержит краткий обзор опубликованных работ по теме диссертации. В пяти разделах изложены собственные результаты автора. В заключении представлены основные выводы по работе. Содержание изложено па 238 страницах, включая 34 рисунка и одну таблицу Список использованных источников содержит 163 наименования.