Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ. 5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Номенклатура деталей планера самолёта, получаемых формовкой листовых заготовок 10
Анализ существующих методов и технологических схем листовой формовки полостей. Классификация процессов листовой штамповки с применением операции формовки 16
Штамповка в жестких штампах 18
Специальные способы штамповки. 21
1.3. Современное состояние теоретических исследований в об
ласти листовой формовки полостей.
Аналитические решения
Инженерный метод 29
Метод характеристик 36
Численные решения
Метод переменных параметров упругости ,_. 38
Вариационные методы 41
Метод конечных элементов 45
1.4. Выводы и задачи исследования 48
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Расчёт параметров неосесимметричной полости с использо -ванием вариационного метода.
Основные допущения, принимаемые при расчёте 51
Анализ процесса формовки осесимметричных полостей. 54
Учёт упрочнения. 67
Алгоритм и блок-схема расчёта параметров формовки осесим
метричной полости 70
Результаты расчёта параметров осесимметричной формовки 73
Влияние прямолинейной части фланца на размеры криволиней
ной части фланца 79
Анализ формоизменения прямолинейной части фланца 80
Определение сил среза. 83
Реологическая модель материала. 85
Алгоритм расчёта параметров неосесимметричной (прямоугольной) формовки полости в листовой заготовке из сплава
ВТ20 88
Результаты расчёта параметров неосесимметричной
формовки. 91
Расчёт параметров неосесимметричной полости с использованием метода конечных элементов.
Конечноэлементное моделирование (Pre-processing). 96
Геометрическая модель 97
Задание свойств элемента. 100
Задание характеристик материала 102
Нагрузки и граничные условия 108
Результаты конечноэлементного расчёта неосесимметрич
ной формовки 109
Сравнительный анализ представленных моделей
формовки. 113
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Цель и задачи экспериментальных исследований 116
Оборудование, оснастка и заготовки для проведения экспериментальных исследований.
Источник питания для электроконтактного нагрева 116
Штамповая оснастка 122
Подготовка заготовки для формовки полости в листовой
заготовке с электроконтактным нагревом 124
В ыбор пресса 125
3.3. Оценка адекватности полученной математической
модели процесса формовки.
Описание выполнения эксперимента 126
Выполнение измерений и определение полей деформации 128
Распределение толщины в зоне очага деформации заго
товки 129
Оценка предельных возможностей процесса неосесиммет-
ричной формовки полостей в листовых заготовках из сплава
ВТ20 129
3.4. Исследование влияния параметров формовки с электро
контактным нагревом на физико-механические свойства
деталей.. 133
Исследование хрупкости поверхностного слоя 134
Исследование микротвердости поверхностного слоя. 136
Исследование механических свойств сплава ВТ20 после
высокотемпературного формообразования деталей 136
Испытания на усталостную прочность 139
3.5 Выводы 142
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 143
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
ПРИЛОЖЕНИЕ1. Программа по расчёту осес им метри чной полости...154
ПРИЛОЖЕНИЕ2. Программа по расчёту прямоугольной полости 159
Введение к работе
Вес деталей, получаемых штамповкой, составляет 60-70% от общего веса планера современного самолёта. Такое широкое применение штамповки обусловлено возможностью изготовления сложных по конфигурации, легких и прочных деталей с высоким коэффициентом использования материала. В ряде случаев штамповка позволяет избежать трудоёмких операций сборки за счёт исполнения дополнительных конструктивных элементов (подсечки, рифты, лючки) на крупногабаритных деталях планера.
Использование новых высокопрочных материалов позволяет уменьшить вес несущих элементов конструкции при той же прочности. Особенно следует выделить титановые сплавы, удельные прочностные характеристики которых значительно выше, чем у целого ряда сталей и алюминиевых сплавов. Однако применение новых материалов часто приводит к ухудшению технологичности деталей.
Крупногабаритные обшивки планера самолёта, защитные кожухи систем и оборудования, приборные панели и тому подобные детали, как правило, имеют множество конструктивных элементов в виде местных полостей под лючки, углублений, подсечек, рифтов, выполняемых с применением операции формовки. Изготовление таких конструктивных элементов часто приводит к разрушению листовой заготовки в процессе формовки.
На этапе подготовки серийного производства, при отработке технологического процесса и внедрении новой технологии ошибки в оценке штампуемости листовых деталей могут привести к значительным материальным и временным затратам, увеличению объёма доводочных работ. По указанным причинам перспективным направлением является грамотное применение современных средств инженерного анализа,
6 позволяющих моделировать технологический процесс и оценивать его технологические возможности.
Все существующие в настоящий момент методы моделирования процессов листовой штамповки делятся на аналитические и численные. Недостатком первых является, как правило, чрезмерное упрощение природы процесса за счёт исключения большого числа факторов, приводящее к снижению точности решения. Среди численных методов наибольшее распространение получил метод конечных элементов. Однако существующие программные реализации этого метода при решении физически и геометрически нелинейных задач не находят широкого применения в серийном производстве, что связано со значительной информативной перегруженностью интерфейса и проблемами с отладкой конечнорлементных моделей как на этапе создания, так и на этапе расчёта.
Таким образом, актуальность данной работы обусловлена сокращением сроков технологической подготовки заготовительно-штамповочного производства, уменьшением объема доводочных работ, снижением стоимости опытно-конструкторских разработок в области производства крупногабаритных обшивок планера из труднодеформируемьтх. сплавов за счёт разработки математической модели и программного обеспечения для расчета параметров формовки конструктивных элементов типа лючков, полостей и местных углублений.
Цель работы Сокращение сроков и трудоёмкости технологической подготовки производства, повышение точности изготовления деталей летательных аппаратов, получаемых с использованием операции формовки неосесимметричных полостей в листовых заготовках, за счёт разработки рациональных методов и автоматизации расчёта её технологических параметров.
Методы исследования. Теоретические исследования при разработке математической модели процесса формовки базируются на основных положениях теории пластичности, методах функционального анализа,
7 вариационного исчисления с применением теории оптимизации, а также методе конечных элементов и численных методах расчёта с использованием ЭВМ.
Экспериментальные исследования основаны на теории планирования эксперимента, выполнены с использованием современных методов и экспериментального оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Выполнена новая вариационная постановка задачи неосесимметричной формовки полостей в листовых заготовках с использованием неполной системы эмпирических функций.
Разработана уточненная математическая модель процесса формовки неосесимметричных полостей в листовых заготовках, учитывающая параметры температурной интенсификации, деформационное и скоростное упрочнение материала, последовательность нагружения.
Исследовано влияние геометрических размеров заготовки, формуемой полости и деформирующего инструмента, а также технологических параметров процесса на энергосиловьте характеристики, предельные возможности и размеры деталей, получаемых формовкой.
Получены новые теоретические и экспериментальные зависимости для расчёта предельных технологических возможностей исследуемого процесса.
Практическая значимость работы
На основе результатов численного моделирования разработаны рекомендации по определению оптимальных параметров процесса формовки полостей в заготовках из титановых сплавов.
Разработан пакет прикладных программ для расчёта на ЭВМ энергосиловых параметров и предельных возможностей процесса листовой формовки, а также геометрических размеров получаемых деталей.
Выполнен комплекс экспериментальных исследований по оценке качества деталей из титановых сплавов, получаемых формовкой с применением электротермического воздействия.
Проанализированы возможности программного комплекса MSC.Marc при моделировании процесса листовой формовки полостей.
Результаты работы внедрены в производство на ОАО «КнАЛПО». Ожидаемый экономический эффект составляет 75000 рублей на одно изделие.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (Комсомольск-на-Амуре, 2002 г.); Первой и второй научно-практических конференциях молодых учёных и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (ОАО «ОКБ Сухого», Москва, 2002 и 2004 гг.); Международном форуме по проблемам науки техники и образования (Москва, 2002 г.); Дальневосточном информационном форуме «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2003 г.); Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (Хабаровск, 2003 г.);.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 8 работах, в том числе - в 1 статье и 7 тезисах докладов.
В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса. Проведён анализ номенклатуры деталей, изготавливаемых с помощью операции формовки, проанализированы существующие методы листовой формовки, особенности способов интенсификации, а также проведён обзор теоретических работ по расчёту параметров процесса.
Во второй главе приведены математические модели процессов листовой формовки полостей круглой и прямоугольной формы в плане на основе прямого вариационного метода. Указаны возможности применения методики создания вариационной модели для постановки задач формовки
9 полостей в виде произвольного выпуклого многоугольника. Дано решение задачи определения напряжённо-деформированного состояния листовой заготовки при формовке неосесимметричной полости жёстким пуансоном по жёсткой матрице. Определены усилия деформирования и другие параметры, необходимые для получения деталей с заданной точностью. Приведено решение задачи формовки неосесимметричной полости с использованием метода конечных элементов.
В третьей главе были рассмотрены особенности формовки полостей из труднодеформируемых сплавов с применением электротермического воздействия (ЭТВ), определены цели и задачи опытно-экспериментальных исследований, проведен отбор оборудования, оснастки и заготовок для проведения экспериментов. Приведены экспериментальные данные по формовке лючков в листовых заготовках из сплава ВТ20 и результаты исследований влияния технологических параметров процесса на физико-механические характеристики материала получаемых деталей.
В приложениях приведены программы для расчёта технологических параметров процесса на ЭВМ и технико-экономический акт внедрения.
