автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Применение математического моделирования при исследовании технологических возможностей поперечного выдавливания для изготовления элементов судовых систем и вооружения

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТРУБОПРОВОДОВ И ГИЛЬЗ. ОБЗОР СПОСОБОВ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

1.1. Перспективы применения операций холодной штамповки для изготовления деталей трубопроводов. Возможности изготовления толстостенных труб с буртиком

1.2. Состояние и перспективы применения прутковой заготовки для изготовления гильз к патронам

1.3. Анализ технологических возможностей операции поперечного выдавливания

1.4. Состояние научной базы моделирования процессов поперечного выдавливания

Выводы и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ

2.1. Общие положения математического моделирования процессов выдавливания

2.1.1. Структура математической модели процессов поперечного выдавливания

2.1.2. Требования, предъявляемые к математическим моделям, и их оценка

2.2. Определение параметров напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов

2.2.1. Основные уравнения. Методика расчета НДС. Конечно-элементная дискретизация расчетной области

2.2.2. Особенности реализации алгоритма

2.2.3. Оценка точности расчета параметров НДС 45 2.3. Модели состояния материала заготовки и усилия деформирования

2.3.1. Модели состояния материала

2.3.2. Модель усилия деформирования 60 Выводы

3. РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ НА ЭВМ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. СРАВНЕНИЕ С РЕЗУЛЬТАТАМИ НАТУРНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Особенности реализации конечно-элементной модели поперечного выдавливания

3.1.1. Создание конечно-элементной сетки

3.1.2. Учет граничных условий: перемещения

3.1.3. Учет граничных условий: поверхностные нагрузки

3.2. Численное моделирование разрешающей системы уравнений

3.2.1. Прямые методы решения линейных уравнений

3.2.2. Итерационные методы решения линейных уравнений

3.3. Результаты численных исследований, сравнение с результатами натурных экспериментов

Выводы

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЗАГОТОВКИ НА БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ФЛАНЦА ПРИ КАЛИБРОВКЕ ПО

СХЕМЕ ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ

4.1. Общие положения

4.2. Анализ дефектов исходного материала и видов разрушения на боковой поверхности фланца при поперечном выдавливании

4.3. Особенности НДС на боковой поверхности фланца заготовки

4.4. Моделирование раскрытия продольных трещин на боковой поверхности фланца при поперечном выдавливании 108 Выводы 113 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ДЕТАЛЕЙ С ФЛАНЦЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ

5.1. Общая структура автоматизированного проектирования

5.2. Система имитационного моделирования процесса поперечного выдавливания

5.3. Пример расчета процесса изготовления детали бугельного соединения поперечным выдавливанием.

5.4. Пример применения системы имитационного моделирования в патронно-гильзовом производстве

Выводы

Актуальность работы.

Современный этап развития судостроения и машиностроительного производства характеризуется повышенным вниманием к высокопроизводительным, экономичным, надежным технологиям, к числу которых относится холодная объемная штамповка. Использование процессов, основанных на данной технологии, при изготовлении высокоответственных деталей набора трубопроводных систем позволяет повысить точность и качество изготовления как заготовок, так и конечных изделий. Особый интерес представляет изготовление буртиков и фланцев на толстостенных деталях трубопроводов и соединений патрубков реакторов и парогенераторов, работающих, как правило, в сложных эксплуатационных условиях, методом поперечного выдавливания, так как применяемые до сих пор способы изготовления - сварка и обработка резанием - достаточно трудо- и ресурсоёмки и не обеспечивают в ряде случаев требуемого качества изделий. В патронно-гильзовом производстве для изготовления патронов традиционно используется листовая заготовка, что предполагает применение на начальных этапах техпроцесса операций вырубки и свертки-вытяжки. Использование листовой заготовки приводит к большому расходу металла, обусловленному, в основном, значительными отходами при вырубке. Прогрессивным представляется переход к использованию прутковой заготовки, предполагающий применение на начальном этапе технологии операции холодной объемной штамповки. Как в том, так и в другом случае применение операций холодной объемной штамповки позволяет существенно повысить коэффициент использования металла. К настоящему времени имеется достаточно много разработок в области использования операций поперечного выдавливания для изготовления толстостенных труб с буртиком и применения прутковой заготовки для изготовления гильз. К их числу прежде всего, следует отнести исследования Тульского государственного университета и Балтийского государственного технического университета "Военмех" [32,58,71]. Однако практического применения разработанные технологии получения толстостенных деталей трубопроводов судового набора и гильз из прутковой заготовки не нашли. Если для судостроительного производства одна из основных причин, это малая известность, и вследствие этого отсутствие технологического опыта данного производства, то для патронно-гильзового производства - низкая надежность новых технологий. Существенным преимуществом традиционной технологии штамповки гильзы из листовой заготовки является ее высокая надежность, что имеет решающее значение для предприятий оборонной промышленности.

Исследование технологических возможностей изготовления толстостенных труб с буртиком, обеспечение оптимальных режимов данной технологической операции требуют при использовании традиционных экспериментальных методов исследования больших временных и финансовых затрат. Это определяет решающую роль при внедрении данного процесса в практику судостроительного производства аналитических и численных методов исследования. Одновременно, согласно литературным сведениям, надежность технологического процесса изготовления гильзы из прутка определяется, в основном, начальной стадией, включающей операции калибровки и предварительного формоизменения. Обеспечение оптимальных режимов проведения калибровки во многом определяет эффективность и надежность последующих основных операций технологического процесса, и особенно операции выдавливания. В то же время условия калибровки по схеме поперечного выдавливания исследованы достаточно слабо. В том и в другом случае известные математические модели процесса не учитывают ряд важных особенностей поперечного выдавливания и не могут быть использованы для решения задач оптимального проектирования технологических процессов. Решение этой задачи возможно лишь с использованием современных численных методов решения краевых задач обработки давлением, и в частности, с использованием метода конечных элементов.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию возможностей использования метода конечных элементов при выборе технологических режимов и разработке методики выбора оптимальных технологических параметров поперечного выдавливания применительно к изготовлению деталей судовых трубопроводов и металлических элементов патронов.

Работа выполнялась в соответствии с государственной научно-технической программой "Университеты России" НИР № Ml8-0513 "Физико-механическое моделирование процессов конечного формоизменения" (1997-2000 гг.); государственной научно-технической программой "Производственные технологии" НИР № Ml 8-3204 "Разработка основ вычислительной технологической механики" (2000-2003 гг.).

Основные результаты исследования изложены в восьми печатных работах и неоднократно обсуждались на тематических семинарах в Балтийском государственном техническом университете (БГТУ) и на конференциях.

Цель работы.

Внедрение новых ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих создание изделий с более высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. Уменьшение стоимости исследования технологических возможностей процессов поперечного выдавливания и определения оптимальных режимов его осуществления применительно к изготовлению деталей судовых систем и вооружения.

Для достижения данной цели в рамках диссертационной работы была предложена методика выбора оптимальных параметров технологического процесса, разработаны и реализованы математические модели, научная новизна которых заключается в следующем:

1. Разработана методика выбора оптимальных технологических параметров поперечного выдавливания в производстве деталей с фланцем, толстостенных труб с буртиком и патронов.

2. Разработаны математические модели процесса поперечного выдавливания, позволяющие оценивать предельные возможности технологических процессов.

3. Разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния заготовки в процессах поперечного выдавливания методом конечных элементов с учетом точности, надежности и устойчивости проведенных расчетов.

4. Исследовано влияние геометрических параметров заготовки и механических свойств на предельные технологические возможности поперечного выдавливания.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Методика выбора оптимальных технологических параметров поперечного выдавливания применительно к производству деталей с фланцем, толстостенных труб с буртиком и патронов.

2. Математические модели влияния геометрических параметров и механических свойств на предельные технологические возможности поперечного выдавливания.

3. Методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния заготовки в процессах поперечного выдавливания методом конечных элементов.

4. Методика оценки точности, надежности и устойчивости численных моделей поперечного выдавливания.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработана методика оптимального проектирования технологической операции поперечного выдавливания.

2. Исследованы технологические возможности поперечного выдавливания, разработаны рекомендации по применению поперечного выдавливания.

3. Разработаны технологический процесс изготовления деталей трубопроводов и патрубков парогенераторов и реакторов; технологический процесс изготовления гильзы с использованием схемы поперечного выдавливания.

4. Материал диссертации использован при создании типовой методики расчета общеинженерным конечно-элементным пакетом ANSYS процесса изготовления деталей трубопроводов

5. Материал диссертации использован в учебном процессе в БГТУ и Санкт-Петербургском институте машиностроения.

Методы исследования. В диссертации использованы общие методы механики сплошных сред, методы оптимального проектирования, математический аппарат оценки точности и устойчивости численных моделей. Алгоритмы численного решения краевой задачи разработаны на базе метода конечных элементов. Полученные данные и опыт исследования позволили использовать существующие общеинженерные конечно-элементные пакеты для решения отдельных технологических задач.

ВЫВОДЫ

1. Созданная система автоматизированного проектирования позволяет отрабатывать изделия на технологичность, оценивать возможность и целесообразность использования для его изготовления операции поперечного выдавливания.

2. При составлении плана вычислительного эксперимента необходимо применять методы регрессивного анализа.

3. Приведенный пример использования системы имитационного моделирования и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными доказывают пригодность предложенных моделей к целям проектирования технологического процесса операции поперечного выдавливания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика выбора оптимальных технологических параметров поперечного выдавливания применительно к производству деталей с фланцем, толстостенных труб с буртиком и патронов.

2. Разработана методика математического моделирования поперечного выдавливания, позволяющая исследовать технологические возможности данного процесса и определять оптимальные режимы его осуществления для изготовления деталей судовых систем и вооружения.

3. Разработаны структуры математических моделей поперечного выдавливания и алгоритмы их построения.

4. Разработана методика определения методом конечных элементов параметров напряженно-деформированного состояния в процессе поперечного выдавливания. Предложен алгоритм решения нелинейной задачи.

5. Разработаны методы оценки точности и устойчивости численного определения параметров напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов.

6. Предложена модель разрушения заготовки, базирующаяся на предположениях механики разрушения.

7. Предложен новый способ изготовления толстостенных труб с буртиком, позволяющий получать детали бугельного соединения с лучшими характеристиками, чем при изготовлении их традиционными способами.

8. Проверка по данным натурных экспериментов достоверности результатов компьютерного моделирования подтвердила пригодность предложенных моделей для исследования процессов поперечного выдавливания.

9. На базе математического моделирования исследованы технологические возможности поперечного выдавливания для изготовления деталей судовых систем и вооружения.

1. Аксенов Л.Б. Системное проектирование процессов штамповки. Л.: Машиностроение, 1990. 240 с.

2. Бакунин В.Н., Рассоха А.А. Метод конечных элементов и голографическая интерферометрия в механике композитов. М.: Машиностроения, 1987. 312 с.

3. Березовский Б.Н., Ураждин В.И. Ураждина Л.С. Решение объемной задачи теории пластического формоизменения с использованием метода конечных элементов // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1982. № 8. С. 50-54.

4. Бочаров Ю.А., Власов А.В. Решение задачи технологических задач обработки давлением с применением метода конечных элементов // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988. №6. С. 110-113.

5. Бреббия К., Теллес Ж., Вроибел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987. 524 с.

6. Вдовин С.И. Методы расчета и проектирования на ЭВМ процессов штамповки массовых и профильных заготовок. М.: Машиностроение, 1988.

7. Вдовин С.И. Повышение точности расчета пластических процессов методом конечных элементов // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988. № 6. С. 88-91.

8. Власов А.В. Исследование процессов доштамповки осесимметричных поковок методом конечных элементов // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988. № 8. С. 106-109.

9. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. 248 с.

10. Ю.Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1977. 439 с.

11. П.Голенков В.А., Зыкова З.П., Кондрашов В.И. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением на персональном компьютере. М.: Машиностроение, 1994. 272 с.

12. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. М.: Мир, 1999. 548 с.

13. З.Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1947. 532 с.

14. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

15. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1980. 456 с.

16. Девятое В.В. Математическое моделирование процесса выдавливания с учетом температурных эффектов // Совершенствование процессов обработки металлов давлением. М.: ВЗМИ, 1987. С. 28-36.

17. Девятов В.В., Столбов В.Ю., Леняшин В.Б. Решение задачи напряженно деформированного состояния металла при выдавливании методом конечных элементов. Там же. С. 28-36.

18. Джонсон В., Кудо X. Механика процесса выдавливания металлов. М.: Металлургия, 1965. 174 с.

19. Дэннис Дж., мл., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.: Мир, 1988.

20. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн функций. М.: Наука, 1980. 352 с.

21. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541 с.22.3ибель Э. Обработка металлов в пластическом состоянии. М.-Л.: ОНТИ, 1934. 194.

22. Иванов К.М., Матвеев С.А., Иванов А.С. Особенности применения МКЭ для анализа процессов сложного нагружения // Труды 1-ой конференции по вычислительным методам механики сплошной среды. Переяславль Залес-ский, 1999 год. С. 85-94.

23. Иванов К.М., Матвеев С.А., Иванов А.С. Устойчивость упругопластического анализа МКЭ // Труды Международной научно-технической конференции "Технико-экономические проблемы промышленного производства". Набережные Челны, 2000. С. 35-38.

24. Исследование технологических возможностей поперечного выдавливания методом конечных элементов / Иванов К.М., Лясников А.В., Гуменюк Ю.И., Матвеев С.А. // Металлообработка. 2001. № 2. С.24-27.

25. Капаханер Д., Моулер К., Нэш. С. Численные методы и математическое обеспечение. М.: Мир, 1998.

26. Качанов JI.M. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. 312 с.

27. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т. / Под пред. Е.И. Семенова и др. М.: Машиностроение, 1987 . Т. 3. Холодная объемная штамповка / Под ред. Г.А. Навроцкого, 1987. 384 с.

28. Кроха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. М.: Машиностроение, 1968. 131 с.

29. Кузнецов Д.П. Напряженно-деформированное состояние заготовки при обратном выдавливании полых цилиндрических деталей // Вестник машиностроения. 1959. № 2. С. 40-44.

30. Кузнецов Д.П., Гуменюк Ю.И. Напряженно-деформированное состояние низких заготовок при холодной обработке выдавливанием // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. № 4. С. 5-7.

31. Курнаков Н.С., Жемчужный С.Ф. Давление истечения и твердость пластических тел // ЖРМО. 1913. № 3. С. 256-310.

32. Лясников А.В. Образование полостей пресс-форм и штампов выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение, 1993. 313 с.

33. Матвеев С.А. Оценка точности упругопластического анализа метода конечных элементов // В книге "Современное машиностроение". СПБ.: Завод Втуз, 2000. С. 63-68.

34. Матвеев С.А. Точность и устойчивость конечно-элементного анализа в технологических задачах // Сборник материалов Международной конференции "Проблемы пластичности в технике". Орел. ГТУ, 2000 г. С. 12-13.

35. Матвеев С.А. Упругопластический анализ МКЭ формоизменения листовой заготовки в процессе ротационной гибки // Материалы 4-ой Международной конференции "Моринтех 2001". СПб., 2001. С. 83-84.

36. Матвеев С.А., Иванов А.С., Иванов К.М. Оценка точности упругопластического анализа метода конечных элементов. Там же. С.80-82.

37. Математика и САПР: в 2-х книгах. Кн. 1. М.: Мир, 1988; Кн. 2. М.: Мир, 1989.

38. Механика деформируемых тел и конструкций. Сборник статей. / Отв. ред. В.В. Новожилов. М.: Машиностроение, 1975. 560 с.

39. Молчанов И.Н. Машинные методы решения прикладных задач. Алгебра и приближение функций. Киев: Наукова думка, 1987. 285 с.

40. Мурадян О.Х. Определение напряженно-деформированного состояния при вытяжке деталей сложной формы // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988. № 2. С. 129-132.

41. Мурадян О.Х. Решение некоторых задач листовой штамповке методом конечных элементов //Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988. № 5. С. 125-128.

42. Надаи А. Пластичность. Механика пластического состояния вещества. ОНТИ. НКТП, 1936. 280 с.

43. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. В 2-х томах. T.l. М.: Изд. иностр. лит., 1954. 648 е.; Т. 2. М.: Мир, 1969. 863 с.

44. Овчинников А.Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение, 1983. 200 с

45. Перлин И.Л., Рейтберг Л.Х. Теория прессования металлов. М.: Металлургия, 1975.447 с.

46. Петросян Г.Л., Мусаелян Г.В., Габриелян М.С. Исследование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния призмы при осадке //Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988. № 10. С. 113-118.

47. Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки / Гречников Ф.В., Дмитриев A.M., В.Д. Кухарь и др.; Под общ. ред. А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1985. 184 с.

48. Прозоров Л.В. Холодное выдавливание тонкостенных изделий / Сб. ЦНИИТмаш. книга 32. М.: Машгиз, 1950. С. 111-148.

49. Работнов Ю.А. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. 712 с.

50. Ребельский А.В. Основы проектирования процессов горячей объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1965. 248 с.

51. Савушкин Е.Т. Диссертация канд. тех. наук. Л.:ЛМИ, 1976.

52. Семенов Е.И., Овчинников А.Г., Дмитриев A.M. Исследование процесса обратного выдавливания // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1975. № 12. С. 121-126.

53. Смирнов-Аляев Г.А. Новый метод аналитической аппроксимации экспериментальной зависимости интенсивности напряженного состояния металлов от степени деформации // Сб. Трудов ЛМИ № 54. Л.: ЛМИ, 1966. С 4-12.

54. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. JL: Машиностроение, 1978. 367 с.

55. Сопротивление материалов пластическому деформированию в приложениях к процессам обработке металлов давлением // Лясников А.В., Агеев Н.П., Кузнецов Д.П. и др.; Под общ. ред. А.В. Лясникова. СПб.: Внешторгиздат, 1995. 528 с.

56. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 424 с.

57. Теория обработки металлов давлением / Тарновский И.Я., Поздеев А.А., Га-наго О.А., Колмогоров В.М., Трубин В.Н. и др. М.: Металлургиздат, 1963. 672 с.

58. Теория пластических деформаций металлов / Унксов Е.П., Джонсон У., Колмогоров В.Л. и др.; Под общ. ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1983. 598 с.

59. Ураждин В.И. Ураждина Л.С. Решение осесимметричной задачи теории пластического течения методом конечных элементов // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1982. № 7. С. 46-48.

60. Фельдман Г.Д. Холодное выдавливание стальных деталей. М.: Машгиз, 1963.188 с.

61. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х частях. Часть первая. Деформация и разрушение. М.: Машиностроение, 1974. 472 с.

62. Хеллан К. Введение в механику разрушения. М.: Мир, 1988. 364 с.

63. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: Гостехиздат, 1956. 407 с. 71 .Холодная объемная штамповка: Справочник / Под ред. Г.А. Навроцкого.

64. М.: Машиностроение, 1973. 495 с. 72.Чумаченко Е.Н., Скороходов А.Н. Александрович А.И. К вопросу о применении метода конечных элементов в задачах о деформировании несжимаемых сред // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1985. № 9. С. 89-92.

65. Шварцман Б.С. Экстраполяционный метод оценки погрешности численных решений. Томск, 1988. 255 с.

66. Шофман JI.A. Теория и расчеты процессов холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1964. 375 с.

67. Gerharat J. Ein Verfahren zur Vorhersage der Werksfukendgeometrie in der Mas-sivumformung // Jnd. Anz. 1988. V. 110, № 42. S. 34-35.

68. Sachs G. und Eisbein V. Kraftbedarf und fliessworgange beim stangpressen. Berlin. Verl Springer, 1931. 78 s.

69. Unkel. Uber die Fliessbewging plastischen materils. Berlin. Verl Springer, 1928. 150 s.