автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование интенсивного формообразования гнутых профилей в роликах с использованием конечно-элементного анализа

На правах рукописи

Левщанов Владимир Викторович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ В РОЛИКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

00345ЬЬ 1=>

Тольятти - 2008

003456815

Работа выполнена в Ульяновском государственном педагогическом университете им. И.Н. Ульянова.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Филимонов Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Левин Виталий Ильич

кандидат технических наук Тарасова Елена Геннадьевна

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Леонтьев Виктор Леонтьевич

Ведущая организация: Ульяновский государственный технический

университет

Защита диссертации состоится « 25 » декабря 2008 г. в 16 часов на заседании совета Д212.264.03 Тольяттинского государственного университета по адресу: 445020, Тольятти, ул. Белорусская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 24 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь совета

Пивнева. С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена разработке аналитических моделей и комплексному исследованию, с применением метода конечных элементов, процессов формоизменения заготовки в роликах (валках) профилировочных станков.

Актуальность:

В последние годы активно развиваются новые методы пластического деформирования, в том числе холодного профилирования заготовок, позволяющие получать детали с высоким классом точности и чистотой поверхности до 10 класса и выше. К наиболее перспективным методам, сочетающим в себе высокую универсальность и эффективность, можно отнести метод интенсивного деформирования (МИД), созданный в последнее десятилетие.

МИД позволяет получать требуемое сечение профиля лри небольшом числе переходов, что повышает эффективность производства и снижает себестоимость продукции, однако недостаточная изученность процессов формообразования является сдерживающим фактором, ограничивающим широкое применение этого метода.

Несмотря на значительное количество опубликованных работ, посвященных данной проблеме, до настоящего времени отсутствует достаточно точное количественное описание большого числа факторов оказывающих влияние на процесс формообразования. Сложность и высокая стоимость натурных экспериментов (стоимость одного комплекта оснастки может достигать 500 тыс. рублей), ограниченные возможности доступных контрольно-измерительных приборов, изменение свойств заготовки в процессе формоизменения - это лишь малая часть проблем, с которыми приходится сталкиваться исследователям и технологам. Остаются вопросы, требующие детальной теоретической и практической разработки.

Учет и оценка влияния каждого отдельно взятого фактора на технологический процесс профилирования - непростая задача, успешное решение которой возможно только с использованием достижений математических дисциплин, современной вычислительной техники и программного обеспечения.

Целью работы является комплексное исследование процессов формоизменения заготовки в роликах путем создания аналитических математических моделей и применения МКЭ для выработки состоятельных рекомендаций по совершенствованию технологии изготовления гнутых профилей МИД.

Для достижения цели работы решались следующие задачи:

- изучение степени влияния различных факторов на процесс формообразования профиля и определение круга физико-механических явлений, подлежащих учету при разработке аналитических моделей;

- разработка аналитических моделей формообразования, включающих модель формоизменения перфорированной заготовки при поджатии в торец, модель деформирования зоны изгиба в условиях деформационного упрочнения материла с высвобождением угловой зоны, модель зоны плавного перехода при интенсивном формообразовании профиля из упрочняющегося материала;

- тестирование аналитических моделей на асимптотическую коррект-

ность и физическое соответствие процессам формообразования профиля;

- построение моделей материалов и моделей нагружения для конечно-элементного анализа процессов формообразования и его реализация для частных случаев, подтверждающих адекватность аналитических моделей.

- установление границ применимости используемых аналитических и конечно-элементных моделей;

- разработка установки и проведение на ней экспериментальных исследований формообразования и устойчивости заготовки в очаге деформации;

- выработка практических рекомендаций для специалистов предметной технологической области.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись:

- методы механики деформируемого твердого тела;

- методы математического моделирования и вычислительной математики;

- методы статистического анализа.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность научных положений и полученных результатов исследований обеспечивается совпадением результатов теоретических моделей, конечно-элементных расчетов и экспериментальных данных в пределах 10 - 15 %, а также их применением в практике профилирования. Результаты, полученные в данной работе, находят подтверждение в экспериментальных исследованиях других авторов в ряде частных случаев.

Основные положения, обладающие новизной и выносимые на защиту:

- модель интенсивного деформирования перфорированных заготовок при профилировании в условиях нормального нагружения по кромке;

- модель деформирования зоны изгиба с учетом упрочнения при профилировании и высвобождением угловой зоны;

- модель зоны плавного перехода при интенсивном формообразовании профиля, из упрочняющегося материала с учетом прогибов донной части профиля;

- результаты численного конечно-элементного моделирования процессов формоизменения заготовки;

- результаты экспериментальных исследований и практические рекомендации для специалистов предметной области.

Практическая значимость работы состоит в ее непосредственной ориентации на решение задач моделирования интенсивного формообразования и обобщения результатов на широкую номенклатуру профилей с целью совершенствования технологии их производства.

Использование результатов. Результаты диссертационного исследования позволили выработать рекомендации для совершенствования технологии МИД 12-ти типоразмеров многоэлементных гнутых профилей, которые были использованы в НПО «ИДМ» (Научно-Производственное Объединение «Интенсивное Деформирование Материалов») при разработке схем формообразования и технологического оснащения.

Апробация работы. Результаты основных положений диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции, (г. Ульяновск, 2004 год), научно-технических конференциях «Вузовская наука в совре-

менных условиях» в 2005, 2006, 2008 гг., а также на расширенном заседании кафедры общей физики Ульяновского государственного педагогического университета (в полном объеме диссертации) в 2008 году.

Публикации. По теме диссертации имеется 13 научных публикаций, в том числе 3 статьи из перечня изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 170 наименований. Основная часть работы изложена на 170 страницах машинописного текста. Работа содержит более 100 рисунков и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении указаны актуальность задач исследования и цель работы.

В первой главе проведен обзор литературных источников, отражающих методы и способы формообразования тонкостенных профилей. Показаны преимущества и ограничения существующих методов производства гнутых профилей.

Обоснован выбор МИД как одного из наиболее универсальных методов, отличающегося высокой производительностью, сравнительно низкой энергоемкостью и незначительными потерями металла при производстве изделий.

Рассмотрены проблемы, сдерживающие широкое применение МИД, и выделены основные из них:

- отсутствие установленных взаимозависимостей между физико-механическими, размерными характеристиками исходного профиля, параметрами профилировочного оборудования, технологическими факторами и технологическими параметрами процесса формообразования профиля МИД;

- отсутствие моделей формоизменения перфорированной заготовки при поджатии в торец, позволяющих прогнозировать деформации отверстий и их допустимую топологию на подгибаемых элементах;

- отсутствие моделей деформирования зоны изгиба в условиях деформационного уирочнения материла с высвобождением угловой зоны, позволяющих назначать надлежащие режимы формообразования для обеспечения размерной точности профилей, в частности, определения углов пружинения;

- отсутствие моделей зоны плавного перехода при МИД, в которых был бы учтен эффект прогиба донной части для интенсификации процесса путем ужесточения режима подгибки элементов, сокращения числа переходов и предотвращения переформовки заготовки с целью сохранности ресурса пластичности заготовки, повышения качества профиля путем предотвращения дефектов неустойчивости пластического деформирования в форме кромковой волнистости (рис. 1), снижения энергетических затрат и уменьшения износа инструмента.

Обзор работ теоретического и прикладного характера отечественных и за-

Рис. 1. Один из основных типов потери устойчивости - кром-ковая волнистость

рубежных исследователей, посвященных указанным проблемам, показал, что в связи со сравнительно недавним созданием МИД, для достаточно точного количественного описания большого числа факторов, влияющих на процесс формообразования, наиболее целесообразно применение методов математического моделирования и конечноэлементного анализа для верификации аналитических моделей или решения частных задач в приложении к формообразованию профиля в роликах. В известной степени это вызвано высокой трудоемкостью проведения натурных экспериментов, ограниченными возможностями доступных контрольно-измерительных приборов, неустойчивостью в ряде случаев пластического деформирования и изменением свойств заготовки в процессе формообразования.

Рассмотрены основные методы математического моделирования процессов профилирования, а также их возможности и ограничения. Предложен комплексный метод, включающий создание аналитических и конечно-элементных математических моделей.

Выполнен сравнительный анализ современных программных пакетов, реализующих принцип конечно-элементного анализа и применяемых для решения технологических задач ОМД, обоснован выбор программных комплексов ANS YS 8.0 и LS-DYNA как наиболее универсальных.

Первая глава диссертационной работы заканчивается рассмотрением причин возникновения погрешностей, при использовании численных методов, и способов их оценки.

Во второй главе представлены разработанные аналитические модели:

1. Модель интенсивного деформирования перфорированных заготовок. Данная модель отражает напряженно-деформированное состояние металла вблизи отверстий различных размеров и топологии при профилировании пер-уА форированной ленты МИД.

-Лщшь- | \ I 1 ■^ I Расчетная схема и принятые допущения-.

C/j \ \ -1'----i СЦ%) 1) часть заготовки в межклетьевом про) ( Шу^ \ странстве рассматриваем как пластину

f f t, I t i неограниченной длины;

6 2) влиянием смежных с очагом пластиче-Рис. 2. Схема нагружения участков заго- ской деформации участков пренебрегаем, товки при формовке в горизонтальных т _

роликах (а) и с межклетьевой проводкой а нагружение считаем близким к нагру-(б) жению, указанному на (рис. 2).

Напряженное состояние в произвольной точке заготовки описывается зависимостями: arr - ~~<Jo 0 + cos2f?),

стю = —^ст0 (cos 2(9-1), огв = -^<r0sin2#, где агп а ев, аге~ напряжения.

Для осесимметричной части, представляемой модельной задачей сжатия кольца, нагруженного напряжением <т0/ 2 по наружному контуру и имеющего свободный от напряжений внутренний контур, решение в терминах функции Эри известно: Фс(г) = -^-(2Л21пг-г2), где Фс(г) - функция Эри; г - текущая ра-

диальная координата.

Функция напряжений Эри Фи(г, 0) для задачи сжатия кольца с напряжениями на внешней границе: а„ = ^-со%2в, представляется в виде: Фн{г,в) = /(г)со52в.

Определив функцию Дг) из общего бигармонического уравнения УгФн(г,#) = 0 и просуммировав осесимметричную и неосесимметричную

функции напряжений Эри, получим: Фн(г,в) -

(r2-R2)

cos 26 -r2~2R2 In г

Взяв соответствующие частные производные, получаем формулы для со-

ответствующих решении: <г„

' 2

К-1

г

г2 г4 )

- 1

г У

l+3^-lcos2(9l, г ) \

сггв=-

<у„

1 + 2^-3^ у г

sin 20

Из полученных формул, в частности, следует, что при г = Я (контур отверстия): сгт =<т0(2соз2(9-1), откуда видно, что для некоторых направлений осей напряжение Нов может троекратно превышать значение напряжения, приложенного к торцевой поверхности заготовки.

Характер распределения напряжений в упругой области согласно полученным формулам представлен на рис. 3. Выявлена локализация напряжений в области, примыкающей к отверстию, а также их затухание по мере удаления от границ отверстия.

Для круглого отверстия в пластической области нагрузка действует в плоскости полки, при этом напряжения обозначенные на рис. 3 индексом «3», равны нулю, при условии дисторсии полки на протяжении всего процесса деформирования.

При этих условиях уравнения равновесия <т,и = 0 (у принимают значения от 1 до 3) сводятся к двум дифференциальным уравнениям в частных производных, а переход к главным напряжениям позволяет получить их значения в следующем виде:

10 15 20 25 30 г, мм

б

Рис. 3. Распределение радиальных (а) и тангенциальных (б) напряжений по радиусу г, под углом 45° к оси X] в упругой области для отверстий с различными радиусами R, мм: 5(1), 10(2), 15(3), 20(4)

сг, =-

0-,,+сг,,

-сг-

+ 07,

О",. + оу <7, = —--

СГ,, +<ХГ

+ <7„

где <7} и &2 ~ главные напряжения.

Нижняя и верхняя границы разрушающего напряжения р были определе-

2ц

ны анализом поля разрывов скоростей. Если ввести коэффициент: д = —, то

Ъ

верхней границей коэффициента ослабления х„ будет величина:

/-- 1 2

%в =у]2- 4д + Зд2 -д, а нижней границей величина: Хв~—•

На рис. 4 показано, что обе границы лежат достаточно близко. При высоком уровне сжимающих напряжений и диаметре отверстия, соизмеримом с шириной полки, в зонах, примыкающих к точкам пересечения координатных осей с контуром отверстия, образуется некое подобие "пластических шарниров". В о,з о,4 о,5 о,б о,7 0,8 этих зонах при торцевом сжатии наблюдается Рис. 4. Верхняя и нижняя границы разрушение материала или локальное "про-«коэффициента ослабления» давливание".

2. Модель зоны изгиба с деформационным упрочнением материала и с высвобождением угловой зоны. Эта модель позволяет сопоставить величину дрейфа НСН с изменением значений напряжений в зависимости от радиуса ги-ба для моделей из материала, упрочняющегося по линейному закону. От соотношения размеров зон сжатия и растяжения, а также соотношения упругих и пластических зон зависит угол пружинения, определяющий характеристики точности производимого профиля. Принятые допущения:

1) материал - упрочняемый по линейному закону;

2) материал считается несжимаемым;

3) аксиальная вытяжка материала заготовки отсутствует (принимается схема плоской деформации);

4) компоненты тензора напряжений в угловой зоне зависят только от одной из координат;

5) принимается упрощенное условие пластичности;

6) справедлива гипотеза «единой кривой»;

7) зона сжатия и зона растяжения равны по площадям Рис- 5- Схема и параметры

и разделяются НСД (рис. 5). Ф°РМ0ВКИ углов?й0 зоны:

_. , , 1 - ролик нижнии; 2 - ро-

Оощие дифференциальные уравнения равнове- лик верХний

сия а1и - 0 (сГу - компоненты напряжений; "/ " означает дифференцирование по у'-ой координате) для угловой зоны в рамках принятых допущений вырождаются в одно уравнение:

да

др

где сГр, - радиальное и окружное напряжение соответственно; р - переменная интегрирования.

С учетом условия пластичности материала, упрочняющегося по линейно-

му закону. да

Р

др

2 Я

,у1З

(1) принимает вид:

r2 + R2

•р, где р£ = ^—---радиус кривизны неитраль-

для зоны растяжения уравнение 2 Л

ного слоя деформаций; Л - показатель упрочнения; от - предел текучести материала. Введем ооозначения: А = <гт 4—, В --и проинтегрировав

V 3 ре ■ %/3

дифференциальное уравнение, с учетом обозначений и граничных условий сгрр(Я) = 0, получим: арр = Л +и ст* = + +

Проведя аналогичные вычисления для зоны сжатия, с учетом граничного условия аср(г)-0 получим:

acfi = Ab

In

(г1-

+ В(2р -г).

- +В(р-г) и сгд — А

В случае отсутствия упрочнения, уравнения сводятся к известным решениям аналогичной задачи для случая идеальной пластичности, поскольку следует: А = сгт, В = 0.

Расположение НСД между зонами сжатия и растяжения не означает равенства радиальных напряжений на этой границе. Границу НСН можно найти

«сшиванием» радиальных напряжений: А ■ In

Pit r-R

= В(-Ра -Г-R).

(2)

На рис. б и рис. 7 в графической форме показаны зависимости, построенные на основе формулы (2).

д, %

О 1

Рис. 6. Зависимость смещения НСН от относительного радиусагиба: 1 — а. = 0; 2-Х = 400 МПа

-L.

о 50 100 150 200 250 300 350 X

Рис. 7. Зависимость смещения НСН < степени упрочнения материала: 1, 2, 3, 5-г = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0

При изменении относительного радиуса гиба от 1 до 9 для неупрочняю-щегося материала (кривая 1 на рис. 6) смещение НСН не превышает 6%, а при относительном радиусе более 3 смещение составляет менее 1%. Для малых радиусов гиба смещение НСН существенно больше для неупрочняющегося материала и имеет тенденцию к увеличению при изменении относительного радиуса гиба от 1,0 до 0,1.

Рис. 8. Геометрия ЗПП и расположе-

3. Модель зоны плавного перехода (ЗГТГГ) при интенсивном формообразовании профиля из упрочняющегося материала. Модель ЗПП позволяет прогнозировать эффект переформовки заготовки из упрочняющегося материала и назначать такие предельные углы подгибки (с учетом прогиба донной части профиля), которые не приведут к потери устойчивости деформирования. Применяется вариационный метод полной работы деформирования в межклетьевом пространстве, которая складывается из работы деформирования полки, дна профиля и угловой части.

Принятые допущения при определении работы при подгибке полки (рис. 8):

1) материал несжимаемый, упрочняемый по степенному закону;

2) ширина полки не изменяется, а средин- ние локальной системы координат: 1 ная поверхность полки описывается ли- - аппроксимация реальной границы нейчатой поверхностью; пластической области; 2 - реальная -ч , граница пластической области

3) сдвиговые деформации в плоскости ^

полки отсутствуют;

4) размеры угловой зоны в сравнении с шириной полки малы.

На рис. 8 изображены геометрия и расположение локальной системы координат. Переходя от декартовых координат к криволинейным, получаем

С

следующее уравнение срединной поверхности полки: х1 -—-у-со в в {и),

х2 = и, х} =у-з'шв(и), где х/у х2, х3 - декартовы координаты; С - ширина донной части профиля; v,u- криволинейные координаты.

Длина дуги (13 в криволинейной системе координат дается выражением:

^ = д/^ • С^")2'+ ■ с^м - ¿/V + С • (¿/V)2 .

Продольная логарифмическая деформация для точек, равноудаленных от зоны сгиба, будет определяться соотношением (с/у = 0):

еи ~ = ~1п-£. Логарифмическая деформация еу в направ-

лении координаты у с учетом соотношений вычисляется по формуле:

е„ = 1п

Ла= О

¿V

= 1п(л/ё)=0. Учитывая

допущение о несжимаемости мате-

риала, получаем формулу для определения деформации по толщине полки: е„ = ~еп - еу = -еи. Интенсивность деформаций находим по формуле:

1 + V

( дв(и)'\

2\

. Удельная работа деформации полки с учетом

{ ди ) ^

степенного упрочнения получается интегрированием приращения удельной

работы: -С = = --Ц--.

^ те + 1

Л» •е.

/я + 1

Г 3000

Я" • 1

ои

где о; - интенсивность напряжений; Л,т ~ параметры упрочнения.

Работа деформироваши донной части профиля определяется формулой.'

А

А0 --7' пр , где е„„ - предельная упругая дет +1

формация.

Принятые допущения для угловой зоны (рис. 9):

1) принимается схема плоской деформации (еи = 0);

2) радиус кривизны срединной поверхности остается Рис. 9. Параметры угловой постоянным;

зоны 3) работа деформирования сжатой зоны и растянутой

зоны равны;

4) элементарные площадки при изгибе сохраняют свои площади: а ■ р - <1р = а ■ рс ■ с1рс, где йр, йрс - приращения радиусов кривизны вблизи произвольной точки и вблизи срединного слоя соответственно. Длина дуги для этого случая определяется формулой:

а окружная логарифмическая деформация:

ег =1п

ёр=0

йурс

= 1п

/ \ р

. Радиальная компонента деформации с учетом

третьего допущения вычисляется следующим ооразом:

ер =1п

¿Б

Лг-о

¿Р,

= 1п

V "-гс ;

У(Ф)2'Рс р-йр

= 1п

Рс

Полная функция работы для правой половины профиля определяется

„ 4 пом _ Г

формулой: Л ~ ] А-Б-Ь

\у.

о

2т+Э

т

+ (Г+2)-в(и)

где

IV = -

2_ |..... у = . 2А { 2

{т + \)(2т + Ъ)\^) ' 1 -т2 1л/3

•йи

и+1 д

\

Р,

1п

я

с У

(3) •р-йр,

2 =--е™+| • 5 • 77, где ц = С/(2 • вк) согласно третьему допущению.

»1+1

Решая вариационную задачу с подвижной границей:

=5^(0, в,и)-¿и^

получаем:

¿и

где £* =

1У-(2т + 2)

где Е, - подынтегральная функция уравнения (3).

Решение последнего дифференциального уравнения представляется в виде:

в(и) = £> ■ (С ■ и + С, )в + С2, где С/, С2 - константы, подлежащие определению;

. С учетом граничных условий и условия в(и) 1^= вк,

D = -

2т + 2

(4)

£-(2« + 2)' 2тн формула протяженности ЗГТГТ приобретает окончательный вид:

Ы с

Предельные случаи для модели (4). Если положить С = О (абсолютно жесткое дно или уголок), то получаем модель Гунна-Полухина для формовки уголка из упрочняющейся полосы. При т — 0 (неупрочняющийся материал заготовки) легко показать, что предлагаемая модель в точности совпадает с моделью Бхаттачария-Коллинза и с моделью изгиба полки при стесненном изгибе для случая формовки изотропной полосы с постоянным радиусом гиба и формующих роликов для всех переходов. Разработанная модель асимптотически корректна с физической точки зрения при стремлении толщины заготовки к нулю: протяженность ЗПП становится бесконечной.

При разработке технологии, во избежание переформовки заготовки и потери устойчивости деформирования, надлежит следить за тем, чтобы применяемые углы подгибки не выводили длину ЗПП за пределы межклетьевого расстояния, то есть должно выполняться условие: Ь <ЬЫ., где £и — межклетьевое расстояние профилировочного станка, чему соответствует ограничение

, где

определяется из уравнения:

ßnpeo

Т

В третьей главе проведен ряд экспериментальных исследований в программной среде комплекса ANSYS 8.0. При этом динамическая фаза, включающая в себя большие деформации, моделируется с использованием программного модуля LS-DYNA с решателем явного типа (Explicit), а статическая фаза (упругая отдача) с использованием неявного (Implicit) решателя.

1. Моделирование подсадки заготовки с ограничением по наружному контуру. Цель - исследование потери устойчивости и установление зависимости утолщения угловой зоны профиля от величины смещения формообразующего инструмента.

На рис 10. показана конечно-элементная деформированная модель по окончании подсадки полки значительной сжимающей силой, приводящей к потере устойчивости полки.

Данные, полученные средствами постпроцессора, позволили выявить зависимость Рис. 10. Конечно-элементная модель набора толщины уголковой зоны (рис. 11.) и после окончания процесса деформа- величины обратного пружинения (рис. i 3) от ции соотношения калибра и ширины заготовки.

Выявлено, что на начальном этапе, утолщение отсутствует, что связано с упругопластическим характером деформации. Последующий переход в чисто пластическую фазу отмечен быстрым увеличением толщины угловой зоны.

Смещение пуансона, мм

Рис.12. Зависимость набора толщины в уголковой зоне от величины смещения формообразующего инструмента

-Z.fi -2 -1.5 -1 -0,5 величина пружинения. град

Рис. 13. Зависимость эффекта пружине-ния заготовки от смещения формообразующего инструмента

2. Моделирование изгиба с высвобождением угловой зоны производилось с использованием конечно-элементной модели из предыдущего эксперимента для промежуточных этапов. Рассматривалось влияние подсадки на распределение напряжений и деформаций в угловой зоне.

Анализ напряженного состояния заготовки (рис. 14) и распределения главных напряжений по биссектрисе угла зоны изгиба (рис. 15) позволил качественно и количественно охарактеризовать взаимосвязь величины перемещения торца заготовки и разгрузки наружного контура зоны изгиба. Выявлено, что при подсадке можно производить изгиб заготовки на меньшие радиусы, чем те, что традиционно приводятся в многочисленных справочниках по холодной штамповке для обычного изгиба.

Подтверждено соответствие деформационных характеристик угловой зоны аналитической модели пластического изгиба с торцевым сжатием.

Показано, что уровень окружных деформаций на наружном контуре не превышает 10 %, а на внутреннем контуре составляет 25 %, Следовательно, наружный контур разгружается за счет действия торцевых сил, внутренний нагружается дополнительно (при чистом изгибе окружная деформация наружного кон- Рис 15 расПределение главных тура составляет около 20 % при той же геометрии напряжений по биссектрисе уг-угловой зоны). Деформация в любой точке заго- ла: 1 - радиальное; 2 - продоль-товки на срединной поверхности угла не превы- ное; 3 - окружное шает 0,4 %).

Рис. 14. Распределение напряжений в модели детали в виде изоповерхностей: 1 -положение нейтрального слоя; 2 - зона максимальных напряжений

3. Моделирование деформирования МИД перфорированных профилей в закрытом калибре проведено на конечно-элементной модели содержащей 1124 конечных элементов SOLID 164, показанной на рис. 16.

Решена задача об изменении формы отверстий в зонах значительных деформаций. Показано, что наибольшему искажению формы подверглись отверстия, расположенные в правой части модели (рис. 17), Получена количественная оценка изменения геометрических характеристик отверстий просечки и распределение напряжений. Данные о результирующих напряжениях были интерпретированы в графической форме (рис. 18).

Исследование предельных возможностей профилирования перфорированной ленты в среде ANSYS 8.0 позволило получить функциональную зависимость критической деформации от величины смещения формообразующего инструмента с достаточной для практического применения точностью и учетом физико-механических явлений, сопровождающих пластическую деформацию.

Рис. 16. Конечно-элементная модель заготовки созданная средствами препроцессора Агкуэ 8.0

ANSY5

»■ <

W*

Рис. 17. Распределение напряжений по von Mises в конце нагружения, показанное в постпроцессоре Ansys 8.0.

Рис. 18. Зависимость результирующих напряжений а от величины подсадки полки V. 1,2,3,4 - графики напряжений в соответствующих контрольных точках

В четвертой главе проведены комплексные численные и экспериментальные исследования критериев формообразования при использовании технологии интенсивного деформирования, проведено сопоставление данных, полученных в результате численного эксперимента, с данными натурного эксперимента. Приведены рекомендации практического характера для специалистов предметной области.

Программа исследований данного раздела включала в себя:

- изучение геометрических характеристик зоны плавного перехода (ЗПП);

- измерение величины удлинения кромки полки в зоне плавного перехода;

- измерение величины утонения угловой зоны.

Исследования

протяженности ЗПП были проведено в среде постпроцессора ЬБ-ОША, на фрагменте конечно-элементной модели расположенный между первым и вторым роликовым калибром (рис. 19). После статистической обработки результаты конечно-элементного эксперимента в графической форме показаны на рис. 20.

Рис. 19. Распределение истинных значений напряжений по von Mises на исследуемом фрагменте профиля

Рис. 21. Экспериментальная гибочная установка: 1 - станина; 2 - неподвижная струбцина; 3 - прижимная пластина; 4 - основание; 5 - поворотное устройство

Рис. 20. Номограмма изменения угла подгибки вдоль участка плавного перехода плавного перехода

Выявлено, что протяженность ЗПП Ьк, близка к величине, полученной из аналитической модели с точностью до 12-15 %.

Экспериментальное подтверждение результатов аналитических и конечно-элементных исследований проведенных в рамках настоящей работы было произведено на разработанной и созданной гибочной установке (рис. 21). На рис. 22 показана фотография ЗПП заготовки из холоднокатаной оцинкованной стали 08кп толщиной 1 мм, деформированной с помощью гибочной установки.

Результаты натурного эксперимента пока-

зывают, что расхождение экспериментальных данных и данных аналитической модели не превышает 17%.

Проведенное моделирование позволило определить критерии предельного формообразования, на основании которых были разработаны рекомендации практического характера (приведены в работе) для специалистов предметной области, использованные для разработки технологии 12 типоразмеров профилей в НПО «ИДМ» (г. Ульяновск).

40 50 РШТ, мм

Рис. 22. Фото зоны плавного перехода при подгибке полки на угол 22°

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Изучение степени влияния различных факторов и механических свойств заготовки на процесс формообразования профиля показало, что наибольшее влияние на процесс формообразования оказывают размерные параметры сечения исходного профиля (толщина стенок, ширина подгибаемых полок и дна), механические свойства заготовки (предел текучести, показатели упрочения, относительное удлинение), ее ширина, углы подгибки за переход и меж-клетьевое расстояние профилировочного станка, которые приняты в рассмотрение при моделировании процесса формообразования.

2. Разработанная аналитическая модель деформирования перфорированных заготовок позволяет определять напряжения вблизи отверстий, а также верхнюю и нижнюю границы разрушающих напряжений, причем, эти напряжения в зависимости от топологии и размеров отверстий могут в несколько раз превышать напряжения, приложенные к торцевой поверхности заготовки.

3. Разработанная аналитическая модель формирования зоны изгиба заготовки позволила установить, что смещение нейтрального слоя напряжений существенно зависит от относительного радиуса изгиба и несколько в меньшей степени - от показателей упрочнения, причем, при относительном радиусе меньше единицы смещение может превышать 10%.

4. Аналитическая модель зоны плавного перехода, полученная вариационным методом путем минимизации функционала полной энергии деформирования, позволяет учесть влияние ширины донной части профиля и тем самым сократить число переходов путем «ужесточения» режимов подгибки. Модель также устанавливает предельные углы подгибки полок во избежание переформовки заготовки.

■ 5. Тестирование полученных аналитических моделей показало, что в предельных случаях они совпадают с известными решениям«, а в асимптотике являются физически непротиворечивыми.

6. Построенные конечно-элементные модели формирования угловых зон, деформирования перфорированных заготовок и их численная реализация для частных случаев подтвердили корректность соответствующих аналитических моделей с точностью до 15%. Установлены предельные характеристики для угловых зон, а также отверстий в перфорированной заготовке для различных случаев их размеров и расположения на подгибаемой полке.

7. Установлено, что аналитические и конечно-элементные модели имеют следующую сферу применимости: профили с толщиной стенок до 2 мм, относительной шириной подгибаемых полок до 80и относительной шириной дна до 200 мм.

8. Натурные экспериментальные исследования, проведенные на созданной автором установке, подтвердили с точностью до 17% результаты конечно-элементного моделирования.

9. Практические рекомендации для технологии использованы в НПО

«ИМД» (г. Ульяновск) при разработке схем формообразования и технологического оснащения для производства 12 типоразмеров многоэлементных гнутых профилей.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Левщанов В.В. Исследование процесса формирования уголковой зоны профиля. // Наука и технология. Избранные труды российской школы. Серия "Технология и машины обработки давлением". Челябинск. Уральское отделение РАН. 2006. С. 49-53.

2. Филимонов В.И., Левщанов В.В. Исследование методом конечных элементов процесса профилирования ленты с торцевым сжатием при высвобождении угловых зон. // Наука и технологии. Избранные груды Российской школы. Серия «Технологии и машины обработки давлением». - М.: РАН, 2005. -204 с. С. 66-69.

3. Гудков И.Н., Левщанов В.В., Филимонов В.И. Моделирование интенсивного деформирования перфорированных заготовок при профилировании // Производство проката. 2006. № 4. С. 30-34.

В других изданиях:

4. Левщанов В.В. Использование программного комплекса ANSYS при решении сложных задач физики и механики // Формирование учебных умений в процессе реализации стандартов образования, материалы Всероссийской научно-практической конференции, УлГТУ, 2004.

5. Левщанов В.В. Выбор конечных элементов для моделирования процессов профилирования // XXXIX НТК, УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Часть 1, тезисы докладов, УлГТУ, 2005.

6. Левщанов В.В. Сравнительный анализ программных пакетов на основе МКЭ применяемый при моделировании профилирования металла // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем, сборник научных трудов, УГТУ, 2005.

7. Левщанов В.В. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием программного комплекса ANS YS // Вестник УлГПУ, № 1, 2005. С. 32-34.

8. Левщанов В.В., Филимонов В.И. Формовка угловых зон с высвобождением при профилировании // Вестник УлГТУ, 2005. - № 2. С. 39 - 42.

9. Левщанов В.В., Филимонов В.И. Моделирование реализации аксиального сжатия при профилировании полосы // Вестник УлГТУ, 2005. - № 3. С. 34 -37.

10. Патент на полезную модель №44551. Клеть профилегибочного стана для непрерывного профилирования./ Литвинов В.А., Зарубин Д.П., Филимонов C.B., Лапшин В.И., Левщанов В.В. Заявка №2004132023. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27 марта 2005г.

11. Левщанов B.B. Сравнительный анализ процесса формообразования профиля с использованием программных сред ANS YS 8.0 и DEFORM 3D // Тезисы докладов 40-й НТК УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях» (20 января - 24 января 2006 г.). - Ульяновск: УлГТУ, 2006.

12. Левщанов В.В., Филимонов В.И. Моделирование процесса профилирования в среде ANSYS 8.0 // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: Сборник научных трудов. Вып. 5. - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2006. -С. 159 - 163.

13. Левщанов В.В., Филимонов В.И. Математическая модель кручения полки профиля несущей отбортованную часть // Тезисы докладов 42-й НТК УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях» (28 января - 4 февраля 2008 г.). - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - С. 41.

Подписано в печать мм. 01 Формат бумаги 60x901/16

Бумага типографская Усл. печ. л ./.О

Печать оперативная Тираж /(? {? экз. Заказ №

Ротапринт Ульяновского государственного педагогического университета имени И.Н. Ульянова

432700, г. Ульяновск, пл. 100

—летия со дня рождения В.И. Ленина, 4.

Основные обозначения, принятые в работе.

Введение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Методы и способы формообразования профилей.

1.1.1. Изготовление профилей в кромкогибочных машинах.

1.1.2. Гибка профилей в штампах.

1.1.3. Изготовления профшей в инструментальных фильерах.

1.1.4. Формообразование гнутых профилей, в роликах.

1.1.5. Комбинированный метод.

1.2. Дефекты профилей, возникающие в процессе формообразования.

1.2.1. Саблевидность.

1.2.2. Продольная кривизна.

1.2.3. Скрутка.

1.2.4. Кромковая волнистость.

1.3. Методы анализа процессов профилирования, их возможности и ограничения.

1.3.1. Сравнительный анализ математических методов.

1.3.2. Формулировка метода конечных элементов.

1.4. Сравнительный анализ современных программных пакетов на основе МКЭ применяемых для решения технологических задач.

1.4.1. Программный комплекс ANSYS.

1.4.2. Программный продукт LS-DYNA.

1.4.3. Программный продукт DEFORM.

1.4.4. Программный продукт MSC.Nastran.

1.4.5. Программный продукт COPRA RollForm.

1.4.6. Программный продукт Eta/DYNAFORM.

1.5. Причины возникновения погрешностей.

1.6. Проблемы и задачи, подлежащие решению.

Выводы.

Постановка задач исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ.

2.1. Модель интенсивного деформирования перфорированных заготовок.

2.2. Модель деформационного упрочнения материала при профилировании с высвобождением угловой зоны.

2.3. Модель зоны плавного перехода при интенсивном формообразовании профиля из упрочняющегося материала.

Выводы.

3. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРОФИЛИРОВАНИЯ.

3.1. Применяемые программные средства и схема проведения исследований.

3.2. Выбор типа конечного элемента для решения задач профилирования.

3.2.1. Свойства материалов использованные при моделировании.

3.2.2. Создание программного модуля на языке APDL в среде программного комплекса ANS YS.

3.2.3. Опции контактного взаимодействия использованные при моделировании.

3.3. Исследование предельных возможностей профилирования перфорированной ленты.

3.4. Моделирование процесса формирования угловой зоны профиля методом стесненного изгиба.

3.4.1. Моделирование высвобождения угловой зоны.

3.5. Моделирование осадки заготовки подковообразной формы.

3.6. Моделирование подгибки полки в межклетьевом пространстве профилегибочного станка.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИТЕРИЕВ ПРЕДЕЛЬНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ.

4.1. Программа экспериментальных исследований.

4.1.1. Цель и задачи исследований.

4.1.2. Применяемые средства и алгоритм проведения конечно-элементного эксперимента.

4.1.3. Выбор схемы формообразования профиля.

4.2. Конечно-элементная модель профилегибочного станка.

4.2.1. Конечно-элементная модель деформируемой заготовки.

4.2.2. Конечно-элементные модели роликовых калибров.

4.2.3. Конечно-элементная модель направляющего устройства.

4.2.4. Полная конечно-элементная модель профилегибочного станка.

4.2.5. Допущения, принятые при моделировании.

4.2.6. Опции решателя и контроля конечно-элементной модели.

4.3. Постпроцессорная обработка результатов решения.

4.3.1. Зоны контроля.

4.3.2. Создание программного модуля на языке SCRIPTOреализующего алгоритм автоматизированной выборки данных о характеристиках напряженно-деформированного состояния модели.

4.3.3. Исследования протяженности зоны плавного перехода.

4.3.4. Измерение величины относительного удлинения кромки полки.

4.3.5. Измерение величины отклонения дна профиля в вертикальной плоскости.

4.3.6. Исследование зависимости геометрических характеристик угловой зоны от суммарного угла подгибки в условиях интенсивного деформирования.

4.4. Экспериментальная гибочная установка.

4.4.1. Конструкция установки.

4.4.2. Работа с установкой.

4.5. Результаты экспериментальных исследований.

4.5.1. Исследование потери устойчивости дна профиля в форме депланации поверхности.

4.5.2. Исследование геометрических характеристик зоны плавного перехода профиля.

4.6. Основные направления дальнейших исследований.

Выводы.

В настоящее время процесс технического переоснащения охватил большинство отечественных машиностроительных и металлообрабатывающих предприятий. Фактором, обусловившим это, явилась острая конкуренция со стороны зарубежных производителей, имеющих более гибкую систему производства, способную быстрее реагировать на запросы потребителя. Особое значение приобретает вопрос разработки и освоения новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий обработки металла. На передний план выходят новые методы холодного формообразования (пластического деформирования), позволяющие получать детали с высоким классом точности и чистоты поверхности. Детали, полученные с помощью таких методов, не требуют доводки и часто являются законченным продуктом, готовым к использованию сразу после изготовления. Это особенно актуально при производстве профилей сложной, специальной и асимметричной формы, сортамент которых неуклонно увеличивается в связи с расширением областей их применения.

К числу наиболее перспективных, сочетающих в себе высокую универсальность и эффективность, можно отнести метод интенсивного деформирования (МИД) в роликовых калибрах. В отличии от традиционного, метод интенсивного деформирования позволяет получать требуемое сечение профиля при меньшем числе переходов, что повышает производительность оборудования и снижает себестоимость продукции. Однако, сдерживающим фактором, ограничивающим его широкое применение, является недостаточная изученность предельных возможностей этого метода. Более жесткие схемы формообразования, реализуемые МИД, часто становятся причиной ухудшения геометрических характеристик готового изделия, вплоть до возникновения таких распространенных дефектов как кромковая волнистость и прогиб в горизонтальной плоскости (саблевидность). Предотвратить появление дефектов можно только детальной проработкой каждого технологического перехода, для чего необходимо углубленное изучение напряженно-деформированное состояния зоны сгиба и периферийных элементов детали в процессе формообразования. Ограниченные возможности аналитических методов и высокая стоимость экспериментальных исследований привели к необходимости поиска новых путей решения этой проблемы. Опыт ведущих производителей профильной продукции убедительно доказал необходимость применение новейших информационных технологий при решении таких задач.

На Российских машиностроительных и проектных предприятиях широкое распространение получили системы автоматизированного проектирования на базе хорошо освоенного отечественными специалистами AutoCAD. Было достигнуто повышение производительности труда за счет автоматизации рутинных и трудоемких работ, связанных с разработкой и документированием простых и сложных деталей, сборок, деталировок и др. Значительно хуже ситуация в области автоматизированного инженерного анализа. Статистика отмечает медленный рост числа специалистов занятых в этой сфере. Сдерживающим фактором выступает высокая цена на программные продукты, реализующие метод конечных элементов (МКЭ) при моделировании технически сложных задачи. К типичным представителям таких программ, представленных на рынке программного обеспечения, можно отнести ANSYS, NASTRAN и LS-DYNA. Слабая подготовка отечественных ученых-исследователей и инженеров-расчетчиков к работе с программами такого класса объясняется отсутствием доступной русскоязычного документации к ним, учебных пособий и, за редким исключением, учебных (студенческих) версий этих программ.

Таким образом, преодолев вышеперечисленные трудности и используя современную вычислительную технику, можно разрабатывать новые схемы формообразования, сокращать время проектирования оборудования и оснастки, повышать качество продукции при одновременном снижении себестоимости, и как следствие этого, увеличивать рентабельность производства.

Цель данной работы - углубленное исследование предельных возможностей технологии интенсивного формообразования с помощью моделирования в программной среде АК8У8 и ЬВ-ОУЫА. Основываясь на данных, полученных в результате моделирования, были выявлены причины возникновения таких дефектов холоднокатаных профилей, как кромковая волнистость, скручивание и др.

Результаты проведенных исследований прошли апробацию и были использованы при разработке новых технологий и проектировании технологического оборудования в ООО «НПО «ИДМ» (Научно-Производственное Объединение «Интенсивное Деформирование Металлов») и ОАО «Ульяновский НИАТ» (Ульяновский научно-исследовательский институт авиационной технологии и организации производства).

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе описаны различные способы изготовления профильной продукции и рассмотрены характерные дефекты, возникающие в процессе формообразования, для их учета в построении математических моделей. Проведен сравнительный анализ современных программных продуктов на основе МКЭ, применяемых для решения задач профилирования с учетом особенностей поставленной задачи.

Вторая глава посвящена разработке трех математических моделей: модели интенсивного деформирования перфорированных заготовок, модели деформационного упрочнения материала при профилировании с высвобождением угловой зоны и модели зоны плавного перехода при интенсивном формообразовании профиля из упрочняющегося материала.

В третьей главе проведен численный анализ процессов профилирования. С помощью языка программирования АРБЬ, в среде программного комплекса А^УБ создана базы данных для материала Сталь 08кп.

В четвертой главе описаны экспериментальные исследования критериев предельного формообразования с использованием конечно-элементной модели профилегибочной линии. Приведены опции решателя и контроля конечно-элементной модели. Создан программный модуль на языке 8СШРТО для автоматизации процесса выборки данных о характеристиках напряженно-деформированного состояния модели. Исследовано напряженно-деформированное состояние детали в процессе формообразования. Приведены описание и принцип работы разработанной и созданной экспериментальной гибочной установки. Дан сравнительный анализ результатов конечно-элементного и лабораторного экспериментов потери устойчивости дна профиля и геометрических характеристик зоны плавного перехода. Подтверждена высокая надежность использованных численных методов при решении задач ОМД.

Предложенные аналитические и конечно-элементные модели прошли апробацию на двух ульяновских предприятиях специализирующихся на производстве профильной продукции и были использованы при разработке технологического оборудования.

По результатам исследований опубликовано 17 работ и получено положительное решение на выдачу патента.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, научному консультанту, ООО «НПО «ИДМ» и ОАО «Ульяновский НИАТ» за оказанную помощь и поддержку в процессе подготовки работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ОСНОВНЫЕ РУЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

С помощью мощных и удобных программных средств А^УБ и Ь8-ОУЫА было проведено исследование одного из наиболее перспективных методов обработки металлов давлением - метода интенсивного деформирования (МИД). В итоге были преодолены сложности, связанные с исследованием напряженно-деформированного состояния детали в момент формообразования и одновременно относительном движении. Конечно-элементное представление процесса позволило дать качественную и количественную оценку факторов, являющихся причиной возникновения дефектов получаемых профилей. Результаты проведенной работы могут быть использованы для оптимизации технологических параметров МИД, а также стать частью дальнейших исследований.

В рамках данной работы были достигнуты следующие основные результаты:

1. Разработана аналитическая модель интенсивного деформирования перфорированной заготовки. Модель характеризует напряженно-деформированное состояние металла вблизи отверстий продолговатой и овальной формы и позволяет осуществить прогноз распределения напряжений при профилировании перфорированной ленты.

2. Разработана аналитическая модель деформационного упрочнения материала при профилировании с высвобождением угловой зоны. Учитывая упрочнение металла и прогиб донной части профиля, модель позволяет устранить переформовку заготовки, а также сократить число переходов.

3. Разработана аналитическая модель зоны плавного перехода для технологии МИД с высвобождением угловой зоны. Модель может найти применение для анализа скоростного режима профилирования как многоэлементных профилей, так и профилей типовой номенклатуры.

4. Проведена верификация предложенных аналитических моделей с результатами экспериментальных исследований и данными других авторов. Показано, что согласование моделей лежит в диапазоне 10. 15%, что является хорошим показателем при решении технологических задач.

5. С помощью языка APDL, в среде программного комплекса ANS YS создана программа, реализующая базу данных, содержащая описание упру-гопластических и прочностных характеристик материала Сталь 08кп и вносящая элементы новизны в алгоритмы МКЭ. База данных может найти применение при инженерном и исследовательском моделировании с использованием данного материала. В результате использования базы данных возросла эффективность работы в программной среде ANSYS за счет отмены ручного ввода большего количества данных через графический интерфейс программы.

6. Моделирование предельных возможностей профилирования перфорированной ленты в среде ANSYS позволило получить функциональную зависимость величины пластической деформации в критических зонах от смещения формообразующего инструмента с учетом физико-механических свойств материала и геометрических характеристик отверстий различной формы.

7. Моделирование процесса формирования угловой зоны профиля методом стесненного изгиба позволило сформулировать критерии гибки с учетом упругопластических свойств материала профиля как на стадии упругого деформирования, так и в пластическом состоянии. Получен график зависимости величины обратного пружинения детали от смещения пуансона, который позволяет скорректировать угол раскрытия калибра и добиться компенсации вредного эффекта обратного пружинения. В качестве составной части этого моделирования было исследовано высвобождение угловой зоны при стесненном изгибе. Выявлены условия посадки наружного контура заготовки на формующий инструмент и показано, что торцевое сжатие дает возможность разгрузить наружный контур зоны сгиба по деформациям в 2,0 - 2,5 раза, что обеспечивает получение радиусов гиба меньше предельно допустимого.

8. Моделирование процесса осадки заготовки подковообразного сечения гладким цилиндрическим роликом в закрытом калибре предоставило возможность оценить влияние основных технологических параметров на геометрические характеристики получаемой детали. Была решена трехмерная задача с изменяющимся контактным взаимодействием между упруго-пластичной средой сложной формы и абсолютно жестким вращающимся инструментом. Показана связь между распределением остаточных напряжений и величиной обратного пружинения полок профиля, предложены пути устранения этого вредного эффекта. Дан прогноз потери устойчивости элементами профиля.

9. Моделирование подгибки полки профиля в межклетьевом пространстве, выполненное в программной среде LS-DYNA, позволило исследовать депланацию элементов профиля при использовании технологии МИД и выявить области критической концентраций напряжений. Получены графики распределения напряжений по сечению профиля от угла подгибки. Графики могут быть использованы при выборе оптимальных режимов технологического процесса исключающих появление потери устойчивости элементами профиля.

10. На этапе подготовки к реализации программы экспериментальных исследований предельных возможностей метода интенсивного деформирования была создана универсальная математическая конечно-элементная модель профилегибочного станка ГПС-300М6.

11. Разработан и написан на языке SCRIPTO программный модуль, реализующий алгоритм автоматизированной выборки данных о напряженно-деформированном состоянии модели из базы результатов с их последующей интерпретацией в графической форме. Программный модуль значительно повысил эффективность работы в среде постпроцессора ЬБ-ОУЫА и исключил ошибки, возникающие в процессе обработки результатов моделирования.

12. Получена качественная и количественная оценка протяженности зоны плавного перехода в межклетьевом пространстве профилегибочного станка. Показано, что угол подгибки продолжает увеличиваться за осевой плоскостью роликового калибра под воздействием внутренних напряжений. Подтверждена надежность аналитической модели Филимонова [150] при расчете геометрических характеристик протяженности зоны плавного перехода.

13. С помощью конечно-элементной модели были проведены измерения относительной величины отклонения дна профиля в вертикальной плоскости. Получены значения радиусов продольной кривизны детали для каждого из четырех технологических переходов.

14. Получен график зависимости величины утонения угловой зоны от суммарного угла подгибки и степени кинематического упрочнения материала.

15. Разработана и создана экспериментальная гибочная установка, с помощью которой были проверены результаты моделирования.

16. Путем сопоставления расчётных и экспериментальных данных, подтверждена высокая эффективность конечно-элементного моделирования и численного метода конечных элементов применительно к технологическим процессам формообразования тонкостенных профилей методом интенсивного деформирования.

153

Оценка научно-исследовательской работы и апробация результатов конечноэлементного моделирования

1. Результаты проведенных исследований были рассмотрены экспертной комиссией ОАО "Ульяновский НИАТ" (Ульяновский научно-исследовательский институт авиационной технологии и организации производства). Были отмечены научная новизна и практическая значимость работы. Предложенные аналитические и конечно-элементные модели были использованы при проектировании новых технологий и технологической оснастки.

2. В рамках соглашения о научно-техническом сотрудничестве с ООО «НПО «ИДМ» (Научно-Производственное Объединение «Интенсивное Деформирование Металлов»), за период 2007 - 2008 г., была проведена экспериментальная апробация представленных в работе конечно-элементных моделей. Результаты расчетов и разработанные модели были использованы при проектировании схем формообразования и технологического оснащения для производства 12 типоразмеров многоэлементных профилей.

1. Первое Независимое Рейтинговое Агентство Электронный ресурс.: отдел информации. Режим доступа: http://www.fira.ru/site/products/pro.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

2. Iron and Steel Statistics Bureau Electronic resource. Electronic data. - London, cop. 2008. - Mode acess : http://www.issb.со.uk

3. Аверкиев, Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: Учебник для вузов по специальностям «Машины и технология обработки металлов давлением» и «Обработка металлов давлением». М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

4. Беняковский, М.А.Технология прокатного производства. Кн. 1. Справочник / Беняковский М.А., Богоявленский К.Н., Виткин А.И. и др. М.: Металлургия, 1991 г., 440 с.

5. Митрофанов, С.П., Григорьев JI.JI., Клепиков Ю.М. и др. Гибкие технологические системы холодной штамповки. Под общ. ред. С.П. Митрофанова.- JL: Машиностроение, 1987. 287 с.

6. Живов, Л.И. и др. Машины и технология обработки металлов давлением. Лабораторные работы. Издательское объединение «Вища школа», 1975.- 196 с.

7. Головин, В.А., Ракошиц Г.С., Навроцкий А.Г. Технология и оборудование холодной штамповки: Учебник для машиностроительных техникумов по специальности «Ковочно-штамповочное производство» / В.А. Головин,

8. Г.С. Ракошиц, А.Г. Навроцкий. М.: Машиностроение, 1987. - 352 с. Катков, В.Ф. Оборудование и средства автоматизации и механизации за-готовительно-штамповочных цехов: Учебник для авиационных вузов. -М.: Машиностроение, 1985. - 384 с.

9. Кухтаров, В.И. Холодная штамповка. М.: Машгиз, 1962. - 402 с.

10. Вдовин, В.И. Упругопластический изгиб тонкого листа поперечной силой / С.И. Вдовин, C.B. Семин // Кузнечно-штамповочное производство. -1995.-№11.-С. 5-7.

11. Колганов, И.М. Исследование процесса формообразования профилей стесненным изгибом в инструментальной фильере / И.М. Колганов, Г.В. Проскуряков. Тольятти, 1979. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.02.79, Д 1096 - 79.

12. Чекмарев, А.П., Калужский В.Б. Гнутые профили проката. М.: Металлургия, -1974. - 264 с.

13. Липецкий Завод профилегибочного оборудования Электронный ресурс., 2008. Режим доступа: http://znpo.lipetsk.ru/m2.htm, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

14. Масленников, Ю. Производство стального рулонного листа с покрытием / Ю. Масленников, Ю. Волков // Металлоснабжение и сбыт. 1999. - № 2. -С. 36-39.

15. Ершов, В.И. Совершенствование формообразующих операций листовой штамповки / В.И. Ершов, В.И. Глазков, М.Ф. Каширин. М.: Машиностроение, 1990. - 312 с.

16. Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением под редакцией И.Я. Тарновского М.: Металлургия, 1967.-240 с.

17. Воронцов, В.К., Лашин В.В. Влияние геометрических параметров очага деформации на дефектообразование боковой грани раската // Пластическая деформация металлов и сплавов: Темат. сб. науч. тр. / МЧМ СССР (МИСиС) М.: Металлургия, 1975. № 85. С. 58-63.

18. Богоявленский, К.Н., Григорьев А.К. Основные вопросы теории и технологии изготовления профилей на профилегибочных станах: Темат. сб. тр. / ЛПИ. Л.: Машиностроение, - 1967. - № 282. - С. 127-136.

19. Тришевский, И.С., Юрченко А.Б., Марьин B.C. и др. Производство гнутых профилей. Оборудование и технология. М.: Металлургия, 1982. - 384 с.-2. Киути, М. Проблемы и оптимизация профилирования в валках. Пер. с яп. Харьков: УкрНИИмет, 1976. - 32 с.

20. Левщанов, В.В. Формовка угловых зон с высвобождением при профилировании // Вестник УлГТУ, 2005. № 2. - С. 39-42.

21. Проскуряков, Г.В. Стесненный изгиб / Г.В. Проскуряков // Авиационная промышленность. 1966. - № 2. - С. 9-13.

22. S8. Колганов, И.М. Изготовление методом интенсивного деформирования профилей из листа и их внедрение в авиастроении / И.М. Калганов, В.А. Марковцев, В.И. Филимонов и др. // Авиационная промышленность № 4.

23. Третьяков, A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением: Справочник. М.: Металлургия,1973.-223 с.

24. Ю. Полухин, П.И., Гунн Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1983. -352 с.

25. Кухтаров, В.И. Холодная штамповка. М.: Машгиз., 1962. - 402 с. ß. Ершов, В.И. Изгиб со сжатием в тангенциальном направлении листов из титановых сплавов и стали ВНС-2 // Авиационная промышленность,1974.-№8.-С. 46-48.

26. Ульяновский научно-исследовательский институт авиационной технологии Электронный ресурс., 2008. Режим доступа: http://www.ulniat.ru, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

27. Nuevas tecnologias para el perfilado en frio // Novamaguina, № 126. 1986. P. 133-137.

28. Колганов, И.М. Разработка технологии изготовления профилей стесненным изгибом из сплава АБМ 1 / И.М. Колганов, Г.В. Проскуряков, В.И. Филимонов и др. // Авиационная промышленность - 1989. - № 8. - С. 10

29. Головлев, В.Д. Расчеты процессов листовой штамповки (Устойчивость формообразования тонколистового металла). М.: Машиностроение, 1974.- 136 с.

30. Филимонов, C.B. Разработка технологии интенсивного формообразования гнутых тонкостенных профилей в роликах // Авиационная промышленность. 1989.-№ 8. - С. 10-12.

31. Илюшкин, М.В. Интенсивная технология производства гнутых профилей из материалов с покрытием / Илюшкин М.В., Филимонов В.И. Ульяновск: УлГТУ, 2006. - 200 с.

32. Марковцев, В.А. Выбор схемы правки профилей при их формообразовании методом стесненного изгиба / В.А. Марковцев, Г.В. Проскуряков // Авиационная промышленность. 1988. - № 7. - С. 31-37.

33. Проскуряков, Г.В. Исследование и разработка способа изменения кривизны профиля при стесненном изгибе / Г.В. Проскуряков, E.H. Чебурахин, В.И. Филимонов и др. // Авиационная промышленность. 1989. -№ 1.

34. Марковцев, В.А., Разработка и внедрение технологии и оборудования для изготовления прямолинейных листовых профилей для авиационных конструкций методом стесненного изгиба: дис. канд. техн. наук: 05.07.04. / В .А. Марковцев. -НИАТ, 1991. 202 с

35. Филимонов, В.И. Интенсификация процесса формообразования стесненным изгибом профилей для авиационных конструкций: дис. канд. техн. наук: 05.07.04. Самара: Самарский аэрокосмический ун-т, 1993. - 199 с.

36. Производство и применение гнутых профилей проката: справочник / под ред. И.С. Тришевского. М.: Металлургия, 1975. - 536 с.

37. Филимонов, C.B. Зависимость деформационных параметров подгибаемой полки профиля от применяемого способа предотвращения волнистости ее кромки / C.B. Филимонов, В.А. Марковцев, В.И. Филимонов // Научно-технический калейдоскоп. 2002. № 1. - С. 53-58.

38. Лапчик, М.П. Численные методы: учеб. пособие. М.: Академия. 2004. -384 с.

39. Турчак, Л.И. Основы численных методов: учеб. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 320 с.

40. Деклу, Ж. Метод конечных элементов. М.: Мир, 1976. - 96 с.

41. Комеч, А.И. Практическое решение уравнений математической физики. Учеб.-метод. пособие. Механико-математический факультет МГУ, 1993. -155 с.

42. Васидзу, К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 542 с.

43. Демидов, С.П. Теория упругости. М.: Высшая школа, 1979. - 432 с.

44. Абовский, Н.П., Андреев Н.П., Деруга А.П. Вариационные принципы теории упругости и теории оболочек. М.: Наука, 1978. - 288 с.

45. Биргер, И.А. Стержни, пластинки, оболочки. М.: Физматлит., 1992. - 392 с.

46. Демидович, В.Б. Приближенные вычисления с помощью обобщенных полиномов из чебышевских пространств. Чебышевские обобщенные полиномы. М.: Изд-во. Моск. ун-та, 1990. - 96 с.

47. Самарский, A.A. Введение в численные методы: М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 459 с.

48. Форсайт, Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. -М.: Мир, 1980. 280 с.

49. Методы вычислений. (Численный анализ. Методы решения задач математической физики) / Ляшко И.И., Макаров В.Л., Скоробогатько A.A. Киев.: Издательское обьединение «вища школа», 1977. 408 с.

50. Рычков, А.Д. Введение в численные методы, Часть 1, Численный анализ. Новосибирск, 1992. -11 с.

51. Лоусон, Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов: Пер. с англ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 232 с.

52. Сальвадори, М.Дж. Численные методы в технике: Пер. с англ. М.: издательство иностранной литературы, 1955. - 247 с.

53. Бреббия, К. и др. Методы граничных элементов: Пер. с англ. / Бреббия К., Теллис Ж., Вроубел Л. М.: Мир, 1987. - 524 с.

54. Флетчер, К. Численные методы на основе метода Галеркина: Пер. с англ. -М.: Мир, 1988.-352 с.

55. Бенерджи, П., Баттерфилд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 494 с.

56. Норри, Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1981.-304 с.

57. Еременко, С.Ю. Методы конечных элементов в механике деформируемых тел. Харьков.: Изд-во "Основа" при Харьков, гос. ун-те, 1991.

58. Шайдуров, В.В. Многосеточные методы конечных элементов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.

59. Сьярле, Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 472 с.

60. Кокорин, В.Н. Технологические расчеты в процессах холодной листовой штамповки. Учебное пособие / В.Н. Кокорин, К.К. Мертенс, Ю.А. Титов, A.A. Григорьев Ульяновск: УлГТУ, 2002. - 36 с.

61. Бреббия, К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 248 с.

62. Алейников, С.М. Метод граничных элементов в контактных задачах для упругих пространственно неоднородных оснований. М.: Изд-во «АСВ», 2000. - 754 с.

63. Э0- Краскевич, В.Е., Зеленский В.И. Гречки В.И. Численные методы в инженерных исследованиях. Вища. шк. Головное изд-во, 1986. - 263 с.

64. Стренг, Г. Теория метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Наука, 1972.-400 с.

65. Ланцош, К. Вариационные принципы механики. М.: Мир, 1965. - 472 с.

66. Гунн, Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

67. Коновалов, А.Н. Введение в вычислительные методы линейной алгебры. -Новосибирск, ВО «Наука», 1993. 159 с.

68. Зенкевич, О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. Пер. с англ. М.: Мир, 1986. - 318 с.

69. Елепов, Б.С Решение краевых задач методом Монте-Карло / Б.С. Елепов, А.А. Кронберг, Г.А. Михайлов. Новосибирск.: Наука, 1980.

70. Хемминг, Р.В. Численные методы: Пер. с англ. М.: Наука, 1972. - 400 с.

71. Демидович, Б.П. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1967.

72. Сегерлинд, Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. — М.: Мир, 1979.-392 с.

73. Крылов, О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002. - 104 с.

74. Красносельский, М.А., Лифшиц Е.А., Соболев А.В. Позитивные линейные системы: метод положительных операторов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. - 256 с.

75. Бурман, З.И. и др. Программное обеспечение матричных алгоритмов и метода конечных элементов в инженерных расчетах / З.И. Бурман, Г.А. Артюхин, Б.Я. Зархин. М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

76. Вибрации в технике. / Справочник в 6 томах // Т. 4. Вибрационные процессы и машины. Под ред. Э.Э. Лавендела. М.: Машиностроение, 1981. -510 с.

77. Мясникова, М.В., Шлесов В.А. Инженерный метод расчета упругой деформации валков при многониточной сортовой прокатке. // Уральский государственный техн. университет. Екатеринбург, 1997.

78. Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского Электронный ресурс., 2008. Режим доступа: http://www.sgu.ru, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

79. Галлагер, Р. Метод конечных эл ементов. Основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-428 с.

80. Сьярле, Ф. Математическая теория упругости: Пер. с англ. М.: Мир, 1992.-472 с.

81. Оден, Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред: -М.: Мир, 1976.-465 с.

82. Смирнов-Аляев, Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машгиз, 1978. - 368 с.

83. Полухин, В.П. Математическое моделирование и расчеты на ЭВМ листовых прокатных станов. М.: Металлургия, 1972. - 512 с.

84. Целиков, А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. Теория продольной прокатки.- М.: Металлургия, 1980. 320 с.

85. Кучеряев, Б.В. Механика сплошных сред: Теоретические основы обработки давления композитных металлов: Учебник М.: МИСИС, 2000. - 319 с.

86. Васильев, Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач: Учеб. пособие для вузов. 2-изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.-552 с.

87. Ланцош, К. Практические методы прикладного анализа: справочное руководство. Пер. с англ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1961. - 524 с.

88. ООО «АМН» Электронный ресурс. : проектирование и создание современной информационной и инженерной инфраструктуры, 2009. Режим доступа: http://sapr.ami.ua/po/mscnastran.html, свободный. - Загл. с экрана.- Яз. рус.

89. DataM Electronic resource. Electronic data. - D-83626 Valley / Oberlaindern, Germany, 2009. - Mode acess : http://www.datam.de

90. CADmaster Электронный ресурс. Журнал для профессионалов в области САПР, 2008. Режим доступа: http://www.cadmaster.ru, свободный. -Загл. с экрана. - Яз. рус.

91. Eta Innovative CAE solutions Electronic resource. Electronic data. - Engineering Technologies Associates United States (Headquarters). 2008. - Mode acess : http://www.eta.com

92. Кунцман, Ж. Численные методы: Пер. с франц. / Под ред. Костомарова. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979.

93. Хаусхолдер, А.С. Основы численного анализа: Пер. с англ. Н.П. Жидкова, М.И. Серова; Под ред. ДА. Люстерника. М.: Издательство иностранной литературы, 1956. - 320 с.

94. ANSYS. Basic Analysis Procedures Guide. Rel. 8.0. / ANSYS Inc. Houston, USA, 1994.

95. Пластическое формоизменение металлов // Гунн Г.Я., Полухин П.И., По-лухин В.П., Прудковский Б.А. М.: Металлургия, 1968. - 416 с.

96. Bhattacharyya, D. The prediction of deformation lenth in cold roll-forming / D. Bhattacharyya, P.D. Smith, L.F. Collins // Journal of Mechanical Working

97. Technology, 1984.-V. 9.-№2.-P. 181-191.

98. Левщанов, В.В. Выбор конечных элементов для моделирования процессов профилирования // XXXIX НТК, УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», Часть 1, тезисы докладов, УлГТУ, 2005.

99. Bradley, N. Input Parameters for Metal Forming Simulation using LS-DYNA ANSYS LS-DYNA User's Guide Electronic resource. Electronic data. -Livermore, 2000. - Mode acess : http://www.feainformation.com / form-ingparameters2 .pdf

100. Simon Hellborg. Finite Element Simulation of Roll Forming Master Thesis carried out at Solid Mechanics Linkoping University. 2007

101. Methodology for Selection of Material Models for Plastics Impact Simulation. Electronic resource. Electronic data. - New York. 2006. - Mode acess : http://www.testpaks.com/default.asp

102. Тыняный, А.Ф. Численное моделирование контактной задачи в рамках квазистатического упругопластического деформирования в пакете AN-SYS/LS-DYNA г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет. Нефтегазовое дело, 2004.

103. Bradley, N. Maker Xinhai Zhu. Input Parameters for Metal Forming Simulation using LS-DYNA Livermore Software Technology Corporation April, 3th European LS-DYNA Users Conference, 2000.

104. Масленников, Ф.И. Лабораторный практикум по металловедению: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. машиностроительной лит. 1955.

105. Производство проката. 2006. -№ 4 С. 30-34.

106. Левщанов, В.В. Исследование процесса формирования уголковой зоны профиля // Наука и технология. Избранные труды российской школы. Серия "Технология и машины обработки давлением". Челябинск. Уральское отделение РАН. 2006. С. 49-53.

107. Филимонов, В.И. Касательные напряжения при стесненном изгибе / В.И. Филимонов, В.А. Марковцев, C.B. Филимонов // Вестник УлГТУ. 2000. - № 4. - С. 30-35.

108. Левщанов, В.В. Сравнительный анализ процесса формообразования профиля с использованием программных сред ANSYS 8.0 и DEFORM 3D / B.B. Левщанов // Внутривузовская студенческая научно-практическая конференция: Ульяновск: УлГТУ, 2005.

109. Левщанов, В.В. Моделирование потери устойчивости донной области профиля в среде программного комплекса ANS YS / B.B. Левщанов // Программные продукты и системы. 2009. №4. С. 105-108.

110. Филимонов, В.И. О расчетных процедурах при проектировании технологи производства широкополочных профилей. C.B. Филимонов, A.C. Баранов, В.И. Филимонов // Автомобильная промышленность. 2008. - № 9. - С. 21-23.

111. Программный модуль на языке параметрического моделирования АРОЬ для создания в среде АЫ8У8 базы данных материала Сталь 08кптекст комментарий

112. KEYW,PRSET,1 KEYW,PR STRUC,1 KEYW,LSDYNA,1 выбор типа анализа в среде программного комплекса ANSYS2 /PREP7 вход в препроцессор

113. EDCURVE,ADD,1,true strain,true stress добавление кривой stress-strain в базу данных

114. MP,DENS,1,7871 MP,EX,1,2.03ell MP,NUXY,1,0.29 TB,PLAW,1,,,7, TBDAT,1,1.9e8 TBDAT,2,7.63e8 TBDAT,3,1 ввод свойств материала (табл. 3.1)

115. TBDAT,4,1 добавление кривой с индексом «1» к свойствам материала