автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Метод конструкторско-технологического формирования заданных свойств деталей типа днищ в интегрированной системе технической подготовки производства и испытаний изделий ракетно-космической техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

"МАТИ" - Российский государственный технологический университет имени К. Э. Циолковского

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз.№ -)?

БРИТКИН Игорь Вячеславович

МЕТОД КОНСТРУКТОРСКО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ДНИЩ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство

летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2001

Работа выполнена в "МАТИ" - Российском государственном технологическс университете им. К. Э. Циолковского на кафедре "Испытания летательных аппар тов".

Научный руководитель:

- доктор технических наук Альбрехт A.B.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Цырков A.B.

- доктор технических наук, профессор Чумадин A.C.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кукушкин Ю.Ф.

Ведущее предприятие:

НПО "Молния"

Защита состоится "24" 2001 года в 13 час. 00 мин. на заседаш

диссертационного Совета Д 212.110.02 "МАТИ" - Российского государственно технологического университета им. К. Э. Циолковского по адресу: 109240, г. Москва, Берниковская наб., д.14, стр2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке "МАТИ" - Российского г сударственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

Отзывы (в дсух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просим напра лять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3, Диссертационный сов Д 212.110.02 "МАТИ" - Российского государственного технологического универс тета им. К. Э. Циолковского.

Автореферат разослан " JUCt^fiiCj 2001 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.110.02 доктор технических наук, профессор

Шевченко И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время в связи с жесткими ог-тичениями средств и необходимостью их экономии приходится искать компро-ясс между затратами и получаемым качеством изделий ракетно-космической тех-1ки (РКТ).

Естественным путем в этом направлении является, с одной стороны, повыше-те эффективности технологической подготовки испытаний с целью обеспечения прерывного кoнípoля элементов, систем, летательного аппарата в целом, в ходе ждой операции по их конструированию, изготовлению, сборке, предстартовой здготовке и в процессе, предшествующем запуску, для выявления возможных при-îh отказов на наиболее раннем этапе создания изделия, в том числе, и средствами литационного моделирования.

С другой стороны, поскольку из общего числа конструкторско-произ->дственных недостатков до 35% обычно обусловлены технологическими фактора-н, связанными с нежелательной технологической наследственностью в виде оста->чных напряжений, искажений формы, структуры материала и микрогеометрией эверхности, остающейся в виде "врожденных" дефектов, необходимо предусмот-;ть определенную степень гибкости производства изделий, позволяющую без зна-1тельных материальных затрат на технологическую подготовку и увеличения ка-гталовложений расширить альтернативный выбор технологических решений.

Корректировка конструкторско-технологических решений по результатам ис-лтаний может быть организована с использованием метода комплексного проекти-шания изделия, который в американской литературе называется "проектной техно->гией точного попадания" (concurrent design paradigm) и предполагает описание эинятых структурных решений конструктивно-силовой схемы (КСС) на языке ко-;чно-элементных моделей, допускающих широкие возможности для синтеза кон-рукции с заданными свойствами или адаптивного конструирования по условиям (готовления и испытаний.

В связи с этим разработка метода конструкторско-технологического формиро-шия заданных свойств деталей в интегрированной системе технической подготов-I производства и испытаний на основе гибких автоматизированных технологий яв-[ется актуальной.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель исследований заключается в снижении за->ат на изготовление подконструкций изделий РКТ за счет обеспечения заданных шструкторско-технологических свойств деталей на основе использования интег-фованной информационной среды на этапах проектирования, изготовления и ис-лтаний элементов летательных аппаратов (ЛА).

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, выносимые на защиту.

1. Методологическая схема исследований, позволяющая выполнить интегра-по методов конструкторско-технологической отработки изделия и испытаний.

2. Метод конструкторско-технологического формирования заданных свойств ;тали типа днищ по условиям изготовления и испытаний.

3. Совокупность математических моделей, определяющих вариативный пакет хнологических и конструкторских решений.

4. Типовые информационные модули и гибкие механизмы связи между ними, >зволяющие разработать рекомендации по выбору технологических схем формо-)разования и их согласованию с конструкторскими решениями.

5. Методика физического эксперимента и результаты, подтверждающие адек-тность математических моделей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложенная в диссертационной работе концепт) альная модель функциональной структуры адаптивной системы изготовления изде лий РКТ отличается составом и анализом механизмов связи между основными по; системами: АСУП, АСНИ, САПР, производственной системой, АСУ качеством подсистемой наземной отработки, обосновавшими структуру доминирующих о£ ратных связей по условиям изготовления и испытаний.

Метод конструкторско-технологического формирования заданных свойств д< тали типа днищ по условиям изготовления и испытаний предложен впервые и отм чается:

- структурой, аргументировано обоснованной системным анализом предмет ной области (типовые информационные блоки расчета на прочность, связи по рас сматриваемой проблеме; типовые информационные блоки при составлении технс логии производства, связи по рассматриваемой проблеме; вариативный набор коь цепций конструкций и вариативный набор технологических операций);

- возможностью структурной оптимизации (или рационального выбора) гес метрии элементов конструкции на основе конечно-элементных моделей;

- возможностью математического моделирования процессов изготовления д« талей для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) по известны геометрическим и механическим параметрам заготовки и режимам ведения процес са.

Предложенные математические модели процессов штамповки отличаются дс полнительным учетом факторов трения, механических свойств штампуемых мат( риалов и учетом граничных условий, связанных с выбором конкретной технолоп ческой схемы изготовления.

Разработанные информационные модули отличаются унификацией способе представления конструкторских и технологических решений на основе обобщенно структуры данных.

Методика испытания образцов отличается возможностью ее использовани при сертификации производственных процессов изготовления деталей типа днищ з счет автоматизации процессов информационного взаимодействия математических физических методов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Представленные в работе результаты полз чены с использованием методов структурного анализа и синтеза, численных мете дов решения на ЭВМ различных классов математических задач, теории математич( ского моделирования и объектно-ориентированного подхода при математическо моделировании, технологии производства летательных аппаратов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Предлагаемый метод констру! торско-технологического формирования заданных свойств деталей типа днищ п условиям изготовления и испытаний позволяет уменьшить ошибки проектировани: погрешности недостаточной отработки отдельных узлов конструкции, минимизир} ет принципиальные ошибки при проектировании, позволяет адаптировать новь разработки к сложившимся технологическим традициям и особенностям индивиду альной стратегии предприятия.

Конечно-элементная модель и методика анализа на ЭВМ используются пр статических и динамических испытаниях для прогнозирования возможных поврея дений конструкции и оценки принятых технологических решений на этап лабораторно-стендовой отработки элементов конструкции и агрегатов издели ракетно-космической техники.

Метод использован для решения практических задач на Опытном заводе К "Салют" ГКНПЦ им. М.В. Хруничева при создании изделий 12КРБ и "Бриз-М".

В учебном процессе МАТИ им. К.Э. Циолковского используются материалы 1боты в лекциях по дисциплинам: "Программные средства автоматизации", "Авто-атизация конструкторского и технологического проектирования", а также при кур-звом и дипломном проектировании.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание диссертации отражено в 11 убликациях. Результаты работы докладывались на всероссийских, вузовских науч-э-технических конференциях и семинарах.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка ггературы (148 наименований) и приложений, изложена на 160 страницах маши-эписного текста и содержит 70 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации; сформулирова-ы цели и задачи исследования; определены научная новизна и практическая цен-эсть. Дана краткая аннотация содержания глав диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведена оценка функциональной структуры адаптив-эй системы производства изделий РКТ, которая позволила обосновать структуру эминирующих обратных связей в интегрированной системе технической подготов-1 производства и испытаний при обеспечении заданного качества деталей и узлов и стуальность разработки конструкторско-технологического метода формирования (данных свойств деталей.

Анализ выполнен на основании обработки основополагающих трудов Вязги-i В.А., Горбунова М.Н., Ершова В.И., Киселева А.И., Крысина В.Н., Недайво-j А.К., Павлова В.В., Соколова В.П., Тимиркеева Р.Г. и др. отечественных и зару-:жных ученых, а также обширного материала по организации, планированию, ав->матизации процесса разработки и создания летательных аппаратов, полученного 1тором в результате изучения опыта промышленных организаций отрасли, анализа ■хнической информации из ГОСТов, РТМ, справочников, отчетов о НИР и ОКР.

Разработана методологическая схема исследований концептуально ориенти-званной совокупности задач, организованная как многоуровневая иерархическая ¡стема, позволяющая выполнить интеграцию методов структурной оптимизации >нструкции, выбора конструктивно-силовой схемы, технологического проектиро-1ния и технологической подготовки производства на основе обобщенной структу->i данных (рис. 1).

В качестве объекта исследований выбран топливный бак третьей ступени РН 1ротон", общий вид которого и конечно-элементная модель представлены на рис.2.

С общесистемных позиций обоснована структура конструкторско-:хнологического метода формирования заданных свойств деталей типа днищ, ос-звной отличительной особенностью которой являются вариативные наборы кон-;пций конструкций детали и наборы технологических решений, типовые информа-юнные модули и гибкие механизмы связей между ними, позволяющие разработать :комендации по выбору рациональных технологических схем формообразования.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ "Анализ существующих процессов изготовления детали типа днищ" рассматриваются предпосылки создания методики конструкторско-хнологического формирования заданных свойств деталей, обеспечивающей тре-'емую легкость, прочность и надежность деталей, узлов и изделий, наряду с опти-шьными конструкторскими решениями и выбором соответствующих материалов, щиональных схем производства деталей и узлов.

Анализ номенклатуры деталей РКТ показывает, что детали типа днищ, пред-авляющие собой осесимметричные тонкостенные оболочки с криволинейной об-

Рис. 1. Структура метода в единой информационной среде интегрированной системы технической подготовки производства и испытаний

2.1 - функциональное назначение; 2.2 - принципиальная проработка (принятие структурных решений); 2.3 - об концепция конструкции (конечно-элементная модель конструкции); 2.4 - проведение на конечно-элементной мо; параметрической оптимизации; 2.5 - деталировка (при необходимости); 2.6 - рабочее проектирование; 2.7 - определи расчетных нагрузок; 2.8-выбор расчетных схем и нагрузок; 2.9- анализ НДС, устойчивости и динамического поведе 2.10 - проверка адекватности расчетных моделей, переход к реальному объекту; 3.1 - технологические проце

3.2 - технологическая оснастка; 3.3 - вариантный набор технологических операций; 3.4 - математическое моделирова 3.5 - экспериментальные исследования, теоретические расчеты на основе экспериментальных данных и подтвержд* адекватности; КПЭО - комплексная программа экспериментальной отработки; 4.1 - статические испыта 4.2 - динамические испытания; 4.3 - тепловое нагружение; 4.4 - математические модели; 4.5 - физические мод

^4.6 - технология эксперимента

а). Общий вид топливного бака

1 - верхнее днище; 2 - среднее днище; 3 - обечайка; 4 - усеченный конус нижнего днища; 5 - сфера нижнего днища

Constraint: Fix

Constraint: Fix TY, RX, RZ

Constraint: Fix TX, RY, RZ

б). Распределение силовых факторов Рис. 2. Моделирование топливного бака

разующей, присутствуют в конструкции любого летательного аппарата. Размер этих деталей колеблются от нескольких десятков до нескольких тысяч миллиметре в диаметре. Высота их лежит в диапазоне 1/4 - 1/3 диаметра, а толщина в предела нескольких миллиметров. К деталям типа днищ предъявляются в большинстве сл) чаев повышенные требования по форме их обводов и разнотолщинности. Отклош ние от теоретического контура для днищ средних размеров не должно превышат 1,5 мм, а максимальная разнотолщинность вдоль образующей днища не более 15 20%.

В производстве используется несколько способов изготовления деталей тип днищ в зависимости от размеров, программы выпуска, назначения и условий экс плуатации. Существующие процессы изготовления можно разделить по виду средь применяемой в качестве пуансона или матрицы, на классы, что и показано на рис. и в табл. 1.

Анализ процессов изготовления деталей типа днищ был направлен прежд всего на выявление вариативного набора технологических операций, обеспечивак щего возможность реализации обратных связей в разрабатываемом методе конст рукторско-технологического проектирования. Установлено, что для существующи процессов изготовления деталей типа днищ наибольшее распространение в мелке серийном производстве при изготовлении днищ средних размеров (от 1000 до 300 мм в диаметре) в силу своей универсальности, удобства осуществления, простот] применяемого оборудования и больших технологических возможностей получил процессы гидроштамповки, а именно процессы гидровытяжки и гидроформовк листовых заготовок по жесткой матрице. Основным недостатком указанных процес сов является интенсивное утонение центральной части заготовки в процессе дефор мирования, обусловленное равномерным распределением давления рабочей сред] на заготовку и свободным перемещением материала в очаге деформации, что пр! водит к получению разнотолщинных деталей и, как следствие, увеличивает ве днища (Избыточная масса днища, вызванная разнотолщинностью, может составит 20 - 30% общей массы).

С другой стороны, чрезмерное утонение центральной части заготовки умеш шает общую предельно-допустимую деформацию заготовки, что приводит к необ ходимости многооперационной штамповки с промежуточными отжигами, увеличу вая трудоемкость изготовления днищ.

В работе рассматриваются основные направления интенсификации процессо штамповки днищ жидкостным пуансоном. При этом под интенсификацией процес сов листовой штамповки подразумевается, в первую очередь, повышение предель ных возможностей их формоизменения, сокращение числа переходов штамповю экономия металла, увеличение точности геометрических параметров деталей улучшение их качества.

Способы прямой интенсификации, которые нашли наиболее широкое приме нение в промышленном производстве, по характеру воздействия на заготовку можн разделить на три группы. Способы первой группы связаны с использованием раз личных методов нагрева материала заготовки с целью повышения его пластичности Вторая группа способов предполагает дополнительное силовое воздействие на загс товку в процессе деформирования. Третья - оптимальные скоростные услови штамповки. В соответствии с этим различают температурную, силовую и скорост ную интенсификации традиционных процессов листовой штамповки. 8

Процессы, у которых функции носителя формы и передачи деформирующего усилия на заготовку выполняют жесткие пуансон и матрица

Процессы, у которых носителем формы является пуансон, а деформирующее усилие передается со стороны матрицы

Процессы, при осуществлении которых носителем формы детали является матрица, а в качестве деформирующего элемента применяется жидкость, газ или эластичная среда

Процессы, у которых функции носителя формы и передачи усилия на заготовку выполняет эластичная среда, жидкость или газ

Рис. 3. Вариативный набор технологий изготовления

Таблица 1. Фрагменты набора

Вид обработки

Схема процесса

Преимущества

Недостатки

Ограничения

Процесс формовки жидкостным, газовым или эластичным пуансоном по жесткой матрице

1 - матрица; 2 - полость действия рабочего давления; 3 - деталь

Процесс обеспечивает получение днищ разнообразных типоразмеров. Возможно проведение процесса с одновременным нагревом заготовки (главным образом при использовании газового пуансона). Процесс прост в осуществлении и по сравнению с другими способами получения днищ требует минимальных затрат на подготовку производства

Недостаток процесса - интенсивное утонение материала заготовки в центральной зоне, что приводит к получению разно-толщинных деталей

Ограничивающий фактор процесса -разрушение заготовки в зоне наибольшего утонения (в полюсной части)

Импульсные процессы штамповки

Процессы обеспечивают изготовление крупногабаритных и толстостенных днищ (при штамповке взрывом)

1 - импульсный источник энергии;

2 - передающая среда; 3 - матрица; 4-деталь

Основным недостатком импульсных процессов штамповки является их повышенная опасность для обслуживающего персонала и необходимость специальных средств защиты. Требуется также специальное оборудование и оснащение_

Гидровытяжка (гидроформовка) с использованием жидкостных пуансона и матрицы (формовка с противодавлением)

Процесс обеспечивает большие степени формоизменения заготовки за счет сжимающих напряжений

ч4

1 - полость рабочего давления; 2 -полость противодавления; 3 — деталь

Данный вид обработки не нашел широкого применения в производстве днищ, главным образом из-за необходимости создания сверхвысоких давлений (равных примерно напряжению текучести материала) для изменения качественной характеристики процесса штамповки

В ряде случаев требуемый эффект может быть достигнут сочетанием различ ных способов прямой интенсификации в одном процессе. В этом случае говорят < температурно-силовой интенсификации, темперагурно-скоростной интенсификаци] и т.п.

Косвенные способы интенсификации процессов листовой штамповки обычн* заключаются в специальной подготовке заготовок. Эта подготовка может включат структурные изменения исходного полуфабриката, изменения механически: свойств материала и оптимизацию формы заготовки.

Прямые и косвенные методы интенсификации процессов листовой пгтамповю приводят к изменению схемы НДС заготовки по сравнению с традиционной схемо! деформирования, изменяют пластические и прочностные свойства материала, пре дельные возможности штамповки и т.д. В расчетах технологических параметров эт! изменения необходимо учитывать.

Одним из распространенных способов уменьшения разнотолщинности днии является процесс реверсивной вытяжки, который осуществляется в два перехода: н; первом происходит формообразование глубокого кольцевого рифта по периметр; штампуемой детали; на втором - выворачивание полученного полуфабриката и ка либровка сферы.

Другим способом снижения разнотолщинности днищ является способ гидро штамповки с противодавлением и блокированием центральной части заготовки.

Создание более равномерного утонения материала вдоль образующей детал1 возможно при комбинированном процессе штамповки, когда заготовку первона чально вытягивают с помощью жесткого пуансона, а затем деформируют централь ную зону давлением жидкости.

Эффективным способом уменьшения разнотолщинности днищ является соз дание переменного (дифференцированного) давления рабочей среды на заготовку I процессе формоизменения.

Таким образом, существующие процессы производства деталей типа днищ I заготовительно-штамповочных цехах предприятий характеризуется многообразиен как по методам изготовления, так и по способам интенсификации.

Анализ номенклатуры деталей типа днищ в конструкциях изделий РКТ свиде тельствует об актуальности работ по выбору оптимального варианта изготовленю детали.

Во второй главе выполнена классификация технологических операций про цесса производства деталей типа днище, обосновавшая необходимость разработки \ внедрения в заготовительно-штамповочных цехах предприятий РКТ операций формовки с дополнительным силовым нагружением: формовка эластичными средами гидроформовка дифференцированным давлением жидкости, гидроформовка с эластичными накладками и т.п. Построен вариативный набор технологических опера ций по изготовлению деталей типа днищ.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ "Теоретические исследования процесса формовки деталей типа днищ в условиях интенсификации процесса" рассматриваются вопросы математического моделирования процесса осесимметричной формовки деталей типг днищ. Полученные во второй главе работы качественные характеристики вариативного набора технологических операций необходимо обосновать наборами количественных характеристик, обеспечивающими передачу информации в механизме обратных связей разрабатываемого метода проектирования деталей типа днищ. 10

Рассмотрен случай деформирования осесимметричных заготовок из ортотроп-ого материала, при условии, что анизотропия свойств исходной заготовки не на-ушает осесимметричного протекания процесса деформации. Ортотропная заготов-а в общем случае может иметь переменные радиус, толщину стенки и механиче-кие свойства по длине образующей (рис. 4).

Решение осуществлено при следующих общепринятых допущениях

- материал заготовки однороден, непрерывен и изотропен;

- схемы напряженного состояния сводятся к осесимметричной или плоской;

- для тонкостенных заготовок анализ проводится по безмоментной теории болочек;

- касательные напряжения от действия сил контактного трения относятся к рединной поверхности тонкостенной заготовки;

- зависимость напряжения текучести от деформации соответствует гипотезе гдиной кривой" упрочнения материала при конкретных температурно-скоростных словиях деформирования независимо от вида напряженного состояния.

Рис. 4. Последовательность деформирования ортотропной заготовки при фор-овке и принятые обозначения:

а) - заготовка; б) - деталь через промежуток времени А г,

Получена следующая система исходных уравнений. 1. Уравнения равновесия элемента детали:

Для тонкостенных осесимметричных оболочек в двух направлениях: - в направлении касательной к поверхности рассматриваемого элемента обо-

зчки

¿а, йр

1 +

р®

Бс1р

-о, -

ГР

£

Бша I 5

эта

:0;

О)

в направлении нормали к поверхности рассматриваемого элемента оболочки

£ К к® 5

(2)

В формулах (1) и (2) ^ и д У - соответственно внутреннее деформирующее давшие жидкости и противодавление,/и/ - соответствующие коэффициенты трения внутренней и внешней стороны заготовки. Отметим, что о? = - д.

2. Условие пластичности для ортогропного материала запишем в виде

CTl о 2

! М2 Al

Здесь

ЛГ = -

3. Уравнение связи напряжений и деформаций (для монотонной деформаци] за период времени Дг):

а2

Аб\ - Ас,

/

1- — V Мп

/«12

(4)

где А¿2, А£з - приращения деформаций (окружной и по толщине стенки) за перио, времени А г.

4. Условие постоянства объема представим в виде

А.Г, + А е2 + А^з = 0, (5)

где Дг-) - приращение меридиональной деформации за период времени Ат.

5. Уравнение состояния материала при деформационном упрочнении имее

вид

<7, = £4

(6)

где К, п - константы материала; - суммарная интенсивность деформации за пери од времени т( г - текущее время формоизменения оболочки),

= ^о + А£, > (7)

т-1

¡=1

(9)

V Mil

Здесь ¿>j - накопленная интенсивность деформации за период времен] (г - А г); - приращение интенсивности деформации за период времени Ar, ¿ó условная деформация; т - порядковый номер этапа расчета;

В уравнениях (4) и (5)

7 =-

йе2 = In

Af3 = In

/ s

.а; vAv

(ю: (И

Геометрические параметры одного и того аны друг с другом соотношением (см. рис. 4)

dpc _ Sp sin ar dp Scpcúna>

dp dp dpc'

це Sc, pc - текущие значения толщины стенки и радиуса заготовки; ас - угол между асательной к элементу заготовки и ее осью симметрии; dSJd рс - определяется гометрией заготовки.

В уравнениях (1) и (2)

R$=p/cosa. (14)

Система разработанных математических моделей показана на рис. 5. аким образом к числу информационных элементов, обеспечивающих механизмы саналы) обратных связей можно отнести: характеристики материала un,filu^l,CTT,crB,as,E) и геометрию изделия (V,F,S,h,l,p,a), которые в сово-упности являются граничными условиями в решении задач технологического про-ктирования. А факторами, обеспечивающими интенсификацию процессов изготов-гния являются: температурные характеристики процессов {t,y); силовые характе-истики (q,P,f); скоростные характеристики (т,т) и геометрия заготовки

Выполненные расчеты НДС изотропных заготовок, включающие исследова-ия процессов: формовки листовых изотропных и трансверсально-изотропных готовок, вытяжки заготовок и формовки в режиме сверхпластичности, показали, го разработанные модели позволяют учитывать нагрев и скоростное упрочнение атериала и, что, изменяя режимы ведения процесса, можно управлять толщиной генки получаемой детали. Также было установлено, что допущения о постоянстве тчения показателя скоростного упрочнения т может приводить к существенным эгрешностям расчета технологических параметров процесса штамповки. Для вдроформовки результаты расчета приведены на рис. 6.

Рассмотрен процесс проектирования технологии формовки, представленный в 1де иерархической схемы, включающей следующие уровни: выбор вида процесса; (счет параметров процесса; формирование технологической документации. Решете задач каждого из уровней осуществляется с применением аппарата структурно-фаметрического моделирования.

Модель выбора вида процесса формовки включает 12 схем видов процесса, сличающихся функциональными и технико-экономическими характеристиками, ыбор вида процесса реализован табличной конъюнктивной моделью.

Моделирование физико-механических характеристик в процессах формовки ¡ализуется специализированными программными комплексами (ПК). Реализация К моделирования процесса гидроформовки подробно рассмотрена в работе. На ic.7 приведены элементы интерфейса ПК. Интеграция специализированных ПК в 1формационнук> среду технологической подготовки производства (рис. 8) реализу-ся средствами аппарата внешних процедур структурно-параметрических моделей.

же элемента заготовки и детали свя-

(12)

¿í dp

pcr]nYG pa,В (a, ^ ~ ра\п dsx

---<т,+<г, н----СГ,----1

ХРе^Ае, 1 2 Р ') ХРе„ dp

Ф ^РГ'ч'

S sin a Ssma

о)

Р С ( a, ^ pa]ï ( ás, Ае, ^

7. —--р<т. I — — ст. 1+ —- —-+—1----

S Dr\p¡2 ') XDs^e, SM¡2 S]

Расчет НДС заготовки в условиях деформационного упрочнения

4 pa)nG pr¡~¡ Н ,

—J—J---а.+а,**—(2а,-о-Л-

dS ЮелАе, ' ' О "

_2pgfn</g,0 t pfq + /f'q' Ds,t dp Ss'ma Ssitia

(2)

4<r'np (2Ag3 + Аг2 ^ Г 3 ' S J

I

Если расчет ведется по методу конечного формоизменения (для монотонного процесса деформирования при т-п = const) выражения (2) и (3) приводятся к одному виду

dS 3 Ре\ Д

«Г?

Ssinc Ssing Wei

(4)

При штамповке с зональным нагревом материала заготовки из ортотропного материала

ЛЖ^Аг, ' ' О ^ - Р С- ■

■ füi 1

-m + ' J

'S~ Dr

pajn de,„ _ pa) di [ rfq ^ pf'g' XDs,t dp XD dp 5 sill g S sin a pajnY j Ae3 Ae2 ¿>£z ) + XDC,tAelsp„* S )

(6)

X

Расчет НДС заготовки в скоростного деформирования

условия?

dS dp"

paJmïG ра.В

D U» ;

pa, ' XD

P С (a2 )

mf^-V

I dp

pfq л еГ'д'

.Ssina

(3)

pa]mY ( Ae, Ae¡ XDAe] ÍS//U Sfis

i Afí! и 5 J

Для изотропных заготовок, штампуемых в условиях деформационного упрочнения при - ~ ~ 0.5

<13 _ ЗРАе? ' П "

¿р~

349

О", J- +

PÍ4 , йГУ dp S sin a S sin a 4<j)mp ( 2Ag3 +• Д£2 ^

+ 3£>AÍ(2 l 5

(5)

При штамповке с зональным нагревом материала заготовки из изотропного материала

ÊL dp"

Apa]nG ' 3 DÁ

рахВ

(2<Tj-ír,)+

tpa) di

íf4 , ДГ^'

5 sin a S sin с

4 a)np ( 2e, + c2 + 3Del

Рис. 5. Система математических моделей

V

/Яс 1,0

0,8

0,6

0,4

0.2 0,4 0,6 0.8

Рис. 6. Распределение толщины стенки детали 5 по текущему радиусу р

1 - соответствует расчету без утяжки фланца в очаг деформации;

2 - расчет с 15% утяжкой фланца в очаг деформации;

3- расчет с учетом трения от эластичного пуансона (/"= 0,2)

4 6 в 101214 !6 18 20 22 24 16 28 30 32 ! С 10 24 30 40 50 60

и. игл ; Р, мм

Рис. 7. Графические элементы ПК моделирования процессов формовки

а) - панель коррекции исходных данных; б) - панель отображения результатов расчета; в) - окно диаграммы изменения характеристик напряженно-деформированного состояния; г) панель отображения операционного эскиза

( [АД Идагчо 8КВ2-С000-0~

—{¡лЦГСдосгае есВ1ШМ)

-(М Пдояств 8с811-(ШкГ)

—(ЦЗ! Пздисгема 8аВ1г<ш»)

а). Информационная модель изделия

■-([/>31] Пр£суы и системы блоо"0')

-(1«11]аа1маст-0С11>кааВлаа,О')

[¡А3111) есб№02б1-0 nepexcan.fi отсек ) [|А3112| 8с8И»В0М Епхстэа-СГ)

-([АЗП211 ШМХЮ-т Уатюапар&'.астгеЧГ )

■-[ЩИХ! М10Ш10-1Ш Штждтшхтиас/ )

(АЗШ2Ц бшаз-юав аввзит.

-(¡м

-((АЛ1231] 9с810С2П-0 Средняячгстьотша"О')

-([«пгзг) 8с81ОС22Т-0 дшешжива ]

123] 8са«К1г1м игргусотаа'С)

■-([Азигзг1)швноуг)

-([«ЭТ12323 Уелсйцвс»)

-((*зи23221|0аи«а№1)

"Н

[[А311232211] Лепастокобцмеки N31 )

^3312322121 Цшиейп)

■-([,А31123222]ОСци*а№е)

■-([А331] вовтсммо^-о С1ъгеека бпсжа "Г1")

■-(|АЭД БсВ10-5ММ )

-(|Аззз| еоВ11«11ХК1 СидэяТ^

■-(¡¡¡334] ВсВЮвШО Сшаянэддт )

■-({Л3351 8С91033700 Сгоема дренажа ")

--{[АИ61 8са1б-7Х4-ПШткысжобср^&ккаТ )

б). Задачи технологического проектирования

Заготовительно-штамповочные работы

в). Технологическая модель изделия ^ А31123220 [-гг-ТМ

(Геометрия заготовки (технологические отклонения формы)

АЗ 11232201-МО

Механическая обработка

А311232201-г5Ьр ) г). Модель

-_ порождающбй

среды

к д). Модель технологического процесса

А311232201-г3-тр )

Рис. 8. Схема информационного взаимодействия в системе ТПП

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ "Экспериментальная отработка метода" рассматри-аются вопросы комплексной отработки метода формирования заданных свойств еталей типа днищ, охватывающего этапы конструирования, технологической под-ловки производства и испытаний изделия. Метод обеспечивает сочетание матема-яческого и физического экспериментов, подтверждающих обоснованность приня-51Х допущений и полученных теоретических зависимостей формируемых конструк-эрско-технологических решений.

Проведенные экспериментальные исследования включают: исследование ме-анических и технологических свойств исходных материалов и полуфабрикатов; ис-тедование деформированного состояния деталей, получаемых вытяжкой, формов-эй жидкостными и эластичными средами. Были использованы листовые полуфаб-якаты, выполненные из стали, меди и алюминиевых сплавов различной толщины.

По результатам проведенных исследований механических свойств исходных атериалов и полуфабрикатов были получены зависимости напряжение текучести а, интенсивность деформации а для некоторых из рассмотренных материалов были лределены показатели анизотропии /и12, Цги /'ь

Исследования деформированного состояния деталей, выполненные для дета-зй, получаемых наиболее распространенными в аэрокосмической отрасли технологии: вытяжкой, формовкой жидкостными и эластичными средами, показали что сспериментально полученное распределение толщины стенки по радиусу полусфе-тческой детали хорошо согласуется с теоретическими расчетами.

Завершающим звеном комплексной отработки метода формирования задан-да свойств деталей типа днищ явилась отработка методики моделирования меха-меских испытаний. Методика определяет взаимодействие между 5 основными ■апами процесса моделирования испытаний: формированием расчетной схемы эоцесса испытаний; подготовкой исходной информации для моделирующего ком-гекса; расчетом НДС изделия в процессе испытаний; интерпретацией и анализом :зультатов расчета и формированием пакета данных для отработки "обратных свя-й" метода.

Составным элементом общей методики испытаний является методика испы-ний механических характеристик материала, которая, с одной стороны, ориенти-жана на получение характеристик материалов, используемых в качестве гранич-»IX условий при моделировании процессов изготовления деталей, а с другой, обес-:чивает повышение адекватности метода в целом, повышая достоверность резуль-тов моделирования процесса испытаний изделия.

Результаты моделирования процесса статических испытаний вариативного [бора конструктивных решений приведены на рис. 9. При моделировании учиты-лись модификации форм заготовок и экспериментально полученные механические рактеристики материала. Результаты получены с использованием ПК "Каэтп" ерсия 2.0). Обмен информацией для реализации "обратных связей" метода осуще-вляется посредством модели "Геометрия заготовки" (рис. 7, в), учитывающей тех-шогические отклонения формы и характеристики материала в процессе формиро-ния заданных конструкторско-технологических свойств изделия.

По результатам анализа моделирования НДС сформирован пакет данных для ализации предложенного вариативного набора (рис. 9), позволяющий проекти-вщику выбрать направления модификации конструкции и технологии изготовле-[Я детали.

Набор концепций конструкций

Результаты моделирования НДС

а). Изделие с постоянной толщиной

б). Изделие с кольцевыми утонениями

в). Изделие с меридиональными утонениями

г). Изделие с меридиональными утолщениями

д). Изделие с переменной толщиной Рис. 9. Моделирование процесса испытаний

выводы

В диссертации получены следующие основные результаты.

1. С системных позиций разработана методологическая схема исследований редметной области, организованная как многоуровневая иерархическая схема, поюлившая выполнить интеграцию методов обликового проектирования, выбора энструктивно-силовой схемы, технологического проектирования и технологиче-<ой подготовки испытаний на основе универсализации математических и инфор-ационных моделей и процедур их обработки и наметить возможные пути умень-[ения количества ошибок проектирования, обусловленных недостаточной конст-/кторско-технологической отработкой отдельных деталей и узлов изделий PKT.

2. Предложен метод конструкторско-технологического формирования задан-ых свойств деталей с учетом производства и испытаний на основе вариативного абора технологических решений, обеспечивающего возможность прогнозирования рочностных характеристик конструкции по известным геометрическим и механи-гским параметрам заготовок и режимам ведения технологического процесса (как а этапе конструкторско-технологического проектирования, так и при испытаниях).

3. Выполнена классификация технологических операций процесса производ-гва деталей типа днище, обосновавшая необходимость разработки и внедрения в 1готовительно-штамповочных цехах предприятий РКТ операций формовки с до-элнительным силовым нагружением: формовка эластичными средами, гидрофор-овка дифференцированным давлением жидкости, гидроформовка с эластичными акладками и т.п. Построен вариативный набор технологических операций по изго->влению деталей типа днищ.

4. Разработанные методы математического моделирования позволили полу-ать достаточно универсальные модели процессов формовки и формовки-вытяжки гстовых заготовок, которые учитывают большое число технологических факторов, 1ких как деформационное упрочнение материала заготовки, разупрочнение от на-)ева, скоростное упрочнение, силы контактного трения, утяжку фланца в очаг де-ормирования и др.

5. На основе теоретических исследований разработаны:

- методическая схема построения технологических баз знаний по расчету провесов формовки, организованная как иерархическая система, включающая уровни: >i6op вида процесса, расчет параметров процесса, формирование технологической зкументации,

- структурно-параметрическая модель выбора процесса, включающая 12 вари-пов схем процессов, различающихся функциональными и технико-юномическими показателями,

- структурная схема программного комплекса для моделирования процессов ормовки,

что позволило реализовать программный комплекс моделирования процесса гид-формовки.

6. Использование структурно-параметрического моделирования обеспечило >зможность организация интерфейса между моделями и программными модулями, ¡шающими локальные задачи, что позволило построить единую среду информаци-шого сопровождения изделия на стадиях жизненного цикла, охватываемых разра->танным методом конструкторско-технологического проектирования.

7. Основные положения метода внедрены в методологию подготовки пр грамм виброиспытаний изделий РКТ, разрабатываемых в КБ "Салют".

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих пу ликациях:

1. Бриткин И.В., Скрипниченко А.И. Простановка размеров на чертежах с уч том технологии их изготовления. XIX Гагаринские чтения. Тезисы докладов нау ной конференции, ч. 2.-М.:МАТИ, 1993,-с. 3-4.

2. Бриткин И.В., Полиновский В.П. Экспериментально - расчетное исследов ние жесткостных и прочностных характеристик сотового заполнителя. Новые мат риалы и технологии. Тезисы докладов российской научно-технической конфере ции.-М.: МАТИ, 1995,-с. 50.

3. Кобелев В.Н., Полиновский В.П., Бриткин И.В. Автоматизация измерен! жесткостных и прочностных характеристик сотового заполнителя. XXII Гагари ские чтения. Тезисы докладов научной конференции. - М.: МАТИ, 1996, - с. 61 - 6

4. Кобелев В.Н., Полиновский В.П., Бриткин И.В. Исследование физию механических характеристик трехслойных конструкций с использованием автомат зированного стенда. Физико-химические и механические процессы в композицио ных материалах и конструкциях. Тезисы докладов научно-технической конфере. ции. - М.: ВИМИ, 1996,-с. 18-20.

5. Бриткин И.В. Роль физического и математического моделирования в ко: цепции проектирования летательных аппаратов. Доклад на международной научнс конференции "Системные проблемы надежности математического моделирования информационных технологий." - Сочи, 1997.-5 с.

6. Кобелев В.Н., Бриткин И.В. Исследование влияния дефектов в образцах с тового заполнителя на результаты испытаний на прочность. XXIII Гагаринские чт ния. Тезисы докладов всероссийской молодежной конференции., ч. 7. - М.: MAT1 1997,-с. 22-23.

7. Костылева Н.Е., ЮдинГ.В., Бриткин И.В. и др. Правила матричной алге' ры.: Учебн. пособ. - М.: МАТИ, 1997. - 98 с.

8. Альбрехт A.B., Бриткин И.В. Моделирование процессов формовки и ве тяжки листовых заготовок. Информационные технологии в проектировании и пр< изводстве, №>4-М.: ВИМИ, 1999,-с. 69-71.

9. Альбрехт A.B., Бриткин И.В. Программная реализация модели процесса и готовления деталей из листовых заготовок. XXVI Гага;м некие чтения. Тезисы докл дов международной молодежной научной конференции. - М.: МАТИ, 1999, - с. 514.

10. Недайвода А.К., Бриткин И.В. Разработка элементов системы моделиров ния статических испытаний ракетно-космической техники. XXV Гагаринские чт ния. Тезисы докладов международной молодежной научной конференции. - М МАТИ, 1999,-с. 514.

11. Альбрехт A.B., Бриткин И.В. Формирование конструкторск« технологических свойств деталей типа днищ в системе технической подготовь производства. Новые материалы и технологии. Тезисы докладов российской нау

ской конференции. - М.: Изд-во "Латмэс", 2000, - с. 135.

Ротапринт "МАТИ"-РГТУ им. К.Э. Циолковского, Берниковская наб., 14

Подписано в печать 12.03.2001 г. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.