автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Моделирование процесса магнитно-импульсной сборки осесимметричных металло-композитных конструкций летательных аппаратов

Министерство образования Российской Федсрадии «МЛТИ» - Российский государственный технологический университет _им. К.Э.Циолковского_

На правах рукописи

Хорошко Леонид Леонилович

Моделирование процесса магнитно-импульсной сборки осесимметричных металло-композитных конструкций летательных

аппаратов

Специальность 05.07.03 Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва<-2004 I

Работа выполнена на кафедре «Механика материалов и конструкций» «МАТИ»- Российском государственном технологическом университете им. Ю. Циолковского.

Научный руководитель кл.н.. доц. Астапов В К). Научный консультант: д.т.н . проф. Зайцев Г.П.

Официальные оппоненты:

-д.т.н. проф Ершов В.И. - к.х.н. Давыдов 10. В. Ведущая организация - «АООТ ОКБ Сухого»

Защита состоится 10 марта 2004 г.

на заседании диссертационного,совета Д 212.110.07

в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э.Циолковского по адресу: 119111, г.Москва, ул. Оршанская, д.З (аудитория 13)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» - Российском юсударственном технологическом университете им. К.Э.Циолковского

Отзыв на автореферат в 2-х экземлярах. заверенный печатью организации просьба присылать по адресу: 119111, г.Москва, ул. Оршанская, д.З, диссертационный совет Д 212.110.07

Автореферат диссертации разослан «10 » февраля -2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д"212.110.07 дон . к.т и

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В условиях постоянного совершенствования и частою обновления конструкций летательных аппаратов, узлов и устройств, используемых в авиационной, космической и ракетной отраслях произволе та. особо важное значение приобретает разработка, развише и быстрое внедрение в промышленность новых эффективных технологических процессов, превосходящих но своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения. К ним относятся высокоскоростные способы деформирования и методы дополнительного энергетического воздействия. Одним из наиболее перспективных является воздействие импульсным магнитным полем (ИМИ).

В конструкциях летательных аппаратов и двигателей большое распространение имеют неразъемные герметичные соединения, имеющие форму цилиндрических оболочек с переменным по длине сечением. Такие детали иногда имеют очень сложную форму и требуют значительное время и средства на их изготовление. Особенно это относится к соединениям из разнородных или несвариваемых обычными методами материалов. Метод магнитно-импульсной обработки позволяет производить процессы формообразования деталей, изюювленных из различных материалов, в юм числе по соединению мешллическич с неметаллическими.

Проведенный анализ показывает, что процесс магнитно-импульсного деформирования сопровождается рядом особенностей, которые не позволяют использовать в расчетах динамические характеристики, полученные при других видах динамическою нагружения. Применяемые в настоящее время меюды определения давления и измерения деформаций отличаются большим

разнообразием, как чстодикиг ^¿и^'дЩ «напряжение-деформация»

1ЧССКИХ м

м

.IX С ЮС ООО в

как

положительные стороны, так и существенные недостатки. В частности, при теоретических и экспериметальных исследованиях не используются современные средства компьютерного моделирования технологических процессов. Динамический характер процесса машишо-импульсного деформирования усложняет контроль процесса его проведения. Во всех случаях требуется сложная аппаратура для регистрации перемещений образующей заготовки, дальнейшая обработка результатов регистрации, большое количество заготовок, эксплуатация оборудования и инструмента. Поэтому использование современных программных средств трехмерного моделирования при высокоскоростном нагружении является важной и актуальной задачей.

Целью работы являются исследования и разрабожа модели процесса магнитно-импульсной сборки осесимметричных меюлло-комиозишых конструкций летательных аппаратов.

Решаемые задачи:

- разработка методики расчета процесса перемещения стенки оболочечной конструкции под воздействием давления имтльснот магнитного поля;

- определение энергосиловых и кинематических параметров процесса магнитно-импульсной сборки;

- оптимизация режимов технологического процесса магнитно-импульсного формообразования.

Научная новизна.

1. На основе численною решения уравнений движения разработана модель процесса сборки осесимметричного металло-композитпого соединения.

2. Разработан метод аналитическою определения энергосиловых параметров процесса магнитно-импульсной сборки осесимметрнчныч

конструкций, позволяющий получить аналитические зависимости для величин, характеризующих процесс деформирования.

Практическая значимость.

1. Разработнная модель процесса дает возможность проследить процесс образования осесимметричного соединения, что позволяет не использовать большое количество образцов, обойтись без эксплуатации магнитно-импульсной установки и инструмента, сложной аппаратуры и таким образом повысить экономическую эффективность технологическою процесса сборки таких соединений.

2. Разработаны конструкции универсальных индукторов с возможностью регулирования диаметра рабочего отверстия, что позволяет производить процесс деформирования для загатовок разного типоразмера.

3. Определены оптимальные режимы технологического процесса магнитно-импульсного формообразования, что позволяет экономить электроэнергию и, таким образом, увеличивать ресурс оборудования и инсгрумеша.

Апробация работы.

Основные положения работы были доложены и обсуждены:

- на конференциях "Прогрессивные конструкционные материалы и технологические процессы в авиастроении" (г. Москва, МАТИ);

- на конференциях "Геометрические аспекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и разрушения элементов ЛА" (г. Москва, МЛ 1 И):

- на конференции "Прикладные вопросы компьютерной графики в авиастроении" (г. Москва. «МАТИ» - РГТУ):

- на международной НТК МАГИ XXIX "Гагаринские чтения" (1. Москва, «МАТИ» - РГТУ).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 статьях..

По результатам работы получепы два авторских свидетельства на изобретения: индуктор для магнитно-импульсного обжима и индуктор для магнитно-импульсной обработки.

Стрктура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, тpex глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит 142 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены типовые детали и соединения, имеющие форму цилиндрических оболочек с линейной и криволинейной образующей. Такие детали иногда имеют очень сложную форму и требуют значительное время и средства на их изготовление. В настоящее время с целью получения трубчатых неразъемных герметичных соединений и конструкций используется множество методов: от традиционной механической обработки металлов до новейших высокоэнергетических методов. Однако, согласно проведенным исследованиям, не все способы изготовления таких конструкций позволяют полугать качественные соединения. Наиболее прогрессивными методами изюювления таких деталей являются высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов, особенно по соединению металлических деталей с неметаллическими. Одним из них является метод обработки металлов импульсным магнитным полем. Большой вклад в ею исследование внесли Эпштейн Г.Н., Кайбышев О.Л., Орленко Л.П.. Буравлев АГ., Кессельман М.А., Брон О.Б.. Епечурин В.П., Хардин В.В., Лысенко Д.Н. Новинский Б.М.. Комаров А.Д., Беклемишев Н.П., Аверьянов А.Г.. Шапиро Г.С.. Ионов В.Н.. Огибалов П.М., Лопатин А.И., Брон О.Б., Иванов Е.Г.. Баландин Ю.А., Шалунов Е.П., Попов Ю.А., Горбунов Н.М., Aстанов В.Ю. и др.

С целью выбора оптимальной расчетной конструкции и схемы деформирования его элементов рассмотрен меюд магнитно-импульсной обработкии металлов (МИОМ). Дана принципиальная схема электромагнитной штамповки, рассмотрены основные технологические операции, выполняемые методом МИОМ над осесимметричными заговками. Определены основные требования к обрабатываемым материалам, рассмотрено оборудование, инструмент и оснастка для магнитно-импульсной обработки.

Согласна проведенным исследованиям, соединения, получаемые МИОМ, можно разделить на два основных типа: соединения деталей, имеюших криволинейные поверхности (канавки) и соединения по поверхностям с линейной образующей. Дли моделирования процесса магнитно-импульсной сборки была выбрана. схема соединения посредством операции "обжим" наружной трубы по внутренней. Таким образом можно соединять детали из разнородных материалов, именно такая схема позволяет получить наиболее качественные соединения.

Во второй главе рассмотрены динамические характеристики материалов в условиях магнитно-импульсного нагружения. Наиболее полную информацию о механических и пластических характеристиках материала дает диаграмма «напряжение-деформация» или а -е., Исследования показывают, что при динамическом деформировании свойства материалов в процессе нагружения и свойства, полученные после деформации, отличаются от их свойств, полученных при статических испытаниях. Экспериментальные динамические кривые проходят выше статистических кривых зависимостей Воздействие на материал сильных импульсных магнитных полей оказывает существенное влияние на характеристики материала, а сам процесс сопровождается рядом особенностей. На основе анализа состояния вопроса по определению динамических характеристик материалов в условиях- магнитно-импульсного нагружения были выбраны уравнения для расчета аналитического выражения давления и построения динамических диаграмм зависимости "напряжение - деформация".

В работах предлагаются различные аппроксимации диаграмм а1 -е, при импульсном тгружении. Наиболее точной с нашей точки зрения является предложенная С.Г. Ивановым аппроксимация в виде:

<т, - А • агс^(В ■ )= А В;:

где А и В - коэффициенты, зависящие от свойств материала и скорости деформации.

Из предыдущего равенства и закона Гука а = Б/Б можно получить:

Заменяя интенсивность напряжений сг, и интенсивность деформаций г., на значение предела прочности и соответствующее ему деформацию

Данное уравнение легко решается графически. Для пластичных материалов с

Достоинством этой аппроксимации является простота определения коэффициентов А и В по характеристикам материалов и точность описания реальной диаграммы деформирования. Для их определения необходимо знать лишь две характеристики материала: модуль упругости первого рода Е и предел прочности причем первая из них, как правило, остается равной

статическому значению. Сравнение большого числа экспериментальных диаграмм с данной аппроксимацией показало достаточную для практики ее точность. Для большинства материалов не обладающих площадкой текучести погрешимость составляет не более 10% в упругой и пластической области.

На процесс деформирования заготовки и на величину ее конечных деформаций существенно влияет как форма импульса давления, так и его распределение в пространстве. Наибольшей точностью отличается следующая

А-В = Е и

получим:

где Е - модуль продольной упругости;

2-<тй

- скорость деформации для большинства материалов,

к

обрабатываемых давлением. -

формула для определения давления импульсного магнитного поля, учитывающая влияние указанных факторов на процесс деформации заготовки:

где - условное давление;

и— перемещение заготовки: Д - зазор между индуктором и заготовкой; со - круговая частота колебаний разрядного тока; ¡3 - коэффициент затухания.

Анализ позволяет сделать вывод, что для повышения точности теоретических расчетов давление импульсного, магнитного поля. следует выражать с учетом перемещения заготовки при ее деформировании, т.к. неучет перемещения заготовки при ее деформации завышает величину давления поля, а погрешность теоретического определения давления составляет 5-10 %.

На основании проведенного исследования методов сборки была выбрана расчетная конструкция соединения и схема деформирования его элементов. В работе рассмотрен процесс сборки 2-х осесимметричных заготовок в единую конструкцию методом магнитно-импульсной обработки металлов посредством операции «обжим». В расчетную схему включен геометрический зазор, вследствии невозможности осуществления сборки без предварительного установочного зазора между соединяемыми деталями. Процесс формообразования оболочечного соединения условно был разбит на три основных этапа: этан свободного перемещения, этап совместного перемещения, этап разгрузки. С использованием выбранных" уравнений для расчета аналитического выражения давления и построения динамических, диаграмм зависимости "напряжение-деформация" были выведены уравнения движения для основных этапов процесса сборки осесимметричных соединений импульсным магнитным полем по методике предложенной проф." С.Г. Ивановым.

1) Этап свободной деформации заготовки (свободный обжим). На этом этапе происходит свободное деформирование наружной осесимметричной заготовки. Уравнение движения с безразмерными параметрами имеет вид:

сг£„ , \ + Щг\К; яч/3 ¿тЦПг)

—г - ^¡те, 1п-' ' г—+-5—-;

дт- 1 + 4Ь,\еА я& £В + И

где

безразмерное время;

безразмерное давление;

24ЪРо

а.7Г

-

\

а,л

безразмерная частота;

- безразмерный эквивалентный зазор;

В

- безразмерный коэффициент затухания;

(О

- отношение радиусов трубы.

2) Этап соединения и совместного активного движения. На данном этапе происходит соединение двух деталей за счет внедрения наружной трубы во внутреннюю трубчатую заготовку, установленную в оправку; то есть данный этап сводится к напрессовке одной трубы на другую. Уравнение совместного движения осесимметричных заготовок и оправки на втором этапе:

где N

— р} - соответственно плотность материала

, _ рг 1пл:: р, _

р, 1п /Г, р( Ж/1пА',

внутренней, наружной трубы и оправки;

Кх =

- отношение радиусов оправки;

- безразмерный геометрический зазор; /оир - безразмерная жесткость оправки;

Р = а1!а1 -безразмерное отношение характеристик материалов; 3) Обратное движение. На этом этапе происходит разгрузка полученного соединения за счет накопленной заготовками потенциальной энергии.

д2и

2 + исв и ран Ч

а,-

'св рая ^ се

где - время, отсчитываемое с начала разгрузки.

£.2

I- =

Р|2 -Л|(1 +ЙГ)

р(2 -Л, -(1 + ог)

Окончательный радиус готового соединения (внутренний радиус внутренней трубчатой заготовки в соединении) определится:

Третья глава посвящена моделированию процесса МИОМ при сборке осесимметричных соединений и конструкций и определению энергосиловых параметров.

Были смоделированы осесимметричные заготовоки с. различной формой образующей, металло-композитные конструкции, а также: конструкции инструмента и оснастки (рис.1 и 2). Для изучения кинематики процесса сборки импульсным магнитным полем была использована одна из программ трехмерной компьютерной графики.

Рис.1. Деталит трубчатых элементов, имеющие криволинейные

образующие

Рис.2. Осесимметричные металло-композитные соединения с различной формой образующей: I - стеклопластиковый трубопровод; 2 — алюминиевый наконечник

Большое внимание в работе уделено разработке универсального инструмента для МИОМ. С целью повышения эффективности за счет возможности регулирования диаметра рабочего отверстия автором разработаны и защищены авторскими свидетельствами конструкции универсальных индукторов с возможностью регулирования диаметра рабочего отверстия. Их конструкции таковы, что изменение рабочего диаметра осуществляется в пределах нескольких миллиметров. Это изменение диктуется необходимостью минимизации геометрического зазора и возможностью применения одного инструмента для деформирования оболочек нескольких типоразмеров.

С целью определения кинематических и динамических характеристик процесса магнитно-импульсной сборки, автором в работе был смоделирован процесс соединения двух алюминиевых трубчатых заготовок посредством операции «обжим» внешней трубы на внутреннюю с применением композиционных материалов. Моделирование проводилось с использованием принципов анимации на основе ключевых кадров для основных этапов

процесса сборки: этап свободного перемещения, этап совместного перемещения, этап разгрузки (рис.3). Это автоматизированный процесс создания последовательности изображений, каждое из которых фиксирует некоторое, изменение состояния-сцены. Эти изменения касались взаимного положения, объектов или подобъектов, их формы, определяемой действием различных модификаторов, деформаций, свойств материалов объектов и т. д. Т.е выполнялось моделирование с учетом физических характеристик материалов поверхности объектов, таких, , как упругость, коэффициент статического трения и трения скольжения; физического воздействия на объекты таких как давление, имитируемое источниками объемных деформаций; столкновения объектов, результаты которых зависели от скоростей объектов и физических свойств их поверхностей. Автоматизация, процесса анимации состояла в том, что задавались значения анимируемых параметров в ключевых кадрах, которые разбивались на множество промежуточных и на их основе была построена временная диаграмма перемещений - трек анимации. В работе дана кинематика движения стенки ооразца начиная с 0 времени и заканчивая временем завершения деформации, т.е. образованием готового соединения.

Рис.З. «Обжим» внешней трубы на внутреннюю с использованием индуктора с изменяемым диаметром рабочего отверстия»

Далее в работе рассмотрена методика по определению энергосиловых параметров процесса магнитно-импульсной сборки оболочечных конструкций. Согласно этой методике исходящие уравнения движения в размерных параметрах были приведены к безразмерному виду. Полученные уравнения решены численным методом при очередном варьировании входящих в него параметров. с сохранением всех остальных

постоянными. По результатам численного решения построены графики зависимостей от каждого параметра. Эти графики аппроксимировались по каждому параметру и были получены приближенные аналитические зависимости для величин, характеризующих процесс деформирования. По полученным таким образом аналитическим зависимостям может быть определено искомое давление поля при данном значении других параметров (рис. 4 и 5).

1Ч.т 20 15 0 5

у^/у

О 1 2 3 4 5 (Г-.

V

Рнс.4. Зависимость максимальной относительной деформации наружной трубчатой заготовки от безразмерной частоты

т*20 и 4 х] 10 $ I ""■•» I —

Ж

о 01 ИЗ М 04 ОБ 06 т

Рис.5. Зависимость максимальной относительной деформации наружной трубчатой заготовки от безразмерной плотности энергни

Далее рассмотрена методика по выбору» оптимального режима технологического процесса магнитно-импульсной сборки деталей на

имеющейся магнитно-импульсной установке, которая состоит из механического и электрического расчета. Оптимальным является' режим, который при некотором значении частоты разряда, обеспечивает получение заданной деформации заготовки при минимально возможном расходе энергии. Поэтому для определения оптимального режима производится варьирование частот разряда. Для каждой опорной частоты определяются электрические параметры системы «индуктор-заготовка» и число витков. По аналитическим выражениям находятся значения потребного для деформации давления ИМП и соответствующее значение потребной энергии установки. Далее строятся графики зависимостей по которым определяются оптимальная частота и энергия установки, потребное давление и число витков индуктора.

Основные результаты и выводы:

1. На основании проведенного исследования возможных способов получения неразъемных герметичных соединений и осесимметричных конструкций методом магнитно-импульсной обработки металлов можно сделать вывод, что в настоящее время отсутствует модель процесса образования таких соединений.

2. На основе численного решения уравнений движения для основных этапов процесса сборки разработана модель процесса образования осесимметричного соединения импульсным, магнитным полем посредством операции «обжим» наружной трубы по внутренней с применением композиционных материалов.

3. На основе разработанной модели процесса магнитно-импульсной сборки осесимметричного соединения дана кинематика процесса соединения, позволяющая определить временные и скоростные характеристики движения стенки при обжиме алюминиевого образца.

4. На основе методов численного решения разработан метод аналитического определения энергосиловых параметров процесса магнитно-импульсной сборки оболочечных конструкций, позволяющий получить

аналитические зависимости для величин, характеризующих процесс деформирования.

5. Разработаны конструкции универсальных индукторов с возможностью регулирования диаметра рабочею отверстия, что позволяет расширить технологические возможности и производить процесс деформирования для заготовок разного типоразмера.

6. Предложена методика по выбору оптимального режима сборки осесимметричных соединений и конструкций методом магнитно-импульсной обработки, позволяющая повысить .экономическую эффективность процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в:

1. Астапов В.Ю.. Хорошко Л.Л. О металло-композитных соединениях осесимметричных конструкций. НТК «Геометрические аспекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и разрушения ЛА»,г. Москва, МАТИ, 1988 г.

2. Астапов В.Ю., Хорошко Л.Л Разработка конструкций универсальных индукторов для МИО. НТК «МУиС» МАТИ «Прогрессивные конструкционные материалы и технологические процессы в авиастроении», г. Москва.МАТИ, 1988 г.

3. Астапов В.К)., Хорошко Л.Л. Составление уравнений движения на этапе свободного перемещения оболочки под воздействием ИМП. НТК «МУиС» МАТИ «Прогрессивные конструкционные материалы и технологические процессы в авиастроении», г. Москва. МАТИ , 1988 г.

4. Астапов В.Ю.. Евсеев Е.Г., Хорошко Л. Л.. О магнитно-импульсной сборке осесимметричных конструкций. 111К «Геометрические аспекты проектирования. технологии изготовления. деформирования и разрушения ЛА». г. Москва, МАТИ, 1989.

5. Астанов В.Ю., Хорошко Л.Л. Некоторые вопросы электромагнитного формообразования сферических и цилиндрических участков на трубчатых конструкциях. НТК «МУиС» МАТИ, г. Москва, 1989 ).

6. Астапов В.КХ, Хорошко Л.Л. Расчет режимов магнитно-импульсной сборки металло-композитных соединений. НТК « МУиС» МАТИ, г. Москва, 1989 г.

7. Астапов В.Ю., Зайцев Г.П., Хорошко Л.Л. Электромагнитное деформирование осесимметричных конструкций и инструмент. Экспонат на ВДНХ СССР «Дни науки», павильон «Физика», г. Москва, 1989 г.

8. Астапов В.Ю.. Зайцев Г.П., Хорошко Л.Л. Электромагнитное деформирование осесимметричных конструкции и инструмент. Экспонат, этикетка, характеристика экспоната на ВДНХ СССР «Дни науки», павильон «Физика», г. Москва, 1989 г.

9. Астапов В.Ю., Зайцев ГЛ., Хорошко Л.Л. Уравнения движения на этапе совместного движения заготовки и матрицы. НТК «Геометрические аспекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и разрушения ЛА». Москва, г. МАТИ, 1991 г.

10. Асланов В.Ю., Зайцев Г.П., Хорошко Л.Л. Распределение давления вдоль образующей цилиндрической оболочки при МИ деформировании. НТК «Геометрические аспекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и разрушения ЛА». г. Москва, МАГИ, 1992 г.

11: Астапов В.Ю., Зайцев Г.П., Хорошко Л.Л. Аналитическое выражение зависимости между напряжениями и деформациями. НТК «Геометрические аспекты проектирования, технологии изгоювления, деформирования и разрушения ЛА». г. Москва, МАТИ, 1993 г.

12. Астапов В.Ю.. Зайцев Г.П.. Хорошко Л.Л. Аналитическое выражение изменения давления ИМИ во времени и по образующей заготовки. НТК «Геометрические аспекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и рафушения ЛА», Москва, МАТИ. 1996 г.

13. Хорошко Л.Л., Астапов В.Ю. Визуализация обьектов проектирования. Сборник докладов НТК «Всесоюзные Гагаринские тения», г. Москва. МГАТУ. 2000 г.

14. Хорошко Л. Л., Астапов В.Ю. пространственное моделирование трехмерных объектов сложной геометрической формы на основе програмной системы компьютерной графики 3D Studio MAX. Международная НТК МАТИ XXIX «Гагаринские чтения», г. Москва, "МАТИ"-РГТУ, 2003 г.

15. Хорошко Л.Л., Астапов В.Ю. Использование программной системы компьютерной графики 3D МАХ для моделирования процесса сборки осссимметричных конструкций. Международная НТК МАТИ XXIX "Гагаринские чтения", г. Москва, «МАТИ»-РГТУ, 2003 г.

16. Хорошко Л. Л., Астанов В.Ю. Моделирование процесса сборки осесимметричных соединений и конструкций в процессе магнитно-импульсного деформирования. Межвузовская НТК «Прикладные вопросы компьютерной графики в авиастроении», г. Москва, «МАТИ» - РГТУ, 2003 г.

17. Хорошко Л. Л., Астапов В.Ю. Геометрическое моделирование пространственных объекюв сложной формы на основе програмной системы компьютерной графики 3D Studio MAX. Международная HI К МАТИ XXIX «Гагаринские тения», г. Москва. «МАТИ»-РГТУ, 2003 г.

18. Астапов В.Ю., Хорошко Л.Л., Зайцев Г.П.. Шиксра В.В. Индуктор для магнитно-импульсной обработки. Авторское свидетельство № 1541863. г.Москва, 1989.

19. Астапов В.Ю.. Хорошко Л.Л., Зайцев Г.П., Шикера В.В. Индуктор для магнитио-импульсно! о обжима. Авторское свидетельство № 1570130. г. Москва, 1990.

Подписано в печать 06.02 2004. Форма! 60,\84 Ь16. 1 кч.иь на pmoi рафе. Ооьем 1.0 N..1. 1нраж 100. 'Закат № 9

ИЦ «МАГИ» - l'oixniicKoio юе> дарственно! о !с\1к>:к)1 ическо! о \нинерснieiu им. К Цнолковско!о 109240. Москва. Берниковская наб.. 14

Типография ИЦ «MA'i И» - Российского государственного 1емюлогическою\нивсрси iciu ич. k'."). I(шиконсыно 109240. Москва. Серит опекая нао . 14

» -3 282

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Возможности использования конструктивных элементов из пластических масс в производстве ЛА.

1.2. Классификация типовых осесимметричных соединений и конструкций

1.3. Обзор основных технологических процессов получения трубчатых неразъемных герметичных соединений летательных аппаратов.

1.4. Анализ существующих способов получения сборочных конструкций из пластических масс.:.

1.5. Метод магнитно-импульсной обработки gfc металлов (МИОМ).

1.5.1.1. Сущность метода МИОМ.:.

1.5.1.2. Основные технологические операции выполняемые методом МИОМ над трубчатыми заготовками.

1.5.1.3. Требования к обрабатываемым материалам.

1.5.1.4. Оборудование, инструмент, оснастка.

1.6. Обзор сборочных операций выполняемых методом МИОМ.

1.6.1. Соединение деталей, имеющих криволинейные поверхности.

1.6.2. Сборка по прямолинейной образующей.

1.7. Выводы по главе.

1.8. Цели и задачи работы.

ГЛАВА 2. ДИНАМИКА ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ СБОРКЕ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Состояние вопроса по определению динамических характеристик материалов в условиях магнитно - импульсного нагружения.

2.1.1. Экспериментальный метод построения динамических диаграмм "напряжение-деформация".

2.1.2. Методы определения давления и измерения деформаций при МИОМ.

2.2. Аналитическое выражение зависимости между напряжением и деформацией.

2.3. Аналитическое выражение давления.

2.4. Выбор расчетной конструкции и схемы деформирования.

2.5. Вывод уравнений движения.

2.6. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА МИОМ.

3.1. Моделирование процесса МИОМ при сборке осесимметричных соединений и конструкций.

3.1.1. Возможности программных систем компьютерной графики для пространственного моделирования.

3.1.2. Моделирование осесимметричных соединений и конструкций.

3.1.3. Моделирование и разработка инструмента для МИОМ.

3.2. Определение энергосиловых параметров.

3.3. Общая блок схема и алгоритм решения уравнений динамики оболочек под воздействием давления импульсного магнитного поля.

3.4. Выбор оптимального режима магнитно-импульсной сборки.

3.5. Выводы по главе.

В условиях постоянного совершенствования и частого обновления конструкций летательных аппаратов, узлов и устройств, используемых в авиационной, космической, ракетной и других отраслях производства, особо важное значение приобретает разработка, развитие и быстрое внедрение в промышленность новых эффективных технологических процессов, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения.

В последнее время широкое распространение получили методы, интенсифицирующие процессы деформирования металлов и сплавов. К ним относятся высокоскоростные способы деформирования и методы дополнительного энергетического воздействия. Эти методы существенно повышают производительность труда, снижают себестоимость выпускаемой продукции, а в ряде случаев повышают и её качество.

В конструкциях современных летательных аппаратов и двигателей (особенно в пневмогидравлических системах) большое распространение имеют неразъемные герметичные соединения из разнородных или несвариваемых обычными методами материалов. Примерами таких соединений могут служить, например, соединения трубопроводов из следующих пар материалов: АМЦ + МЦ, АД1 + АМГ6 и др. Особое значение занимают соединения типа «металл-пластик» и проблема соединения деталей из пластмасс с другими материалами приобретает особую актуальность.

В настоящее время для получения подобных соединений могут быть использованы различные технологические процессы.

Наиболее перспективным из них является импульсное магнитное поле (ИМП), которое в отличие от других не требует специальных условий реализации. В тоже время ИМП легко и достаточно точно регулируется в широком диапазоне передаваемой энергии. При этом процесс характеризуется более высокой стабильностью воспроизведения рабочих режимов, высокой производительностью, может быть легко автоматизирован и применен в обычных цеховых условиях. Следует отметить также важную особенность исследуемого метода, которой является отсутствие неуравновешенных реактивных моментов и усилий, движущихся частей инструмента, что в перспективе создает предпосылки для применения оборудования магнитно-импульсной обработки материалов в космосе.

Работы по использованию ИМП в технологических процессах деформирования тонколистовых деталей начались в середине 50-х годов с появлением первых магнитно-импульсных установок и сейчас они интенсивно ведутся во многих странах: США, Англия, Германия, Япония и др. У нас в стране в этом направления работают в ИАЭ, НИАТ, МАТИ, МАИ и в других организациях. Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ, в настоящее время не существует модели процесса, описывающей действие импульсного электромагнитного поля на деформируемые материалы.

Настоящая работа посвящена моделированию процесса сборки неразъемных герметичных трубчатых металло-композитных соединений с использованием интенсивного импульсного электромагнитного поля ( ИЭМП).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного исследования возможных способов получения неразъемных герметичных соединений и осесимметричных конструкций методом магнитно-импульсной обработки металлов можно сделать вывод, что в настоящее время отсутствует модель процесса образования таких соединений.

2. На основе численного решения уравнений движения для основных этапов процесса сборки разработана модель процесса образования осесимметричного соединения импульсным магнитным полем посредством операции «обжим» наружной трубы по внутренней с применением композиционных материалов.

3. На основе разработанной модели процесса магнитно-импульсной сборки осесимметричного соединения дана кинематика процесса соединения, позволяющая определить временные и скоростные характеристики движения стенки при обжиме алюминиевого образца.

4. На основе методов численного решения разработан метод аналитического определения энергосиловых параметров процесса магнитно-импульсной сборки оболочечных конструкций, позволяющий получить аналитические зависимости для величин, характеризующих процесс деформирования.

5. Разработаны конструкции универсальных индукторов с возможностью регулирования диаметра рабочего отверстия, что позволяет расширить технологические возможности и производить процесс деформирования для заготовок разного типоразмера.

6. Предложена методика по выбору оптимального режима сборки осесимметричных соединений и конструкций методом магнитно-импульсной обработки, позволяющая повысить экономическую эффективность процесса.

1. Слесарев А.В. Управление распределением давления вдоль образующей цилиндрической оболочки при магнитно-импульсном деформировании элементов конструкций ЛА. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 1982.

2. Композиционные материалы в конструкции летательных аппаратов. Перевод с английского под ред. Абибова А.Л. М., Машиностроение, 1975.

3. Стеклопластики в компрессорах авиационных реактивных двигателей. Обзор иностранной технической литературы за 1953-1993гг., 1994.

4. Комаров Г.В. Способы соединения деталей из пластических масс. М., Химия, 1979.

5. ОСТ 92-0957-74. Стеклопластики конструкционные. Типовые • конструкционные процессы.

6. Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. Ленинград, Машиностроение, 1975.

7. Хворост В.Ю. Определение силовых и энергетических параметров многовитковых индукторных систем для магнитно-импульсных методов обработки металлов давлением. В сб.: Технология и опыт внедрения импульсных методов обработки металлов давлением. ЛДНТП, 1970.

8. Рубанов Л.А., Барбарович Ю.К. Опыт внедрения магнитно-импульсной обработки тонколистовых деталей. В сб. Технология и опыт внедрения импульсных методов обработки металлов давлением. ЛДНТП, 1970.

9. Попов Е.А. и др. Деформирование металла импульсным магнитным полем. КШП, 1966.

10. Шавров И.А., Фейгин А.П. Штамповка и соединение деталей •> импульсным магнитным полем. В сб.: Судостроение за рубежом. Москва, 1973.

11. Sanderson L. Tooling, 1972, 26, № 2.

12. Speed is replacing weight in shaping metals. Engineer, 1969, 229, № 5921.

13. Magnetic forming. Metal forming, 1969, 36, № 6.

14. SzilasM. Technishe Rundschau, 1969, 61, №23.

15. Mantagnani M. Schweissen und Schneiden, 1971, 23, № 12.

16. Naumann E. ZIS- Mitteilungen, 1969, 11, № 1.

17. Grin M. Revue metallurgia, 1970, 67 № 2.

18. Эпштейн Г.Н., Кайбышев О.А. Высокоскоростная деформация и структура металлов. М., Металургия, 1971.

19. Орленко Л.П. Поведение материалов при интенсивных импульсных нагрузках. М., Машиностроение, 1964.

20. Райнхарт Д.С. Взрывная обработка металлов. М., Мир.

21. Баландин Ю.А. Исследование механических характеристик материалов в условиях магнитно-импульсного нагружения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Горький, 1975.

22. Буравлев А.Г., Кессельман М.А. -Влияние магнитно-импульсной штамповки на некоторые физико-механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов. ХГУ, Харьков, 1975.

23. Бондалетов В.Н. Определение ЭМС, их работа и электрического к.п.д. в контурах с током. Электричество, № 11, 1966.

24. Брон О.Б., Епичурин В.П. Давление на цилиндрическую деталь при магнитно-импульсной обработке металлов. Электромеханика, № 5, 1968.

25. Волощенко - Климовицкий Ю.Я. Динамический предел текучести. М., Наука, 1965.

26. Троицкий О.А. Увеличение скорости пластической деформации металла под влиянием импульсов электрического тока. М., Наука, 1971.

27. Хардин В.В., Комаров А.Д. и др. Особенности деформации металла при магнитно-импульсной штамповке. КШП, № 4, 1970.

28. Лысенко Д.Н., Ровинский Б.М. и др. Механические свойства субструктура алюминиевых сплавов деформированных импульсным магнитным полем.

29. Ендин Н.А., Иванов Е.Г. Соединение труб с наконечниками магнитно- импульсными методами. ЧГУ, Чебоксары, 1970.

30. Глушенков В.А., Комаров А.Д., Лысенко Д.Н. Раздача и калибровка труб из титанового сплава импульсным магнитным полем. КШП, № 12, 1969.

31. Аверьянов А.Г., Беклемишев Н.Н., Шапиро Г.С. Об определении динамической диаграммы растяжения материалов при помощи кольцевых образцов. Проблемы прочности, АН СССР, № 9.

32. Алексеев Ю.Н. Вопросы пластического течения металлов. ХГУ, Харьков, 1958.

33. Радзивончик В.Ф. Скоростное пластическое деформирование металлов. ХГУ, Харьков, 1967.

34. Ионов В.Н., Огибалов П.М. Напряжение в телах при импульсном нагружении. М., Высшая школа, 1975.

35. Дейвис P.M. Волны напряжений в твердых телах. ИЛ, 1961.

36. Райнхарт Дж.С, Пирсон Д. Поведение металлов при импульсных нагрузках. М., ИЛ, 1958.

37. Лопатин А.И. Получение динамической диаграммы "напряжение- дефомация" при помощи кольцевых образцов. Импульсная обработка металлов давлением. Харьков, ХАИ, 1970.

38. Баландин Ю.А., Иванов Е.Г. Экспериментальное определение механических характеристик материалов при нагружении импульсным магнитным полем. В кн.: Импульсное нагружение конструкций. Вып. № 4, ЧГУ, Чебоксары, 1973.

39. Тамм И.Е. Основы теории электричества. ГИТТЛ, 1954.

40. Бондажетов В.Н. Ускорение микроскопических тел магнитным полем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ, Москва, 1965.

41. Брон О.Б. Епечурин В.П. Давление на цилиндрическую деталь при магнитно-импульсной обработке металлов. "Электротехника", № 5, 1968.

42. Попов Ю.А. Методы расчетов импульсных электромагнитных процессов и индуктивно связанных систСхМах при МИОМ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ, Москва, 1970.

43. Брон О.Б. Епечурин В.П., Распределение давлений и просачивание магнитного поля через деталь при магнитно-импульсной обработке. "Электротехника", № 11, 1968.

44. Брон О.Б. Епечурин В.П., Электромагнитные давления и их пространственные распределения при магнитно-импульсной обработке. СЭПИ, 1969.

45. Брайко В.П. Методы измерения индукции и напряженности применения магнитных полей. Киев, 1970.

46. Горбунов Н.М. Исследование процесса сборки трубчатых конструкций ЛА пластическим деформированием под действием ИМП. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1970.

47. Епечурин В.П., Шалыгин В.Н. и др. Измерение скорости деформирования при МИОМД. Измерительная техника, № 7, 1971.

48. Сердюк B.C. Исследование процесса электромагнитного обжима при сборке трубчатого узла. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1977.

49. Мирошников В.Г. Исследование некоторых вопросов процесса обработки металлов давлением магнитного поля. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1976.

50. Мирошников В.Г. Рентгеновский метод измерения скорости деформирования при МИОМ. Вестник машиностроения. N 9, 1972.

51. Бауэр Д. Измерение усилий деформирования и измерений формы при высокоскоростных деформациях трубчатых изделий магнитными полями. № 10, 1965.

52. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве ЛА. М., Машиностроение, 1970.

53. Баландин Ю.А., Иванов Е.Г., Чернов Е.И. К построению динамической диафаммы "напряжение-деформация". В сб.: Импульсное нагружение конструкций. Вып. 2, ЧГУ, Чебоксары, 1971.

54. Ба^ тандин Ю.А. Поведение меди при магнитно-импульсной деформировании В сб.: Импульсное нагружение конструкций. Вып. 5, ЧГУ, Чебоксары, 1974.

55. Курьянов Ю.П. Разработка и исследование процесса формообразования крупногобаритных осесимметричных оболочек двойной кривизны магнитным полем. Автореф. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1978.

56. Аркулис Г.Э. Совместная пластическая деформация разных металлов. М., Металургия, 1964.

57. Иванов Е.Г. О раздаче тонкостенных труб импульсным магнитным полем. В сб. Импульсное нафужение конструкций. Чебоксары, 1971.

58. Баландин Ю.А. Поведение алюминиевого сплава Д16Т при магнитно- импульсном деформировании. В сб.: Импульсное нафужение конструкций. Вып. 6, ЧГУ, Чебоксары, 1976.

59. Янгдаль К. Влияние формы импульса на окончательные пластические деформации круглой пластинки. Механика, Москва, МИР, 1972.

60. Белый И.В., Фертик СМ., Хименко Л.Т. Справочник по .магнитно- импульсной обработке металлов. Харьков, Вища школа, 1977.

61. Al-Hassani S.T.S Scale model testing in magnetic forming of tubes. Manchester, 1973.

62. Белоглазов И.М. Исследование некоторых процессов осесимметричного деформирования трубчатых заготовок ИМП. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Харьков, 1969.

63. Шалунов Е.П. исследование и разработка процесса магнитно-импульсной сборки рукавов высокого давления ЛА. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1979.

64. Попов Ю.А. Некоторые особенности расчеты процессов, использующих Ф силовое воздействие импульсного магнитного поля. В сб. Электорофизические процессы при импульсном разряде. Чебоксары, 1977.

65. Magnetic forming. Metall Forming, №6,1969.

66. Иванов Е.Г. Раздача тонкостенной трубчатой заготовки в матрицу импульсным магнитным полем. В сб. Импульсное нагружение конструкций, Чебоксары, вып. № 8, 1977.

67. Иванов Е.Г. Некоторые вопросы осесимметричного деформирования импульсным магнитным полем. В сб. Импульсное нагружение конструкций, Чебоксары, вып. № 5, 1974.

68. Фиглин З., Бойцов В.В., Калпин Ю.Г. Изотермическое деформирование металлов. Москва, Машиностроения 1978.

69. Астапов В.Ю., Хорошко Л.Л. Составление уравнений движения на этапе свободного перемещения оболочки под воздействием ИМП. Тезисы XII НТК "МУиС" МАТИ, Москва, 1988.

70. Астапов В.Ю., Хорошко Л.Л. Уравнения движения на этапе совместного движения заготовки и матрицы. Тезисы НТК МАТИ "Геометрические аспекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и разрушения элементов ЛА". МАТИ, Москва, 1988.

71. Иванов Е.Г. Раздача толстостенной трубы импульсным магнитным полем. В сб. Импульсное нафужение конструкций, Чебоксары, вып. №4, 1973.

72. Беккер П.В., Евдокимов А.К. Компьютерное моделирование при исследовании процессов многоканального выдавливания. КШП, № 12, 1999.

73. Курлаев Н.В., Юдаев В.Б., Гулидов А.И. Инерционная посадка гофр при магнитно-импульсной гибке-формовке листовых деталей ЛА. КШП, № 7, 2001.

74. Курлаев Н.В., Юдаев В.Б. Численное моделирование процесса сборки наконечников с электрожгутами давлением ИМП. КШП, № 8, 2001.

75. Кухарь В.Д., Чистяков А.В. Моделирование разделительных операций ОМД методом конечных элементов. КШП, № 8, 2002.

76. Романычева Э.Т., Сидорова Т.М., Сидоров С Ю . AutoCAD, ДМК, Москва, 1998.

77. Маров М. 3D Studio МАХ. Справочник, Санкт-Петербург, 2000.

78. Хорошко Л.Л., Астапов В.Ю. Пространственное моделирование трехмерных объектов сложной геометрической формы на основе програмной системы компьютерной графики 3D Studio МАХ. Тезисы международной НТК МАТИ XXIX "Гагаринские чтения", Москва, 2003.

79. Хорошко Л.Л., Астапов В.Ю. "Моделирование прцесса сборки осесимметричных соединений и конструкций в процессе магнитно-импульсного деформирования. Тезисы межвузовской НТК "Прикладные вопросы компьютерной графики в авиастроении", Москва, 2003.

80. Хорошко Л.Л., Астапов В.Ю. Использование програмной системы компьютерной графики 3D МАХ для моделирования прцесса сборки осесимметричных конструкций. Тезисы международной НТК МАТИ XXIX "Гагаринские чтения", Москва, 2003.

81. Астапов В.Ю., Хорошко Л Л. , Зайцев Г.П. Авторское свидетельство на изобретение № 1570130. Индуктор для магнитно-импульсного обжима, Москва, 1990.

82. Астапов В.Ю., Хорошко ЛЛ., Зайцев Г.П. Авторское свидетельство на изобретение № 1541863. Индуктор для магнитно-импульсной обработки, Москва, 1989.

83. Холл Дж., Уатт Дж. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Москва, Мир, 1979.

84. Бахвалов Н.С, Жидков Н.П., Кобельииков Г.М. Численные методы. Москва, Наука, 1987.

85. Попов Ю.А., Иванов А.И. К выбору оптимальных электрических режимов магнитно-импульсной обработки металлов. В сб.: Исследование новых электрофизических и электротермических процессов. Чебоксары, ЧГУ, 1972.

86. РТМ 25 258-77. Обработка магнитно-импульсная деталей. Типовые технологические процессы. Москва, 1977.

87. РТМ-1475. Магнитно-импульсная обработка металлов. Выбор электротермических режимов и прочностной расчет инструмента. Москва, НИАТ, 1976.

88. Иванов Е.Г., Морозов В.И., Шалунов Е.П. Магнитно-импульсная обработка деталей приборов и механизмов в приборостроении. Москва, ЦНИИТЭИ приборостроение. 1976.

89. Установки магнитно-импульсные. Проспект НИИМАШ. Выставка "Пресс-75", УДК 621.7.044.7.

90. Горбунов Н.М., Беклемишев Н.Н., Слесарев А.В. О проектировании инструмента для магнитно-импульсной обработки. В кн.: Технология в космосе, МАИ, Москва, 1977.

91. ТалалаевА.К. Создание новых систем МИОМ. Тула, 1993 г.

92. Синебрюхов А.Г. Магнитно-импульсная обработка металлов, Томск, 1996.

93. Самохвалов В.Н. Обработка деталей импульсным магнитным полем. Москва, 1996.

94. Проскурянов Н.Е. Теория и методы комплексного проектирования оборудования магнитно-импульсной обработки металлов. Тула, 1998.

95. Ракошиц Г.С. Электроимпульсная штамповка. Москва, 1991.

96. Маленичев И.А. Повышение эффективности метода магнитно- импульсной обработки металлов. Тула, 1998.

97. Самохвалов В.Н., Исаченков Е.И. Перспективные схемы технологических процессов магнитно-импульсного формообразования поперечно-гофрированных оболочек. Пенза, 1992.

98. Кухарь В.Д., Макаров Л.Л. Общий метод расчета нестационарных процессов магнитно-импульсной обработки металлов. КШП №2, 1999.

99. Астапов В.Ю., Хорошко ЛЛ., Евсеев Е.Г. О магнитно-импульсной сборке осесимметричных конструкций. Тезисы НТК МАТИ "Геометрические аспекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и разрушения элементов ЛА". МАТИ, Москва, 1988.