автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Теоретические основы и методы анализа процессов формоизменения заготовок



На правах рукописи

Селедкин Евгений Михайлович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор С.П.Яковлев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.М.Дмитриев

доктор технических наук, профессор Ю.А.Алюшин

доктор технических наук, профессор ■ Э.С.Макаров

Ведущая организация - ОАО "ТНИТИ"

Защита диссертации состоится "23." Я&ИсбрЗ 1998 г. в 9"3 Ч-на заседании диссертационного совета Д 063.47.03 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, ГСП, пр-т Ленина, 92,9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан" ¿0 " ^ 1998 г. '.•■'.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное машиностроение предъявляет высокие требования к технологическим процессам обработки металлов давлением (ОМД). Технология должна обеспечивать производство качественных изделий с высокими эксплутационными характеристиками, бить акономпчной, интенсивной. Интенсификашш и повышение эффективности производства является необходимым условием научно-технического прогресса. Возможность получения прочных, точных, сложных по форме деталей характеризует процессы листовой и объемной штамповки, как комплекс прогрессивных методов металлообработки в машиностроении. К числу современных вьтсокоинтепсивных методов обработки материалов ¿шшздиои сш10сда?з.мгтед магнитно-импульсной штамповки (МИШ), понурый'::2ра;гг;:ртуетст тем, что формой шененис лыогоии»; прот'ггйхт тт~т? высоких скоростях деформаций под воздействием импульсного магнитного поля. Вместе с тем актуальны н Традиционные статические методы ОМД, позволяющие обеспечить изготовление высокоточных и сложных по конфигурации деталей ра традиционном оборудовании.

В условиях частой сменяемости ассортимента изготавливаемых изделий, увеличивающейся доли мелкосерийного и опытного производства актуальными задачами становятся сокращение сроков подготовки произволе ига, умбнкзснкс-п5гг?.1ег епьтрнюю/кшних работ, экономия мате-рнаяышх .'Н'-рипг:.:Л;;их рссурсои ирн соч*,а;;.:д,!с;>иоп> .--г,--с изделий.

Рл»:лиио "иг: лю ;^"!. -„др..".;'.". л прш:ттгу

сп^рдм ч р^с-и-иД!, научно ':IV м.д 1,.;лг, ^рор, .■■.тог

ф^риоетм-иени»: зайчонок при их огрс-Л"!!••*,• д-тм-нием В технической

чо.* г ¡'ч-

д;гшие и^од^лс ^и.шсид.. и ■ ччг* р^^нм?, р:11-пые модели дсфирмпде^мс.о-чддч^д-л^идч

чпг.тям р. освоении их.для практики проектирования. Поуго^ создание па

• пм.д; ¡1 с.г'. .л.! ;•:.• :;г .--5г' . 1-.. д . ■ <., ч

. дд ¡^и:»:;!:';:! ф; ¡сП'^ \ д .-,• ■ т ? дд1 ;

4441. ' I ' " .-•-.- .

С развитием численных методов и с использованием вычислительной техники в практике инженерных расчетов появилась возможности ба-лее полно учишвшь рсачын.-.' поиедеии« м;иерпъ:а ь дроцсгсс -"формирования. Числсниое решет« дштмнчссг пх и ет.иическт здцяч ф»?рмот-мепепия ""•»«готовок,' " позволяющее определив - иаирскешю-

деформированное состояние с учетом истории нагружения, анизотропии механических свойств и особенностей поведения материала при высоких скоростях деформаций, является весьма актуальным, поскольку знание полей распределения напряжений и деформаций по объему тел дает возможность определить форму и размеры тела, установить ресурс бездефектного деформирования, уточнить методики проектирования и расчета основных параметров процессов ОМД, выбрать параметры и обосновать запас прочности оборудования, что в конечном счете ведет к полученшо изделий высокого качества с заранее заданными размерами, И, следовательно, и экономии металла. Это,, в свою очередь, требует дальнейшего развития основ теории процессов штамповки с учетом реологического поведения обрабатываемого материала.

Таким образом, необходимость развития теоретических основ и разработки высокоэффективных машинно-ориентированных методов анализа динамических и статических процессов формоизменения заготовок с уче--том сложного реологического поведения деформируемого материала представляет актуальную проблему в области теории и практики обработки металлов давлением.

Работа выполнена в соответствии с Российской научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", заказ-нарядоМ ГК ВО РФ "Повышение эффективности изготовления товаров на-" родного потребления", грантом "Теория пластического формоизменения ортотропных тел и формирования анизотропии механических свойств заготовки в процессах обработки металлов -давлением", в соответствии с постановлением ГКНТ СССР по разделу "Технологии, машины и производство будущего", а также хозяйственными договорами с рядом предприятий России.

Цель работы - развитие теоретических основ нестационарных процессов деформирования заготовок в условиях динамического и статического нагружения и создание на их основе научно обоснованных методов анализа, обеспечивающих расширение возможностей и повышение эффективности технологических процессов обработки металлов давлением.

Научную повязку составляют следующие результаты: » . 1. Разработаны несколько вариантов метода конечных элементов в рамках жесткопластического тела для анализа формоизменения заготовок при нестационарном динамическом и статическом на1руженйи » условиях плоской и осесймметричной деформации с учетом анизотропии, деформационного и скоростного упрочнения материала.

2. Получено новое решение задачи деформирования толстостенных, низотропиых трубчатых заготовок с шшшгдртпеской анизотропией при .ннамическом нагружешш с анализом распределения полей напряжений и еформацпй п объеме тела и их изменении во времени.

3. Впервые установлены особенности формоизменения толстостсп-:ой трубчатой заштатен при формировании квадратных и прямоугольных ■ пу'фепних продольных капало» с постоянным н изменяющимся по длине анала профилем методом мапштпо-импульсного обжима на оправке. Ус-ановлепи ■закономерности влияния режнмоз работы оборудования на ха-|а;пер течения при многооперацноиной штамповке.

4. Разработана математическая модель получения сборочного соеди-[ения типа "цилиндр-корпус" с обеспечением заданного усилия разъема .. щуцссс: ф""сп'?г>тт!»п»нини>1 мчНОАи;.1:.:::пг!ггг;>-;"<пупьсного обжима.

5. Получены новые рошеин;: здёл стлботаог«» осаживали л з г™. ;рытых матрицах тонкослойных анизотропных заготовок при статическом тгружешт. Установлены закономерности изменения напряженно-щформированного состояния в указанных процессах.

6. Разработана конечноэлементная модель осесимметричной объем-юн осадки в изотермических условиях при статическом иагружении. Усыновлены скоростные, режимы деформирования, обеспечивающие минимальное усилие деформирования.

Авторзащищает:

1. Копечноэлементные методы расчета полей скоростей и напряже -(ин, в том числе, методы формирования и решения систем алгебраических <онечноэлементных уравнений, основанные на предложенных способах ишеаризашш, методику расчета напряженного состояния.

2. Теоретический анализ процессов магнитно-импульсной штамповки толстостенных анизотропных трубчатых заготовок, включающий математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния. ............• ■ . .....

3. Предложенные подходы к анализу формообразования внутренних продольных каналов заданной формы внутри толстостенных трубчатых заготовок с учетом контактного взаимодействия заготовки с оправкой, многократности процесса нагружения и полученные теоретические зависимости влияния геометрических размеров заготовки и формируемого канала, а также параметров импульсного нагружения на процессы формирования капало!) квадратной, прямоугольной и клиновидной формы.

4.- Результаты теоретических и экспериментальных исследований получения сборочных соединений с задашгам усилием осевого разьема.

5. Модели и результаты исследований процессов осадки тонкослойных анизотропных заготовок и осадки объемных осесиметричных заготовок в изотермических условиях.

6. Результаты экспериментальных исследований свойств материалов при высоких скоростях деформации.

7. Результаты внедрения технологических процессов магнитно-импульсной штамповки внутренних продольных каналов, получения сборочных соединений и использование результатов исследований в практике проектирования, технологических процессов обработки металлов давлением в опытном производстве на машиностроительных предприятиях и в учебном процессе.

Методы исследования, использовавшиеся в работе:

- теоретический анализ процессов высокоскоростной и статической штамповки выполнен с использованием основных положений механики сплошных сред и теории пластичности изотропного и ортотропного материала;

- математическое моделирование осуществлено с применением вариационных принципов теории пластичности, метода конечных элементов, теории планирования многофакторного эксперимента; численное решение систем дифференциальных уравнений проведено с применением метода конечных элементов, метода коллокаций и метода Галеркина; .

- экспериментальные исследования выполнены с использованием магнитно-импульсных установок, современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры.

Практическую значимость работы составляют следующие результаты:

1. Разработаны численные методы исследования напряженно-деформированного состояния, позволяющие в процессах высокоскоростной и статической штамповки заготовок без проведения трудоемких лабораторных экспериментов определить оптимальные технологические режимы работы оборудования и его энергосиловые параметры, что ведет к ускорению технологической подготовки производства изготовления деталей и экономии металла. ■ "

2. Создан пакет прикладных программ для анализа динамических и статических процессов ОМД, протекаювдк в условиях плоской деформации и осесимметричного напряженно-деформированного состояния,

3. Получены экспериментальные данные по сопротивлению матег риала пластической деформации меди. МВ и М2 при высоких скоростях деформзшш р диапазоне 1')3..Л04 с'-1. ■ "

■ 4. Разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов штамповки внутренних продольных каналов квадратной, прямоугольной и клиновидной формы и по получению сборочных соединений с заданным усилием разъема деталей в процессе функционирования методом магнитно-импульсного обжима

5. Результаты исследований внедрены на машиностроительных предприятиях в опытном производстве по изготовлению каналов волноводов, сборке деталей с фланцами и получения сборочных соединений с заданными свойствами. По материалам диссертации подготовлены конспекты лекций но курсам "Новые методы обработки Металлов давлением" н "Моделирование процессов обработки давлением методом конечных элементов",'а Также методические рекомендации по выполнению курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной рпботм и результаты исследований докладывались на 5-й Всесоюзной конференции "Получение и обработка материалов высоким давлением" (г. Минск, 1987 г.), Всесоюзном совещании "Расчет, проектирование, технология из-, готовления, эксплуатация индукторных систем" (г. Тула, 1988 Г.), Республиканской научно-технической конференции "Вопросы развития технологии, оборудования и автоматизации кузнечно-штамповочного производст--г," (г.-Тула,- ! ЧКО г.)1 Всесоюзно"! Совещании секции МИОМ "Новые технологические нрскнтсы магии!но-импульсксй обр-Кптки'. оиурУдоздтпгс :г Ш!СТр)'МС!П" (¡. !<>Й(П.!!Иев, 1ОО0 г V ЙГСрЛГ'.Ч!ЙСКС.Й члучио-течниисскоП конференции "ТчГ:1 ¡емтм^еское м ."■■:!;:".нр'жччие ■'рхполо! пческих процессов сбработ* мзлеригпов даплернгч" (г. Л.-'пч!. IРОО г.), М.'жпучрлпдном на>чно.-тгхиипеском симпозиуме "Механика и технология в процессах фор'.ччпм.'.чепкя с лчлгоч [!."ч>")1<ч|'ск.'>г) л^фог'пкии" (г Ппг-л.

19°"' г). Сп'.'мес''мо1" сссс1!" Ч 'Л !н'рспек1ип1гчг гехчопо-

г-и! (г. Тулз, Г?07 г), "Итоги р,ичит1'я ме-

•••ханикк ь Туле (г. Ту:!2, 5Я.9? г.), а гдг*-<; ил етегод!"."- гч> чнп-тскии«<?скнх конференциях професссрёко-пренодаваIелг.ского состава" Тульского-госу-'!"Р " ,1;;?,"гч,о ''.'г'г: рсч {! 077- •. ) - •

Публикации. Материалы проведеппых исследований огрх^г'!.'; к ' печатных работах"(г. том числе 2 монографии в соавторстве).

Слчукп р.'. и ;е-,с;ч;р;;;т!я. плйота состоит

из введения, семи разделов, заключения и общих выводов по работе, сип-ска'литературы И приложения. .Диссипация изложена на 125 страницах

машинописного текста, содержит 167 рисунков, 11 таблиц и 317 наименований библиографического списка. Общий объем работы - 446 страниц.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе проблемы, ее научная новизна, практическая ценность работы и кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первом разделе проведен обзор существующих методов анализа процессов ОМД. Отмечено, что вопросы листовой штамповки, теории пластичности и механики деформируемого твердого тела а также методы анализа процессов ОМД рассмотрены в работах А.А.Ильющина, А.Д.Томленова, М.В.Сторожева, Е.А.Попова, С.И.Губкина, Г.А.Смирнова-Аляева, Е.П.Унксова, Л.М.Качанова, Н.Н.Малинина, Л.А.Толоконникова, Ю.Г.Калпина, Г. Д. Деля, А.Г. Овчинникова,: Ю.А.Алюшина, Ю.А.Арышенского, А.М.Дмитриева, Р.Хилла, Э.Томсенаг Щ.Кобаяши и других исследователей. В работах этих ученых разработаны и усовершенствованы методы анализа процессов пластического формоизменения, даны их приложения к анализу деформирования листовых и цилиндрических заготовок.

Современный высокоскоростной метод магнитно-импульсной обработки металлов и моделирование процессов МИШ рассматривались в работах И.В.Белого, В.АХлущенкова, Е.Г.Иванова, В.Н.Кислоокого, С.П.Яковлева, В.Д.Кухаря, В.С.Мамутова, Б.А.Щеглова и других ученых.

Анализ методов решения технологических задач теории пластичности показал, что упрощенные решения, полуенные на основе известных в теории ОМД гипотез, хотя и дают простую оценку деформирующего усилия, не позволяют выяснить полную картину напряжений и деформаций в отдельных частицах с учетом истории нагружения тела. Получить же аналитическое решение без упрощающих предположений часто невозможно из-за сложности технологических задач. Поэтому необходимо использовать численные методы, в частности метод конечных элементов (МКЭ).

Преимуществом МКЭ является простота, единообразие и полная автоматизация процесса вычислении, возможность получения решения задачи с заданной степенью точности и возможность изучения истории нагружения деформируемого тела с учетом реальных граничных условии процесса и истинных свойств материала. С помощью МКЭ удается без трудоемких натурных эаснерямснгор моделировать весь процесс обработки на ЭВМ и, таким образом, оценить влияние на параметры заготовки различных факторов и условий формоизменения. Программы, реализующие процедуру МКЭ на ЭВМ, могут быть усовершенствованы без принципиальных изменений по мере накопления новых опытных данных о свойствах металлов при различных режийах деформирования. Значительный вклад 1

разработку различных вариантов МКЭ, ориентированных на решение технологических задач, внесли отечественные ученые В.М.Сегал, Г.Я.Гун, А.С.Сахаров, Е.М.Морозов, ГЛ.Свирид, Э.С.Макаров, И.К.Романов и др.

Из результатов анализа литературы следует, что совершенствование существующих технологических процессов и появление новых требует развития методов расчета и моделирования процессов ОМД. В частности отмечено, что из-за отсутствия теоретических рекомендаций многие технологические операции МИШ осуществляются недостаточно эффективно, что ставит задачу более глубокого и научно обоснованного определения параметров процессов МИШ, включая исследование напряженно-деформиросаццого состояния .в течении всего процесса формоизменения. Недостаточно изученными остаются операции формовки заданных профи' лей, глаййггИо-ттулвсной штамповки тшенхлетшх трубчнтых деталей из анизотропного материала и сборки соединений с Зпдглишми свойствами.. Наряду с высокоскоростными требуют дальнейшего развития традиционные процессы листовой и объемной статической штамповки, особенно с учетом сложной формы заготовок и свойств материала. Сохраняется необходимость и В дальнейшем совершенствовании методик расчета, так как V/ в МКЭ й в тех областях, для которых ведется расчет, все время возникают новые идеи.

^ Сказанное обуславливает следующие основные задачи диссертации

]. Создание основ теории формоизмепеш!« материалов при динамическом и статическом нагружении с учетом анизотропии материала, сложного поведения при высоких скоростях деформации, контактного взаимодействия с инструментом, трения на контактных поверхностях и т.д.

2. Экспериментальное изучение свойств материалов при высоких скоростях деформации , и получение опытных данных для разработки уравнений состояния, которые можно использовать при анализе высокоскоростных процессов ОМД.

3. Разработка эффективных методов расчета полей скоростей и напряжений для анализа новьтх высокоскоростных и-статических процессов формоизменения с учетом слсжпсго реологического поведения материала.

4. Анализ ряда перспективных технологических процессов высокоскоростной и статической штамповки (шгшгшо-импульсная обработки толстостенных труб из анизотропногоМатериала, формирования внутренних полостей со сложной формой поперечного сечения, штамповки тонкослойных заготовок, сбъёмного изотермического деформирования, сборочных операций) с целью создания методологических основ проектирования данных процессов..

Во втором разделе изложены общие принципы построения Математических моделей технологических процессов ОМД, получены основные

зависимости и уравнения для анализа задач динамического л статического формоизменения с помощью МКЭ на основе вариационных принципов теории пластичности.

При построении численных решений динамических технологических задач теории пластичности приняты: уравнения равновесия в форме вариационного уравнения Лагранжа, которое с учетом принципа Даламбе-ра имеет вид

(1)

У У

где «^-.интенсивность напряжений, - интенсивность скоростей деформаций, V,-, у;, - компоненты векторов скоростей перемещений, ускорений и внешних сил, р - плотность материала, V и 5 - объем и часть поверхности тела в деформированном состоянии; зав1(симостн для скоростей деформаций и скоростсй'перемещений у,-

(2)

условие несжимаемости

£,= 0; (3)

определяющие уравнения в форме Сеи-Венанэ - Леви-Мизееа

; г^ХгШиКЬ' ' (4>

где ху - компоненты девнатора напряжений; зависимости для ускорений и скоростей перемещений

V, = . ■ (5)

Связь между 4и 11 0и определяется уравнениями состояния, общая формулировка которых имеет вид

сг„ =сти(ги,си), . (б)

где еи интенсивность деформаций.

Граничные условия принимаются в виде

У/ «V* на ■ ' ; • (7)

/;=/? »« \ (8) ' г*

где Уу - заданные скорости, у,- - заданные поверхностные напряжения,

• Бу, Б{- части поверхности тела 5\ . . -

На поверхности.контакта Инструмента с деформируемым материалом зрение учитывается по закону Прапдтяя

где m - коэффициент трения по напряжению текучести, as - сопротивление материала пластической деформации. Величина crs принимается ос-редненной, а коэффициент m постоянным по поверхности контакта.

Начальные условия, определяющие исходило конфигурации» тела в момент времени t = tо, задаются следующим образом

*/-*А*О«\У0.-О>'о) 0 = 1,2,3). (10)

Основой для построения конечноэлементных выражений служи!1 функционал полной мощности, который с целью удовлетворения условшо несжимаемости дополняется стабилизирующим членом по методу функций штрафа. С учетом такого подхода модернизированный функционал

Примет следующий вид;, • •........ ...

- для динамической задачи

J-K&JF + Û UufJVrp^} v> + | rJv, Us- j/iv^i (11) Y v Y -S, Sf

- для статической'задачи. ,

J= iau^ciV + ai(^dF+ ¡4\vSi\dS- ¡f^dS, (12)

Y Y ■ S, Sf

где a - параметр штрафа, a )2 dV - стабилизирующий функционал.

v _ -, ' v ; -

Показано, что для действительного поля скоростей модернизированный функционал совпадает с исходным, а при приближении поля скоростей к действительному, значение модернизированного функционала выше. Поэтому на него может быть распространена теорема о минимальных свойствах действительного поля скоростей.

Отметим особенности построения конечиоэлементного решения в более сложном случае динамической задачи. Применение процедуры ко-НечНоэлементной дискретизации и минимизации по компонентам скоростей в узлах конечных элементов (КЭ) к выражению (И) приводит к системе обыкновенных дифференциальных уравнений для КЭ в аиде.......

" (13)

al

где [Ai]-матрица массы,, {v} - вектор-столбец узловых, скоростей КЭ, {F-} -Еектор-столбец правой части, [#] - матрица, состоящая из матрицы, обеспечивающей несжимаемость элемента, и ¿Матрицы жесткости , которая р данном случае имеет Вид

[Км]=Сф)\аи\в\ггде [й] = И-)1 -

- v - - '<• '

матрица дифференциальных операторов, [о] - квадратная симметричная

матрица, которая, например, при решении задач плоской деформации в частном случае применения треугольных симплекс-элементов имеет простейший вид.

"10 0"

[D]= 0 10. (14)

0 0 1/2

Решение системы дифференциальных уравнений (13) осуществляется на основе МКЭ с использованием линейной аппроксимации функций {v} и нагрузки на каждом временном конечном элементе. Для минимизации образовавшейся в результате аппроксимации невязки составляется уравнение по методу взвешенных невязок: \WpRdt = 0 (у? = 1,2,3,...), где

(

Wp- весовые функции, отличные от нуля только в пределах рассматриваемого временного КЭ, R - дифференциальное уравнение задачи. Решение уравнения метода взвешенных невязок, осуществлялось с применением методов кодлокации п Галеркима. В первом случае в. качестве весовой функции выбиралась дельта-функция Дирака, что эквивалентно тому, что невязка принимается равной нулю р ряде заданных точек (точки коллока-ции). Во втором случае в качестве весовой функции принимались функции формы конечного элемента, на котором строилось, решение дифференци-' алыюго уравнения. В случае линейного элемента таких функций две, что приводит к двум независимым схемам решения. В окончательном виде решение уравнения (13) fio методу коллокаций сводится к следующей системе алгебраических уравнений

J_ htn

(15)

Показано, что уравнение (15) является универсальным и при определенном выборе точек коллокацин (# = 1/3 н д —.2/3) сводится к уравнениям, построенным но методу Галеркина. Кроме юго, выбирая надлежащим образом точки коллокации, получим из (15) ряд известных разностных схем решения дифференциального уравнения (-13). По указанным причинам уравнение (15) было принято за основу при разработке алгоритма решения динамической задачи. . •

Система алгебраических уравнена!) (15) является нелинейной в силу нелинейного характера приведенной выше матрицы жесткости элемента. Для ею решения разработан метод линеаризации, осповашшй на итерационной процедуре вычислений. При этом, ректор искомой скорости на иге-

рационном шаге решения представляется состоящим ИЗ двух частей

~ {V}'4 + {Ау}' , где {у}'-1 - вектор скорости на предыдущем итерационном шаге, .{Др}' - поправка к вектору скорости на текущем итерационном шаге. После подстановки этого выражения в (15) и разделении по переменным {у}'"' и {Ау}' получим систему линейных алгебраических уравнений относительно поправок к вектору скорости в следующем виде

- . . .. ......... М'-'Н'ИдГ1, ' (16)

где [л]'-1 - квадратная симметричная Матрица и {в}'-1 - вектор правой части, которые строятся с учетом известного решения на предыдущем итерационном шаге решения. Итерационное решение системы уравнений

(15) зманни^1сй"йр"й"'1щп0яиеняи-. условия ^ где

общее число варьируемых скоростей в узлах КЭ, ад - сколь угодно малая наперед заданная величина.

. Разработан также и второй способ линеаризации на основе неитерационной схемы решений.

Для построения конечноэлементного решения статической задачи использовался функционал Полной мощности (12). Подход к построению решения остается прежним, за исключением блока формирования и решения системы дифференциальных уравнений. При решении системы нелинейных алгебраических уравнений применяется тот же метод линеаризации.

При расчете напряженного состояния по известному деформированному применяются уравнения Левй-Мизеса, с помощью которых вычисляются компоненты девиатора напряжений. Для вычисления распределена среднего напряжения в области решения задачи предложена и реализована схема расчета, йспоЛбЗуюшая ту же конечноэлементиуш дискрета-, зацию по пространств^', которая использовалась при определении деформированного состояния. При этом, если изменение величины среднего напряжения, в плоскости р'еШешш при движении от точки а к точке Ь пред-

'• . ' ' ' ......Ь '

ставить в виде линейного интеграла, то можно записать щ -сга + ¡(¡а,

где (Т(,- искомое среднее напряжения в точке Ь; <та - известное среднее напряжение в точке, а, С использованием уравнений движения (и случае статической задачи используются уравнения равновесия) и выражений для напряжений а у + 8ца ищется полное приращение среднего напря-

жения. Далее для удобства вычислении вводится локальная система коор-

- дннат, связанная с конечным элементом, н вычисляются члены вида Л,- и

. В окончательном виде получим >

+ (17)

где ¿¡к - элементы матрицы Якоби, равные , Яц - элементы мат-

рнЦы, обратной к матрице Якоби. При проведении расчетов точки а и Ь связываются с узлами КЭ и расчет проводится от узла к узлу вдоль стороны КЭ. Для начала вычислений требуется знать величину а в какой либо одной точке (узле) области. Как правило, в технологических задачах на части поверхности известно значение напряжения, либо имеетмся граница, свободная от нагрузки, где можно определить величину сг. На основе изложенного подхода получены конкретные выражения для расчета средних напряжении при решении .динамических и статических плоских и осесим-метричных задач.

Решение анизотропных задач строится на основе теории Р. Хилла для ортотропного материала. При конечноэлементном решении анизотропия учитывается с помощью специальной матрицы, которая подставляется вместо матрицы [о]. Эгн матрицы получены для случаев объемного напряженно-деформированного состояния, плоской деформации с использованием параметров анизотропии н показателя анизотропии для плоской деформации, а также для случая плоского напряженного состояния.

Изложенное явилось основой для создания вычислительных программ, пригодных для решения широкого класса технологических задач теории пластичности, а именно динамических н статических задач в плоской и осесимметрнчно'й постановке. Примеры расчетов, оценка сходимости и точности численных решений, а также сопоставление между собой

- результатов, полученных с помощью различных методов, содержатся в следующих разделах диссертации.

В третьем разделе изложена методика экспериментальных исследований свойств материалов при динамическом нагружении, описана экспериментальная установка, техника проведения испытаний; последовательность обработки результатов и построения динамических диаграмм деформирования. • ...'"•

Эксперименты проводились для образцов из меди МВ и М2 в диапазоне скоростей деформаций 103..,104 с"1, характерном для операций маг-' нгггно-лмпульсной штамповки. Применялся вариант методики 'Кольского для разрезного стержня Гопкинсона (РСГ), позволяющий проводит!) испы-. тания свойств материалов при высокоскоростном сжатии образцов. Ос-

новными преимуществами метода испытаний в такой постановке являются простота изготовления образцов к самого стержня, точное определение значительных (десятки процентов) деформаций образца, исключение изгиба образца при проведении испытаний, корректное теоретическое обоснование явлений, происходящих в системе упругий стержень - образец -упругий стержень. Выполнено теоретическое обоснование метода, разработана методика практической реализации экспериментальных исследо- -ваний.

Длч реализации метода РСГ.использовалась экспериментальная установка, которая включает в себя пневматическое нагружающее устройство с системой управления, комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры и разрезной стержень Гопкинсона. РСГ, состоящий из двух метровых стержией диаметром 10 мм из стали с высоким пределом текучести, закрепляется в специальных подшипниках и цензрйруетс^ длч рбеспеЧс-* ния соосности стержней между собой и летящим ударником. Для обеспечения в максимальной степени однородности напряженно-деформированного состояиня образцов последние изготовлялись в виде цилиндров с отношением высоты к диаметру, равным 0,5. Такое соотношение размеров способствует также минимальной ошибке в измерении напряжений, привносимой силами инерции. Торцы образцов непосредст- ' ренно перед.нагружением смазывались тонким слоем смазки. Для охвата всей области скоростей деформации ударник выстреливался с различными начальными скоростями, причем, для обеспечения достаточной степени деформации при меньших скоростях использовался более длинный ударник. В экспериментах с образцами цз мели MB и М2 для получения скоростей деформаций порядка 1000 и 8000 с"1 использовались ударники из стали 30ХГСА длиной 300 и 100 мм соответственно. При этом, чтобы поддержать скорость деформации постоянной в некоторых экспериментах ударник выстреливался не непосредственно по торцу передающего стержня, а Через вставку из материала с упрочняющейся диаграммой (Использовались вставки из меди). .....

Конечной целью применения метода РСГ является динамическая _ диаграмма с известной историей изменения скорости деформации. Цепочка получения динамической диаграммы довольно трудоемка, поэтому для обработки данных примешлась ЭВМ.

Достоверность получаемых результатов обеспечивалась тщательной ' подготовкой и. проведением экспериментов, периодической калибровкой измерительных каналов и проведением серий из трех-четырех экспериментов в номинально одинаковых условиях' с дальнейшим осреднением результатов. Контроль точности калибровки осущестйляяся путем сравнен ния амплитуды нагружающего импульса с интенсивностью возбужденной

волны, рассчитанной по одномерной теории, на основании известной скорости ударника. Кроме того, в каждом опыте сравнивалась фактическая остаточная деформация образца с рассчитанной по экспериментальным данным.

По результатам проведенных испытаний построены математические модели сопротивления деформации меди МВ и М2, которые использовались в дальнейшем при моделировании конкретных технологических процессов. ■ '

В четвертом разделе приведены результаты исследований процессов раздачи и обжима толстостенных трубчатых заготовок из анизотропного материала при магнитно-импульсном деформировании.

Деформирование толстостенных трубчатых заготовок с учетом динамичности процесса, сложного характера изменения скорости деформации в течении всего периода деформирования оказывает влияние на поведение материала, его структуру, интенсивность и степень упрочнения по всей толщине заготовки.

При построении Конечноэлементной модели процесса определялось влияние числ^ конечных элементов, способ разбиения на КЭ и размеры временных конечных элементов на точность получаемого решения,

Получены соотношения для учета анизотропии материала трубчатых заготовок, которые рассматриваются как ортотропные тела, главные оси. анизотропии которых направлены в радиальном, окружном и осевом направлениях. При построении уравнений пластического течения принималось условие пластичности Р.Хилла с учетом направления главных осей анизотропии. В случае материала с цилиндрической анизотропией матрица, учитывающая анизотропию материала прнконечноэлемешном расчете задач плоской деформации, принимает следующий вид

* ГЙ1 Аг Аз' ■

(о]=г- Л22 £>25 , . - . ' (18)

[сцм. Рз з

где коэффициенты матрицы, выраженные через отношения параметров анизотропии, записываются с помощью следующих соотношений;

С

У'

/>22 =

Я

в Н + Н F Е Г

и F, G, H, L - параметры, характеризующие текущее состояние анизотропии и определяемые на основании эксперимента.

Если используются характеристики анизотропии материала в условиях плоской деформации С и Л, которые связаны с параметрами анизотропии соотношениями С = i - (L(G + H))j(2{FG + GH + HF)) и R2 = 1/21, то коэффициенты матрицы ( 18) принимают вид

Al = ®22 = 1 -С; û12 = D[3 = D23 = 0; D33 = 0,5. При постановке задачи в декартовой системе координат направление главных осей анизотропии в каждом КЗ повернуты относительно осей декартовых координат на угол (р, который для каждого КЭ определяется, как угол между лучем, соединяющим начало координат и центр тяжести. КЭ. С учетом поворота главных осей анизотропии относительно декартовых координат, коэффициентыматрицы (13) npiUiyï следующий вид:

Dm = cos4 ç> + Q sin4 (з + ft sin2 2$з ; £>22 =sin4ço + — cos4 + sin2 2<ï> ; F F

».33=^1+ f]sin22<a + |cp52 2(0 ; D12=^l + |-4e1jsin22<3;

1/ 2 G 2 } ■

.¿^3=-lc6s (p-— sin <p-2Q\cos2cp \sm2(p-,

£>23 = i^sin" (p - ~cos2 q> + 2Q\ cos2^)jsin2ip;

3 , Я) .он

Выражение для аи примет вид аи = а-рд Л--I ~ \ ' + ^ + '

где сг-рд " ПРеДеЛ текучести при растяжении образца, вырезанного из трубчатой заготовки в окружном направлении.

С учетом сформулиришщнрй постановки решались задачи раздачи и обжима импульсным'магнитным полем анизотропных трубчатых заготовок из алюминиевого сплава АМг2М. Показано, что неучет анизотропии для данного материала: приводит к ошибке и при раздаче, н при обжиме по перемещениям порядка 30%, по направлениям - порядка 10-20

Проведенные расчеты показали, что в процессах магнитно-импульсной раздачи й обжима толстостенных тpyбчatьпc заготовок из анизотропного материала, распределение радиальных и окружных напряже-

ний существенно различно ПО толщине заготовки. Характер этих распре-делений.сильно меняется в процессе всего периода деформирования.

Сопоставление перемещений, скоростей перемещений, длительности процесса деформирования, достигнутой степени деформации, максимальных за весь период деформирования значений радиальных и окружных на внутренней и внешней поверхности заготовки напряжений при различных значениях показателя анизотропии С, различных значениях Механических. характеристик материала и режимах работы магнитно-" Импульсного оборудования показало, что и при раздаче и при обжиме значения всех перечисленных Величин возрастают приблизительно в 1,4 г 3 раза с ростом величины С в диапазоне от -0,4 до 0,4.

В пятом разделе выполнено математическое моделирование и проведены экспериментальные исследования формоизменяющих операций, Протекающих в режиме динамического нагружения: Исследования выполнялись по заказу промышленности.

В первой части; раздела рассмотрено формирование продольных каналов различного поперечного сечения внутри толстостенных заготовок методом магнитно-импульсного обжима на оправке, которая размещается внутри толстостенной трубчатой заготовки. Математическое Моделирование с помощью разработанного конечноэлементного подхода позволяет без трудоемка лабораторных исследований указать лучшие режиму работу магнитно-импульсного оборудования М реализовать на практике ука^-- зднные операции штамповки.

Впервые, с помощью разработанного варианта М1СЭ решены задачи формирования продольных каналов квадратной, прямоугольной с различным отношением размеров сторон, клиновидной и усложненной формы в виде шестиугольника, эллипсе, четырехугольника с вогнутыми сторонами. В процесре разработки математической модели решены вопросы выбора необходимого числа конечны* элементов и способа разбиения на элементы для достоверной передачи формы канала, особенно в области формирования углов, учета кинематически граничнью условии по схемам скольжения и прилипания. Многократного . характера нагружения (многоразрядная штамповка) с промежуточным отжигом материала, а также выполнены анализ сходимости разработанного варианта МКЭ для решения динамической задачи и проверка точности путем сравнения с результатами экспериментов.

Расчет процесса формирования канала выполнялся ддя материала медь МВ, уравнение состояния которого с учетом степенного и скоростного упрочнения получено В проведенных и описанных в третьем разделе экспериментальных исследованиях. В процессе моделирования установле-

ны оптимальные с позиции минимума числа технологических циклов на-гружения с межоперационным отжигом параметры магнитно-импульсной штамповки.

Опыт проектирования технологических процессов МИШ покатал, что эффективность этих процессов зависит не только от исследуемых параметров в отдельности, но и от их сочетания между собой, взаимодействия. Поэтому математическая модель формирования канала прямоугольной формы била дополнена регрессионной моделью, построенной на ос" нопе машинного эксперимента, что позволило перейти от частных эмпирических зависимостей к обшей, дающей математическое шшсашг; картины процессам всей сложности и взаимообусловленности.

. В^ргкруемммн параметрами в процессах формовки каналов являлись: Частота и декремент колебании раХрддх&го TOW,' пткотенч«?- рнгме-ров сторон канала и относительная толщина стенки заготовки, при условии неизменности энергии разряда магнитно-импульсной установки. В качестве исследуемого фактора рассматривалась величина отношения площади, на которую уменьшилась площадь зазора между заготовкой и оправкой к первоначальной площади зазора между ними. По указанной величине можно судить о степени сформированности канала после очередного импульса нагруясення.

Fei ресс;то1пи.тг модели построены для двух режимов работы МИУ: отсечки первого импульса давления от последующих и отсечки по влечении заданного времени нагруження. Полученные полиномиальные зависимости от варьируемых параметров позволили разработать рекомендации по выбору значений режимов работы МИУ и геометрических параметров заготовки при проектировании технологических процессов формирования продольных каналов при изготовлении деталей для волноводных секций.

Экспериментальные исследования процесса формирования каналов квадратной и прямоугольной (с. отношением сторон, равным 1; 1,7; 2,4) ' формы Проводились на МИУ-Т2 и МИУ-20/2 ХПИ, реализующих различные частотные режимы обработки (б, 12 и 18 кГц). Для экспериментов была изготовлена специальная технологическая оснастка и индуктор, представляющий точеную., спираль (12 витков) из бериллиевой бронзы БрБ2 с прямоугольным сечением витка (бх30 мм2), внутренним диаметром 22 мм и длиной рабочей зоны 96 мм. Использовались цилиндрические заготовки ■ из меди MB длиной 50 мм, внутренним диаметром 10 мм и наружным диаметром 20 мл«. Материал заготовки, ее размеры и соотношения сторон формируемого канала выбирались с учетом соответствия реальным изделиям^ ' - - ' - ■

Экспериментальные исследования проводились совместно с математическим моделированием, что ноззолпдо, во-первых, выполнить всесто-

роинего проверку разработанных математических моделей, во-зторых, с учетом результатов теоретических исследований разработать технологический процесс, который впоследствии был внедрен на предприятии.

Во второй части раздела исследовались формоизменяющие опера- . цнн, осуществляемые в процессе получения сборочных соединений методом магнитно-импульсного обжима.

Рассматривалось моделирование процесса получения сборочного соединения типа "цилиндр-корпус" с заданным усилием разъединения Деталей в процессе функционирования. Проведенные предварительные эксперименты на собранных узлах из алюминиевых сплавов показали, что лучшая стабильность усилия, разьединения деталей достигается с применением кольЦевой конической канавки, которая и была использована при разработке технологического процесса. На усилие разъединения деталей при этом оказывают влияние длина образующей канавки, угол конуса канавки, величина коэффициента трения, диаметр трубы и толщина ее стенки.

При математическом моделировании рассматриваемой сборочной операции решались следующие задачи. .

1. Определение осевого усилия разъединения собранных деталей в зависимости от геометрии области сопряжения и трения иа контактных поверхностях, и обратная задача - по заданному усилию разъединения Собранных деталей определялась геометрия зоны соединения. Расчет проводился с использованием разработанных канечнрэлементных соотношений для решения статической осеснмметричной задачи.

2. Расчет давления ИМП л энергетические параметры установки, обеспечивающие сборку узла при выбранной геометрии зоны сопряжения. При этом решалась оссснмметричная динамическая задача обжима конце: вой части трубы в коническую кольцевую Канавку с использованием соответствующих разработанных конечноэлемецтпых уравнений.

Результаты расчетов процесса обжима трубчатой заготовки в кбль-цевую канавку выявили неравномерность механичееких свойств трубы по длине обжатого участка, образовавшуюся в результате неравномерной деформации материала, что оказывает влияние на величину усилия разъединения. Это потребовало проведения корректировочных расчетов на первом этапе моделирования с учетом установленной неравномерногти механических свойств. • ' -

Разработанная методика применялась при проектирований по заказу промышленности Технологического процесса сборки узла типа "цилиндр-дно" с усилием разъединения 20 ±5 кН. Цилиндр, изготовленный и! алюминиевого сплава АМг5М, имеет внутренний диаметр 71 мм И толщину стенки 2 мм. Массивное дно изготовлено из алюминиевого сплава АЛ32.

Расчеты показали, что длина образующей канавки должна быть !0 мм, угол канавки - 10° при заданном значении коэффициента трения 0,07.

Сборка производилась на установке МИУ-20-2. Испытания па разьединение проводились на разрывной машине. Р-5 с записью диаграммы "усилие-путь". При этом установлено, что расчетное значение энергии накопителя установки отличается от действительного на 7,4 %, а величина усилия разьединения па 5 % при высокой стабильности его значен»«.

Другой тип сборочной операции расс.мафнвался при получении неразъемного, соединения фланца с цилиндрическим корпусом с заданным усилием натяга. Оценивалось влияние параметров даилецня ИМИ, геометрических размеров фланца н корпуса на процесс сборки при заданной величине Натяга. Покатано, что существуют такая частота разрядного тока, при которой требуется минимальное значение давления ИМГ1 для обеспечения заданною натяга. Значение этой частоты утглнчииасиа с ростом величины декремента колебаний и уменьшается с ростом предварительного зазора между собираемыми деталями. Исследовалось также, как влияют геометрические размеры фланца на процесс сборки. Установлено, что при постоянной массе фланца давление, необходимое для сборки, возрастаете увеличением ширины флаНца. . •

Полученные результаты использовались при разработке технологии установки крепежных фланцев на корпуса волноводов по заказу промышленности. ........*...... ' ' *...........'.„. .

Н шс'сщм riiu.ic.ie рассмотрены процессы осадки тонкослойных заготовок из изотропною и ашпофошюго мак-риалов.

При моделкроиашш указанных процессов использовался вариант МКЭ, разработанный для решения плоских статических задач, который был сущестиенно модернизирован. При этом введен и рассмофение призматический конечный элемент, высота которого раина текущей высоте осаживаемого слоя металла. Предположение о Тим, что плоскости, параллельные поверхности плана заготовки, не искажаются в процессе, деформирования,'позволяет сфсрму/ИфОРять за чачу а двумерной постаноы» с учетом известной скорости деформации а направлении точшины слоя, которая не варьируенн И определяется на каждом шаге решения по известной скорости сжатия плит. При этом, соответствующим обратом модернизированы методики вычисления напряжений, учета трения на контактных йоверхностзх инструмента и заготовки и учета анизотропии материала, который предполагается ортотрогишм. Результаты решения,задач осадки изотропных тонкослойных, квадратных п плана заготовок сравнивались с результатами решения аналогичных 1здач, и результатами экспериментов, ¡трньедсиными в работах Y. Kitaharn и R. Mori. Сопоставление производи-

лось по формоизменению, усилию осадки с различными коэффициентами трения, распределению напряжений нормальных (в направлении оси в направлении осей X и У. Сравнение показало хоррщее совпадение результатов при применении различных подходов.

С использованием разработанного варианта МКЭ исследовалось формоизменение заготовок из анизотропного материала квадратной, прямоугольной и Н-образной формы при отсутствии Трения и в случае предельного трения (использовался закон трения Прандтля), при осадке до больших степеней деформаций (80% по высоте заготовки). Установлен характер изменения полей напряжений, скоростей течения, деформаций, и связанные с ними локальные характеристики механических свойств материала, которые сильно измеряются как в пределах пластической области, так и во времени обработки, особенно в зонах интенсивного течения с большой кривизной траектории деформаций. Показано, что картина формоизменения при значительном трении на контактных поверхностях значительно сложнее, чем та, которая Предсказывается на основе применения упрощенных кинематических схем течения материала. Таким образом, разработанный вариант МКЭ позволяет не только определить локальные характеристики процесса формоизменения при осадке тонкослойных заготовок, но и оценить справедливость допущений, положенных в основу некоторых упрощенных подходов к решению аналогичных задач.

Выполнен анализ процесса осадки квадратной в плане заготовки из анизотропного материала, результата которого показали, что анизотропия материала существенно влияет на деформационные и силовые параметры процесса. Расчет осадки квадратной заготовки из сплава АМцАМ с учетов и без учета анизотропии мехашпеских свойств материала показал разницу результатов по перемещению до 10 % при степени осадки до 40 %.

Впервые с помощью МКЭ подучено решение задачи осадки квадратной ортотропной листовой заготовки в круглой матрице с учетом направления вырезки заготовки из анизотропного листа. На основании данных р величине коэффициента анизотропии- г в различных направлениях в плоскости листовой заготовки, полученных в результате экспериментов с образцами из меди М1, вырезанных в различных .направлениях (0,45 и 90° по отношению направлению прокатки) в плоскости листовой заготовки задача формулировалась б двух вариантах. В первом варианте - направление заготовки совпадает-с направлением минимального коэффициента анизотропии (заготовка ориентирована направлением /^¡ц па сторону - в рассматриваемом случае в направлении прокатки. Во втором - направление сторон заготовки совпадает с направлением максимального коэффициента анизотропии, т.е. заготовка ориентирована направлением гтах.на сторону (для меди М1 гП13х имеет место в Направлении 45° по отношению

к направлению прокатки). Вычисления проводились до тех гго'р, пока заготовка полностью не повторит форму матрицы. Расчеты показали, что показатели деформированного и напряженного состояния выше, в среднем, на 5% в случае ориентации заготовки направлением гтах на сторону. .

В седьмом разделе рассмотрены процессы объемной осесиметрнч-нон изотермической статической штамповки. Решение задач объемной штамповки дает возможности определить зависимость напряжений и деформирующего усилия от времени и размеров заготовки, что в свою очередь, обуславливает выбор мощности оборудования и дает исходную информацию для проведения расчетов на прочность элементов машин для обработки давлением. .

Из-за значительной неоднородности напряжённо деформированною состояния в задачах объемной штамповки для получения численного решения требуется уточнить параметры расчетной конечноэлементной модели. С этой целью выполнялись численные эксперименты по определению достаточного количества элементов, способам разбивки на элементы и по выбору параметра, обеспечивающего выполнение условия несжимаемости. Определялось как 'влияют указанные параметры на такие характерные явления, как бочкообразование и переход боковой поверхности под штамп. Сходимость разработанного варианта МКЭ. (расчеты выполнялись при различных числах КЭ и шагах по времени) и достаточно хорошее соответствие теоретических и экспериментальных данных при исследовании конкретных процессов осадки стальных образцов при температуре 800° С подтверждают достоверность результатов численных расчетов.

Исследовались процессы осадки образцов из инструментальных сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП, уравнения состояния которых получены в виде полиномиальных зависимостей сопротивления пластической деформации от температуры и скорости деформации из экспериментов, которые проводились в диапазонах .Температур (750-850 °С) и скоростей деформаций (0,000!...0,67 с'1), характерных ДЛЯ сверхпластического деформирования указанных материалов.

• - . Установлено,, что с точки зрения энергосиловых затрат более выгодно деформирование, протекающее в условиях, когда скорость деформации не выходит из установленного диапазона для сверхпластического деформирования указанных материалов. Установлен закон нагружения, при котором реализуются данные условия. При этом, усилие деформирования на 30: % ниже, чем при деформировании с постоянной скоростью движения Инструмента.' .' ' ' " ■ •

Проведенные исследования дают информацию для создания автоматизированных Систем управления процессом объемного осеснчетричногс

формоизменения в промышленных условиях, в частности, систем, реализующих такой закон изменения давления во времени,, при котором скорость деформации отдельных частиц заготовки поддерживается в заданных границах. . .

Приведенные результаты показывают широкие возможности разработанных' вариантов метода конечных элементов для решений динамических и статических плоских и осесиметричных задач теории пластичности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе получили развитие теоретические основы нестационарных процессов деформирования заготовок при динамическом н статическом нагружешш и созданы на их основе научно обоснованные методы анализа, обеспечивающие расширение возможностей и повышение эффективности технологических процессов ОМД. •

Основные результаты и выводы состоят в следующем:

1. Разработаны варианты конечноэлементного метода для анализа технологических процессов ОМД, реализующихся в условиях динамического и статического нагружения при плоском и осесимметричном напряженном и деформированном состояниях в рамках жесткопластическон модели материала. Разработаны два способа решения нелинейных алгебраических уравнений на основе итерационной и нентерационной схем расчета В первом случае проще учесть сложные граничные условия при выполнении итерационной процедуры расчета. По второй схеме расчет выполняется быстрее и ее можно рекомендовать для решения задач с простыми граничными условиями. Применение метода коллокадий для решения.системы дифференциальных уравнений позволяет при соответствующем задании точек кодлокации реализовать либо одну из известных разностных схем расчета, либо метод Галеркииа, Что позволяет оперативно реагировать, если нарушается устойчивость процесса вычислений.

2., Получены основные уравнения пластического течения ортотроп-ного материала, позволяющие использовать их при конечноэлементном анализе процессов ОМД. , .

3. Создан комплекс вычислительных программ на основе разработанных вариантов МКЭ с широким набором вычислительных и сервисных процедур, позволяющих автоматизировать подготовку исходны* данных задачи и представить результаты вычислений в графическом виде. Сравнение Полученных численных решений с экспериментами и результатами решений другими методами показало их хорошее соответствие..

4. Получены новые опытные данные о свойствах некоторых промышленных материалов при высоких скоростях деформаций, что является

основой для формулировки уравнений состояния при высокоскоростном деформировании материала;

5. Разработана конечноэлементная модель динамического деформирования импульсным магнитным полем толстостенной трубчатой анизотропной заготовки, применение которой'позволило установить следующие закономерности:

- распределение напряжений и деформаций значительно меняется

как по объему деформируемого материала, так и во времени обработки;

- при деформировании по схемам раздачи и обжима в условиях одинакового нагруження большие степени деформаций достигаются для материалов, у которых характеристика анизотропии С>0;

' - неучет анизотропии материала приводит к ошибке при оценке максимальных перемещении до 30 %, максимальных напряжений радиальных и окружных на внутренней и внешней поверхностях"Трубы - до 10-20 % в • Сторону завышения результатов для сплава АМг2М;

- с ростом показателя анизотропии в интервале -0,4...0,4 показатели напряженного и деформированного состояши материала возрастают в 1,4...3 раза в широком диапазоне изменения механических характеристик материала и параметров давления импульсного магнитного поля.

6. Проведены экспериментальные й теоретические исследования формирования внутренних продольных каналов, на основании которых получены следующие выводы: - ....... . .

- при многооперационной штамповке каналов квадратного сечения существует оптимальная -частота, при которой количество технологических циклон обработки минимально. При деформировании на установке МПУ-Т2 медных заготовок с отношением внутреннего радиуса к наружному, равным 0,5, значение оптимальной частоты обработки находится в диапазоне 15000...21000 с"1;

- важное значение имеет сочетание и взаимовлияние таких технологических факторов, как геометрические размеры исходных заготовок, отношение размеров старт фор.чируед?огс> канала, число та и декремент колебаний разрядного тока магнитно-импульсной установки (МИУ). Получены регрессионные .модели, учитывающие в ши.мопличние укачанных ' факторов при различных режимах работы МНУ;

- установлены оптимальные' режимы работы МИУ, позволяющие минимизировать неравномерность формоизменения при формировании каналов клиновидной формы по длине канала. Для исследованного материала из меди МИ значение рабочей частоты'МИУ составило 18000 с'1.

7. Разработаны математические модели и проведены исследования получения сборочных соединений типа "цилиндр-корпус" с заданным усилием ралсма при различных формах сборочных-канавок. Исследова-

ния показали, что лучшая стабильность усилия разъема обеспечивается канавкой конической формы. Получены зависимости усилия разъема сборочного узла от конструктивно-технологических параметров сборки электромагнитным обжимом с применением конической канавки. При друг'ом типе сборочной операции, связанной со сборкой фланца с корпусом из меди МВ и М2, установлены частотные режимы работы МИУ, при которых заданный натяг деталей осуществляется при минимальном давлении в диапазонах изменений частоты и декремента колебаний 5000...25000 -с'1 и 10000...35000 с"1 соответственно и заданном предварительном начальном зазоре между деталями в диапазоне 0,05...0,25 мм при значении натяга 0,042 мм. Оптимальные режимы составили по частоте 12000...15000 с"1, по декременту колебаний - 10000 с"1 при начальном зазоре 0,05 мм.

8. Разработаны математические конечноэлементиые модели процесса осадки тонкослойных изотропных и анизотропных заготовок, применение которых позволило установить следующие закономерности:

- неучет анизотропии дает погрешность в оценке максимальных перемещений точек на контуре заготовки порядка 10 % (на примере .сплава АМцАМ, для которого коэффициент анизотропии в направлении прокатки равнялся значению 0,28);

- с ростом коэффициента анизотропии (например, в направлении прокатки) в диапазоне 0,5...2,5 максимальное перемещение увеличивается на 24%;

- при осадке квадратной заготовки в круглой матрице существенное 'значение на величину максимальных напряжений и деформаций в направг лсниях середин сторон заготовки имеет ориентация стороны зато гонки з направлении 'максимального или минимального коэффициента анизотропии.

9. Па базе созданной модели осесиммегричного объемного статического деформирования в изотермических условиях показано, что деформирование с постоянной скоростью деформации приводит к снижению технологического усилия (например, для стали Р6М5 на 30 %).

10. Результаты исследований внедрены при разработке ряда новых н совершенствовании существующих технологических процессов, а также разработанные математические модели и программное Обеспечение использованы в практике инженерных расчетов в технологической подготовке производства па ряде предпршнии. Теоретические решения, разработанные математические модели и программное обеспечение внедрены,и используются в учебном процессе ТулГУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Талгшасп А.К., Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Проскуряков Н.Е., Се-ледкин Е.М., Нечипуренко ГО.Г. Магнитно-импульсная штамповка полых цилиндрических заготовок. - Тула: Репрошжс Лтд. 1998. - 238 с.

2. Селедкин Е.М., Гвоздев А.Е. Математическое моделироваиие процессов формоизменения заготовок. - М.: Академия проблем качества; ТулГУ, 1998. - 225 с. '

3. Моделирование свойств быстрорежущих сталей в температурно-скоростных полях / Гвоздев А.Е., Селедкин Е.М., Казаков М.В. под. ред. С.А.Головина. - Тула, 1998. - 105 с. .

4. Кузин В.Ф., Селедкин В.М., Кучинскнй С.А., Гасч« деформации вкладыша матрицы прямого выдавливания методом конечных элементов // Исслед. в обл. пластичности и обработки металлов давлением / ТулПИ. -Тула, 1978.-С. 47-53.

5. Кухарь В.Д., Селедкин Е.М., Вариант конечноэлементного подхода к анализу формоизменения в процессах магнит чо-импульсной штамповки - Тул. гос. ун-т - Тула, 1986. - 35 g..- Деп. в ВИНИТИ 10.11.86, № 442-86.

6. Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Селедкин Е.М. Влияние ориентации главных осей начальной анизотропии заготовки на силовые параметры золочения // Исслед. в обл. пластичности и обработки металлов давлением / ТулПИ. - Тула, 1986. - С. 8-11.

7. Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Селедкин Е.М. Исследование плоского пластического течения ортотропного материала методом конечных элементов. - Тул. гос. ун-т - Тула, 1987. - 38 с. - Деп. в ВИНИТИ 26.02.87, № I442-B87.

8. Кухарь В.Д., Селедкин Е.М. Решение задач магнитно-импульсной штамповки методом конечных элементов // Изв. вузов: Машиностроение. 1987. №12.-С. 101-106. :

9. Кухарь В.Д.; Селедктт Е.М., -Зырин A.A. Исследование магнитно-импульсного формообразования продольно оребренпых трубных загото-

' bök методом конечных элементов // Машины и процессы обраб. материалов давлением / ТулПИ, - Тула, 1988. - С. 95-100.

10. Селедкин Е.М. Свободная раздача продольно оребренных цилиндрических заготопок импульсным магнитным Полем. - Тул. политехи, ин-т - Тула, 1989. - 27 с. - Деп. в ВИНИТИ 23.05.89, № 3373-В89.

11. Яковлев С.П., Резников Л.А., Селедкин K.M., Оценка качества изделий, получаемых магшптго-импульснои' обработкой // Исслед. п обл. теории, технологии и оборудования штамповочного производства - ТулПИ: -Тула, 1989Г - С. 5-12. ...... " - • ....... .....

12. Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Селедкии Е.М., Резников Л.А Получение трубчатых сборочных соединений с заданным усилием разъема // Кузнечно-штамповочное производство. 1990. № 9. С. 24-25.

13. Яковлев С.П., Селедкнн Е.М., Нечипуренко Ю.Г. К вопросу об анализе напряженно-деформированного состояния жесткопластического материала при магнитно-импульсной штамповке //Исслед. в обл. теории, технологии и оборудования штамповочного производства - ТулПИ. - Тула, 1991. - С. 105-110. .

14. Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Селедкин Е.-М., НеЧипуренко Ю.Г. Магнитно-импульсная сборка полноводной секции // Исслед. в обл. теории, технологии и оборудования штамповочного производства - ТулПИ. -Тула, 1992.-С. 5-11.

15. Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Маленичев Е.С., Нечипуренко Ю.Г., Селедкин Е.М. Исследование процесса сборки волноводной секции давлением ИМП II Исслед. в обл. теории, технологии и оборудования штамповочного производства - ТулПИ. - Тула, 1993. - С. 5-10.

16. Яковлев С.П., Маленичев Е.С., Селедкин Е.М., Нечипуренко Ю.Г., Врагов A.M., Ломунов А.К. Упрочнение меди марок MB и М2 при динамическом нагружении I/ Исслед. в обл. теории, технологии и обору-' дования штамповочного производства - ТулПИ. - Тула, 1994. - С. 40-50.

17. Селедкин Е.М.; Маленичев Е.С., Смеликов В.Г. Математические модели поведения меди при динамическом нагружении II Исслед. в обл. теории, технологии и оборуд. штамповочного Производства / Тула, 1995. -С. 81-86.

18. Селедкин Е.М. Численная оценка точности и сходимости МКЭ в задачах динамического деформирования трубчатых заготовок // Исслед. в обл. теории, технологии и оборуд. штамповочного производства / Тула, 1995.-С. 108-115.

19. Яковлев С.П., Кухарь В.Д., Маленичев Е!С., Нечипуренко Ю.Г., Селедкин Е.М. Экспериментальное исследование процесса формирования канала волновода давлением импульсного магнитного поля II Кузнечно-штамповочное производство. 1996. -№ б. - С. 4-6,

20. Яковлев С.П., Селедкин Е.М., Маленичев Е.С., Нечипуренко Ю.Г. Формирование неосеси'мметричного внутреннего, канала толстостенной трубчатой заготовки обжимом на магнитно-импульсной установке /У Исслед. в обл. теории, технологии и оборудования штамповочного производства - ТулПИ. - Тула, 1996. -С. 145-150.

21. Гвоздев А.Е., Казаков М.В., Кухарь В.Д., Селедкин Е.М. Осадка цилиндрических заготовок из быстрорежущих сталей в условиях сйерх-пластичности // Пршсладные задачи газодинамики и механики деформируемых и недеформируемых твердых тел / ТулГУ. - Тула, 1996, - С. 83-89.

22. Яковлев С.П., Селедкин ЕМ., Нечипуренко Ю.Г., Маленичев Е.С. Изготовление сборочных узлов различного назначения энергией импульсного магнитного поля.// Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение. - Вып. 1. -Тула, 1997.-С. 43-51. •

23. Селедкин Е.М., Яковлев СЛ., Ыечепуренко Ю.Г. Подход к анализу динамического деформирования анизотропных. материалов методом конечных элементов // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи /ТулГУ. - Тула, 1997. - С. 165-171.

24. Селедкин Е.М. Учет цилиндрической анизотропии при деформировании труб // Кузнсчно-штамлозочиос производство. 1997. №10. С. 6-3.

25. Селедкин Е.М.' Напряженно-деформированное состояние б толстостенных трубах при импульсном нагружении // Кузнечно-¡uiai^w^'ßrö; тфсшсодстсо. !99?.*fe !<>.-* V. i »-»4.-...... • •

.26, Селедкин Ü.M., Гвоздев А.Б.,-Полтавец Ю.В. Моделирование процесса динамического деформирования жесткопластического материала методом конечных элементов // Изв. ТулГУ. Серия машиностроение. -Вып. 1. - Тула, 1997. - С. 50-59.

27. Селедкин Е.М., Гвоздев А.Е. Моделирование процессов осесим- . метричного деформирования методом конечных элементов. - Тул. гос. унт - Тула, 1998. - 38 с. - Деп. в ВИНИТИ 13.05.98, № 1463-В98, ......28. Селедкин Е.М., Методика учета анизотропии при деформировании трубчатых заготовок. - Тул. гос. ун-т - Тула, 1998. - 2 i с. - Деп. п ВИНИТИ 13.05.98, № 1464-В98.

29. Селедкин Е.М. Моделирование процесса деформирования трубчатых заготовок с учетом анизотропии // Изв. ТулГУ. Серия машкно-строение. - Вып. 2. - Тула, 1998. - С. 42-50.

30. Селедкин. Е.М., Гвоздев А.Е. Конечноэлементная модель осе-симметричной осадки // // Изв. ТулГУ. Серия машиностроение. - Том 2. -Вып. 3. - Тула, 1998. - С. 50-58.

, 31. Селедкин Е.М., Козырев H.H. Конечноэлементный расчет напряженно-деформированного состояния при осадке тонкослойных заготовок // Исслед. в обл. теории, технологии и оборуд. штамповочного производства / Тула, 1998. - С. 90-100.

7 •"" 32. Селедкин EJvf.; Козырев H.H. Осадка тонкослойных заготовок из анизотропного материала // Исслед. в обл. теории, технологии и оборуд. штамповочного производства / Тула, 1998. - С. 101-109.

33. Селедкин Е.М., Пустовгар A.C., Нечепуренко Ю.Г. Теоретическое исследование процесса формирования канала на профилированной оправке7/ Исслед. в обл. теории, технологии и оборуд. .штамповочного производства / Тула, 1998. - С. 120-127.

34. Яковлев С.П., Селедкнн Е.М., Нечипуренко Ю.Г. Влияние анизотропии на деформирование трубчатых заготовок // Исследования в области теории, технологии и оборудования обработки металлов давлением: Мезвузовский сборник научных трудов - Орел - Тула: ОрелГТУ, ТулГУ, 1998.-С. 85-89. '

35. Яковлев С.П., Селедкин Е.М., Козырев H.H. Осадка квадратной ортотропной заготовки в круглой матрице // Исслед. в. обл. теории, технологии и оборуд. штамповочного производства / Тула, 1998. - С. 110-119.

36. Селедкин Е.М., Зырин A.A. Исследование процессов магнитно-импульсной штамповки методом конечных элементов // Тезисы докладов V Всесоюзной конференции: Получение и обработка материалов высоким давлением (30 сент. - 2 окт. 1987 г.). - Минск, 1987. - С. 16-17.

. 37. Селедкин Е.М., Зырин A.A. Раздача продольно оребренных цилиндрических заготовок импульсным магнитным полем Н Тезисы докладов Всесоюзного совещания: Расчет, проектирование, технология изготовления, эксплуатация индукторных систем, 1-3 июня 1988 г. - Тула, 1988. -С. 59-60.

38. Селедкин Е.М. Сборка узлов с заданным усилием разъема энергией импульсного магнитного поля И Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции: Вопросы развития технологии, оборудования и автоматизации кузнечно-штамповочиого производства. Тула, 1.989.-С. 7. ■

39. Яковлев С.П., Селедкнн Е.М. Расчет конструктивно-технологических параметров магнитно-импульсной сборки трубчатых узлов с заданным усилием разъема // Тезисы докладов Всесоюзного Совещания секции МИОМ: Новые технологические процессы магпитпо-имнульсн'ой обработки, оборудование и инструмент (февраль 1990 г.). -. Куйбышев, 1990.-С. 34-35.

40. Селедкин F..M. Коньчноэлемешный подход к анализу динамического дефору.ироваиия трубчатых заготовок // Тезисы докладсв Всероссийской ¡тучно-технической конференции: Математическое моделирование'технологических процессов обработки материалов давлением (19-21 июня 1990 г.).- Пермь, 1990. - С. 118-119.

41. Селедкин П.М. Динамическая раздач1! толстостенной анизотропной трубы // Тезисы докладов международного научно-технического симпозиума: Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации (16 - 18 октября 1997 г.) - Орел: ОрелГТУ, 1997.-С. 30-31. -

42. Селедкин Е.М. Расчет напряжений в толстостенной трубе.по из-весшой кинематике течения при импульсной раздаче // Тезисы докладов международного -ш) чно-техиипеского симпозиума: Механика и тсхиоло-

гия в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации (16 - 18 октября 1997 г.) - Орел: ОрелГТУ, 1997. - С. 31-32.

43. Селедкип Е.М., Гвоздев А.Е. Моделирование процесса получения дисковой заготовки осадкой в условиях сверхплаетнчности // Тезисы докладов международного научно-технического симпозиума: Механика и технология в процессах формоизменения с лоКалышм очягом пластической деформации (16 - 18 октября 1997 г.) - Орел: ОрелГТУ, 1997. - С. 3233. .

44. Селедкип Е.М, Яковлев С.П., Нечипуренко Ю.Г. К вопросу об учете анизотропного упрочнения при динамическом деформировании анизотропного материала // Тезисы докладов международного научно-техшпссксчт» симпозиума: Механика и технология г пропееечх формоизменения с локальным очагом пластической деформации (16 - 1U октября 1997 г.) - Орел: ОрелГТУ, 1997. - С. 33-34.

45. Селедкин Е.М. Влияние анизотропии при пластическом деформировании труб // Сборник тезисов докладов: Совместная сессия и выставка-ярмарка перспективных технологий (18-20 ноября 1997 г.). Россия, Тула, 1997. - С. 97-98. "

46. Селедкин Е.М. Моделирование процесса осадки листовой орто-тропной заготовки в круглой матрице // Тезисы докладов международной конференции: Итоги развития механики в Туле (12 - 15 октября 1998 г.) -Россия, Тула: ТулГУ, 1998. - С. 90-91.

47. Селедкин Е.М. Моделирование процесса осадки тонкослойных заготовок // Тезисы докладов международной конференции: Итоги развития механики в Туле (12 - 15 октября 1998 г.) - Россия, Тула: ТулГУ, 1998. -С. 91-92.

48. Селедкин Е.М., Гаоздев А.Е., Казаков М.В., Уваров В.Е. Математическое моделирование процесса осадки в режиме сверхпластичности И Тезисы докладов международной конференции: Итоги развития механики в Туле (12 - 15 октября 1998 г.) - Россия, Тула: ТулГУ, 1998. - С. 92-93.

Подписано 0 печать <* : ' \ Форма г бумаги 60x84 1/16. Бумага п!по1рафская М 2 Офссгиаи печам.. Усл. меч. л. . Усл. кр.-orr. * Г . Уч. щд, л." /

. Тнрал ' я.1. In к л i >

lj-iiCKiifl пкуларстенный учти (iciirci. 300600. г. Тула, пр. Ленина. 92. Рсдакинопио- издательский (¡(-игр Тульского юсуларствсипого университет. 300600, г. Тула, )л- Колдим, 151