автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Термонапряженное состояние графитовых пресс-форм в условиях индукционного нагрева

он

Л Г', НАШОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ^ ІНСТИТУТ МЕХАНІКИ ЇМХ.П.ТИМОІПЕНКА

На правах рукопису

ДУТКА Василь Ананійович

ТЕРМОНАПРУЖЕНИЙ СТАН ГРАФІТОВИХ ПРЕС-ЮРМ 'В .УМОВАХ ,

інаукцігаш) нагріву '. ' '

05.02.07 - механіка деформ'ївтого твердого тіла

■АВТОРЕФЕРАТ дисертації ш здобуття/наукового ступеня чсанзійшта 'техіїїчних наук

'Київ - 1996

( ' ..

Дисертацією є рукопис . ;

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів НАН України

доктор фізико-математичних наук Головчан ролодиЦир Терентійович

■ - '/ доктор ФІзико-иатематичних наук, ст. наук, співробітник Козлов Володимир Ілліч

доктор технічних наук, процесор Найстренко Анатолій Ль.вович

• . ' • - • • • 1 Провідна організація - інститут продлен матеріалознавства

V - 1 НАН України

Захист відбудеться “ 40 “ 1996 р. о/4 годині

ед засіданніспеціалізованої вченої ради Д 01.03.03 В Інституті механіки. ПАН України .Іи.С.П.ТЙношенка за адресою: 252057, ХиІВ-57, Вуд. Я.Нестерова, .3. . ’ .

‘З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту механіки НАН України 125205.?., Киів-57. вул: П.Нестерова, 3) .

. Автореферат розіслано ■" ОМ “ МілТоУсСх^си 1996 р. -

і

Науковий керівник Офіційні опоненти

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради , _____ ( • .

доктор технічних тук, врофесор ; І.С.Чернишенко

Актуальність теми. В даний час у високотемпературних установках гарячого пресування порошкових сумішей тугоплавких сполук Із застосуванням Індукційного нагріву використовуються конструкційні елементи із графітових матеріалів, зокрема графітові прес-форми, lie зумовлене характерним Для графітів поєднанням здатності добре проводити електричний струм 1 тепло із високою термостійкістю 1

достатньої міцністю в Широкому інтервалі температури. Однак пк при . елемент" ' -

конструюванні графітових взя££пів, так і при їх експлуатації є

Істотним врахування таких важливих властивостей графіту, пк крихкість, низький опір розтягові та значне розсіяння .міцності.:

1 В робочому стані одним із найбільш наваніажених елементі установки гарячого пресування в графітова прес-форма, й як№ діють великі напруження розтягу, що є однією Із;причин II'руйнування в процесі гарячого пресування. Тому надійність Функціонування rrpfec-Форми є тим важливим чинником, що .впливає, на одержання-якісних кінцевих виростів. а також на обсяг матєр.іало- 1 енерговитрат при гарячому пресуванні, особливо крупногаааритних- заготовок Із конструкційної кераміки. '

Викладене вище вказує на доцільність якна етапі розробки, так 1 при експлуатації устаткування для гарячого'пресування прове* дення попередніх досліджень напруженого стану-1 надійності графітових прес-форм в реальних умовах. їх термомеханічного навантаження в процесі гарячого пресування Із застосуванням-'індукційного нагріву. При цьому є необхідним врахування*взаємовпливу електромагнітного 1 теплового поліа в елементах установки, теплового поля на напружений стан прес-форми ,- а також використання статистичної теорії крихкого руйнування:»-; '

Дослідженню,-теплових полів в елементах установки гарячого пресування порошкових-заготовок із застосуванням Індукційного нагріву присвячені роботи А.В.Аракчеева, В.Б.Гласко, Г.Я.Гуна, В. І.Алиева, І.Н.ШКлярова та інших. В більшості з них автори обмежуються одновимірними моделями, в інших роботах проводиться двовимірний аналіз* теплових полів в установках індукційного нагріву компакти-Фікооаних порошкових металевих заготовок для наступного допресу-ваннн їх в прес-формах. Разом з тим на даний час є широке коло ро-біту в яких висвітлені питання взаємодії електромагнітного поля з матеріапьним континуумом, а також розроблені егектипні мнтоди розв’язання складних двох- 1 тривимірних задач Індукційного нагріоу

Визначення напруженого стану 1 міцності прес-форм при їх механічному навантаженні плодяться в роботах В. П. Бондаренка,

І.Д.Радомисельського. В.Г.Синкова. І.М.Федорченка та інших, дослідженню полів напружень в порожнинних циліндричних тілах та їх міцності при механічних навантаженнях з допомогою експериментальних, аналітичних і чисельних методів присвячені роботи С.А.Бочаро-вої. В.Т.Грінченка, М.А.Колтунова, В.Л.Рвачова, Н.С.Синекопа, Ю.М.Шевченка 1 інших. Однак результати комплексних досліджень напруженого стану І надійності прес-Форм в умовах їх навантаження.в процесі гарячого пресування порошків тугоплавких сполук з використанням індукційного нагріву на даний час відсутні. Таким чином, Проведення вказаних' досліджень є актуальним. ■

Метою роботи є чисельне дослідження впливу на напружений стан і надійність графітових прес-форм в умовах гарячого пресування порошкових сумішей тугоплавких сполук Із застосуванням індукційного, нагріву механічного 1 теплового навантажень прес-форми, розмірів заготовки 1 прес-форми, наявності, розташування і теплопровідності додаткових теплоізоляційних прокладок в установці гарячого пресування, геометрії 1 конструкції прес-форми, .

Досягнення вказаної мети пєрєдзачає розробку ефективних алгоритмів і програм для ЕОМ розв’язання нелінійних задач індукційного нагріву і нестаціонарної теплопровідності та визначення напруженого стану і ймовірності руйнування прес-форми із врахуванням анізотропії, температурної залежності властивостей матеріалів і Ш'ємного розподілу напружень.

Наукова новизна росоти полягає в наступному: .

- розроблені ефективні алгоритми чисельного розв'язання неліній-

них задач Індукційного нагріву 1 нестаціонарної теплопровідності; одержана умова ефективного використання алгоритму розв'язку задачі теплощ оо Шості; .

- поширено варіант статистичної теорії крихкого руйнування, одер-

жаний В. І. Головчаном на оазі підходів Вейбулла і БатдорФа. на випадок прогнозування надійності графітових прес-форм в умовах гарячого пресування порошків тугоплавких матеріалів з використанням Індукційного нагріву; ,

- проведено комплексне дослідження 1 аналіз впливу на напружений стан і надійність графітових прес-форм в умовах процесу гарячого пресування механічного 1 теплового навантажень прес-форми; розмірі в. заготовки. що пресується, і прес-форми; наявності, розташування І теплопровідності теплоізоляційних прокладок в установці гаря-

4

чого пресування; геометрії 1 конструкції прес-форми.

Достовірність результатів, шо отримані в роботі. забезпечена коректністю постановки залам, використанням обгрунтованих методів розв'язання, шляхом контролю величини поживок 1 практичної звітності одержаних чисельних розв’язків, розв’язанням тестових задач, порівнянням з результатами лабораторних експериментів.

Практична цінність роаоїи полягає в наступному:

- одержані результати про характер розподілу температури 1 напружень в прєс-форні, про залежність рівня напруженого стану в прес-нормі і ймовірності II руйнування від конструктивних параметрів прес-форми 1 установки та режимів гарячого пресування, а також розроблені алгоритми 1 програми можуть бути використані при проектуванні установок індукційного нагріву. прес-Форм для холодного пресування^ установок для гарячого пресування, а також для сптимі-заціІ конструкції діючих установок 1 режимів гарячого пресування.

- Особистим внеском дисертанта є: . . _

- розробка чисельних алгоритмів розв’язання нелінійних задач Ін-

дукційного нагріву і нестаціонарної теплопровідності, одержання умови ефективного використання алгоритму розв’язку задачі тепло-, провідності; .

- чисельне дослідження впливу на напружений стан 1 надійність графітових прес-Форм в умовах гарячого Пресування порошків тугоплавких матеріалів механічного 1 теплового навантажень гірес-Форми, розмірів заготовки 1 прес-форми, наявності, розташування 1 теплопровідності теплоізоляційних прокладок в установці гарячого пресування, геометрії 1 конструкції прес-Форми, а також впливу конструктивних параметрів установки На величину енерговитрат Ґ швидкість нагріву.

Реалізація результатів роботи. Безпосередньо отримані1 дисертантом результати увійшли у звіти по темах НДР (ЖДР 01840017067 та Я ДР 018800275251 Інституту надтверлих матер іалІігНАН України.

„ .Аррооаи 1R роботи. Основи 1 результати1 дйсертанШіОГ роботи доповідалися й обговорювалися’на: семінарах"НТлйІлу математичного ’ моделювання 1 обчислювальної техніки-та відаілу технології виробництва твердих сплавів І композиційних матеріалів, а також на секції вченої ради "Надтверді; матеріали-1 композити в поролоруйнівно-му інструменті 1 вузлах тертя” Інституту нздівєраих матеріалів НАН України (Київ, 1985-1996)-, ХП ,' XIV кон-герениІях молодих 'вчених IHM HAK України (Київ. 19S7, 1989); XV Міжнародній коїкгоренції молодих вчених "Получение,' свойства и применение ссерхтеордих мате-

риалов (Київ,1990), VI Українській конференції "Моделирование и исследование устойчивости систем"(Київ, 1995), на семінарі відділу термомехакіки та на семінарі за науковим напрямом "Механіка зв'язаних полів в матеріалах 1 елементах конструкцій" Інституту механіки НАН України (Київ. 1996). _

Публікації. За результатами досліджень, виконаних в дисертації , опубліковано десять ростіт.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається Із вступу, трьох глав, заключения, списку літературі!, ію містить 127 бібліографічних найменувань. Загальний об'єм роботи складає 168 сторінок, включаючи 34 рисунки 1 11 таблиць.

' ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, приведений короткий огляд опублікованих робіт, що присвячені дослідженням теплових полів в елементах установок гарячого пресування, напруженого стану прес-форм 1 порожнинних циліндричних тіл при їх механічному навантаженні, а також методам розв'язання задач Індукційного нагріву, Формулюються основні положення, які виносяться на захист, приводиться анотація глав дисертації.

В першій главі приведені основні співвідношення теорії електромагнітного поля 1 теплопровідності, сформульована задача Індукційного нагріву циліндричним індуктором елементів установки гарячого пресування сумішей тугоплавких матеріалів, приведений алгоритм її розв'язання. .

Математична модель процесу індукційного нагріву складаєтьсь із системи взаємозв'язаних нелінійних рівнянь електродинаміки і№ кваз}усталених процесів I нестаціонарної теплопровідності відносні комплексних амплітуд характеристик електромагнітного поля та тем ператури, усередненої за період коливань електромагнітного поля:

С1)

rot(A‘VotE) -

A'-A(lHl.T). J-#(lEt,T)E, D « co£( |E|,T)E, . (2)

cp-щ- « dlv(fcgracir) * Qy. (3)

= 0,5iE-E* С 41

з початковими 1 граничними умовами:

' E = H = О, Т- = Т при t - 0; (5),

б

Е,г“ЕГ,’

Ет= et на st;

■* -» ■ Н =

на s

-SgradT-ЇІ = а (Т - Т ) * са-лт

J К С О

на SH; Е, Н -» О при |rl-> го; т 4) rta s_;

(Sgradr), ^gradDj-ftjj

*<V V*

на s.

(6)

(7)

(8) (9)

При цьому для стільці точного описання електромагнітного поля аіля торців Індуктора (рис.і; І - Індуктор, 3 - заготовка, ПФ - прес-Форма, ПН - пуансон, ТІ 1 ПР - відповідно теплоізоляційний матеріал 1 прокладка, І, И 1 III - різні розташування додаткової теплоізоляційної прокладки) задания в ньому поля моделюється у вигля-. . ■ ill протікання повер-

’ - • "■> -хневйх струмів 1 (6) ПО поверхні sp; ■ ШО прохолоть через центри ВИТКІВ ЙОГО 06-.йоткйі Алгоритм розв'язання нелінійно! задачі (і) - (9) стазу ється на метолі скінченних елементів (MCE) у поєднанні з методом Буонова-Га-льоркіна 1- використанні двокрокової процедури на кожному кроці по часові. Попередньо рівняння' теплопровідності (3) із використанням

а»

рда.4А

0,5* Г,м

підстановок Гудмена ;1 КІрУггда-'

- . . т~

- с = jicpdT , А

ТІ-

[ AdT,

ПРИВОДИТЬСЯ ' ДО’ В ¡ІДУ''

-д|-' - dlvtdiv: А) * ау

(10)

(11)

В результат-!' •застосування Процедури Бусшопа-Гальоркіна ло рівнянь

/■

11), (11), скінченноелементної дискретизації області V на ц скінченних елементів V', використання на кожному з них Ізопараметрич-

-♦ -* -* -» -»

ної апроксимації функцій Е, .1, 0, с, т, 0Р. 1. Нт, і компонент тензора А та об’єднання локальних матриць одержимо систему рівнянь

Е || ня п х Р~,гоКЕ/Ім1і)сіє * ^‘гоМЕ^Іхнгасім/Іі' -

'"‘(вчя,)* к* у*

л ( / Г 4 Ч Г^-> І

+ ІНГ^ЙКІ « І0Ц10 Е І І П х(1>х пШ^СІЗ + | Нг>х

*“ “І

І "Л аг - і,(’І вгасш. іаіуЛ^)^ - т4 [ « ка нкй* ♦

•"1 у* ■ у• 5«

♦ і « Нп тсй3 - (ти - Тг*>1 «,И ". V3 + і «.»А*')-

є* в* - 1/в

хн

Для розв'язання системи (12), (13) по двокроковій процедурі на кожному Інтервалі часу І с 4. £г1 запишемо рівняння (12) для моменту с?, виключивши Із нього вузлові значення векторів густини струму

і^ 1 Індукції 0^г1, використовуючи представлення їх приростів

сЛ^ «■ (1(#Еїа « (0сіЕ + (Э$/вТ)Е(1Т + (8?/Э1Е|)Е{1|Е|)*, (14)

(для сЮА має місце аналогічний вираз) в різницевому виді

* *іг’Йг' - Еі1') ♦ ^||г) Е^'^2’- ♦

+ [-^-)<г> ЕІг’р(Сг)(|Еііг’- |Е|‘"),

*а!Е|**

*♦» 9 )

(для - аналогічний вираз). В результаті отримаємо рівняння відносно вектору вузлових значень вектору Е в момент С2:

1,

ІВНЕї'*’ - ЮНЕ)“'* [ІРгі(ІТІ,г)- (Тіи)) + №еНРК) х х (І |Е| )(Г'- ІІЕІ1*11)](Е)(ГІ + + 1*иННх>(г,3-

(15)

16)

Тут еиг) » иг- г1)/Иг- с^) при £, < * сг 1 Ріг ) » 0 при

сг« ь ; Індекси (1). (2) 1 (г) означають, шо значення величин Об-

алгоритму розв'язку задачі теплопровідності була одержана умова

(21)

Ь<ьгр* [<ї/К> ІКп)”2'

згідно з якою застосування вказаного апгоритму є ефективним порівняно із стандартною схемою МСЬ\ якшо гіівширина ь стрічки матриці системи лінійних алгебраїчних рівнянь менша від певної величини ь , яка залежить від кількості машинних операцій N° при обчис-

гр оп

ленні об’ємних Інтегралів в межах елементу. Тут г постійна, к -загальна кількість вузлів сітки. В результаті проведеного чисельного експерименту, в якому при різних Ь визначалось відношення витрат машинного часу т/тст при розв'язанні нелінійної нестаціонарної задачі теплопровідності з використанням запропонованої схеми 120) і стандартної схеми МСЕ (таал.1), встановлено, шо в осесимет-ричному випадку величина Ьгр * 47, шо е достатнім для коректного розв'язання ряду практичних задач,теорії теплопровідності. ■ ■ ■

. • , Таблиця 1.

н 144 144 400 324 400 . 484 576 676 841

ь 15 23 23 32 35 39 . 42 . 45 50

т/т ст 0,50 0,57 0,58 0,73 0,80 0,87 0,94 0,97 1,03

В другій главі проведено дослідження електромагнітчого Г теплового полів в графітовій прес-формі установки гарячого пресування при індукційному нагріві. В числовій моделі індукційного нагріву враховується температурна залежність властивостей матеріалів пуансонів 1 прес-форми (граФІт МГ-1, рис.1), заготовки (попередньо хо-додноспресована суміш на основі нітриду кремнію з пористістю п = = 0,55), теплоізоляційного матеріалу (порошок 2г02, п = 0,62), конвективний і променевий теплообміни із зовнішнім середовишем, а також анізотропія теплопровідності графіту. При обчисленнях аули прийняті реальні параметри, режиму індукційного нагріву і елементів установки; величина поверхневого струму задавалась. на основі реальних величин струму генератора і напруги на контактах індуктора. Середня похибка з задоволення чисельним розв’язком рівняння, поля (і) 1 граничних умов (6) становила відповідно ЗХ і 4,6Х, а її локальні значення в зонах торців індуктора досягали 125І 1 153С. •

Встановлено, що найбільші вихорові струми в прес-формі, згідно з ефектом "близькості", протікають в зоні, прилеглій до її зов-

н

нішньої стічної поверхні. Відповідно до иього максимальний рівень температури в прес-Формі виникає в середній частині II зовнішньої січної поверхні; максимальний перепад температури дтпф досягається між точками вказаної зони 1 торцовою зоною внутрішньої стічної поверхні прес-форми. Причому із плином часу нагріву величина дг

■ Пф

сильно зростає, а, отже, 1 зростає неоднорідність температурного поля в прес-ФормІ: так. на кінцевій стадії нагріву (t « 150 - 180 хв.) величина дт_ в декілька разів більша, ні* на початковій (t *

Пф ■

» 60 - 80 хв.) 1 досягає кількох сотень градусів. Встановлено, що максимальні температурні градієнти в прес-формі виникають в зоні, прилеглій до внутрішньої частини II торцової поверхні.

Для тих же параметрів установки 1 режиму нагріву сув проведений ласораторний експеримент по вимірюванню температури в різних точках заготовки 1 прес-форми. Відхилення між результатами обчислень температури 1 даними експерименту знаходилось в межах 12"А протягом всього часу нагріву, шо також підтверджує придатність запропонованої методики для розв’язання.практичних задач Індукіїійно-ґо нагріву.

Третя глава присвячена дослідженню напруженого стану та надійності графітових прєс-Форм в умовах гарячого пресування порошків тугоплавких матеріалів з використанням .індукційного нагріву. Напружений стан в прес-Формі під час гарячого пресування виникає при дії на неї механічного тиску з соку заготовки рБ, шо пресується Ірис.1), а також зумовлений Індукційним нагрівом. Обчислення проводились для реальних параметрів режиму гарячого пресування та конструктивних параметрів установки (робочий тиск р = 15 - 25 МПа,

1 - (2 - ЗМО’а/м); у випадках, коли пресування проходить з використанням рідкої Фази, можна вважати, то величина рр незначно відрізняється від тиску р, прикладеного до пуансонів з соку пресу; якщо ж має місце лише твердофазне ущільнення заготовки, то значення рБ значно менше р 1 визначається з урахуванням коефіцієнту Пуассона порошків. Визначення напруженого стану прес-форми проводилось шляхом розв’язання квазістатичної лінійної задачі термопружності з урахуванням температурної залежності властивостей матеріалу та використанням розподілу температури в прес-Формі, одержаного в результаті розв’язку задачі Індукційного нагріву. Чисельна схема розв'язку базується на MCE. Надійність прес-форми визначалась шляхом обчислення ймовірності її руйнування з використанням розробленого В.Т.Головчаном варіанту статистичної .теорії крихкого руйнування. Встановлена придатність даної моделі для оцінки надійності

1Z

вироаів Із конструкційного графіту.

З кетою визначення впливу як механічного, так 1 теплового навантажень прес-форми на Н напружений стан 1 ймовірність руйнування спочатку були проведені дослідження для випадку дії на нзї лише механічного тиску рБ з боку заготовки.' Обчислення проводились для прес-форм різних розмірів при різних значеннях висоти заготовки 1 тиску рБ> параметри розподілу Вейбулла для. графіту МГ-1 сули виорані рівними т = 8,41 і о-о = 4,02МПа-м',/*. Встановлено, шо максимальні напруження розтягу «г , які є головною небезпекою для

крихких матеріалів, діють в зоні зовнішнього навантаження прес-Форми 1 ними є кругові напруження Виявлено закономірність залежності рівня напружень розтягу «г в прес-формі 1 ймопірності П руйнування Р4 ВІД ВИСОТИ прес-форми й: для кожного Фіксованого набору значень радіусу гз 1 висоти тг заготовки, радіусу np.ec-Форми г_ та величини прикладеного тиску р„ Існує така величина

Пф Ь

йхр висоти прес-форми, шо при »1 « Ькр рівень напружянь розтягу в прес-формі 1 ймовірність її руйнування Істотно залежать від л. а при п > лкр величини■« х І я, практично не залежать від ь (рис. 2). Аналогічні залежності мають місце 1 при Інших значеннях висо-

ти, радіусу заготовки і тиску рв. Встановлено, шо на величину рівня напружень розтягу в прес-юрмі та ймовірність її руйнування значно впливає величина коефіцієнту Пуассона и графіту: при зміні

рла х

Рис. 2

/З

V від 0,24 до 0,32 величина р зменшується на 25%'- 40%. слід відзначити , іио проведені обчислення напружень можна здійснити також аналітичними та напіваналітичними методами, викладеними в роботах В.Т.ГрІнченка і М.А.Колтунова Із співавторами. ,

При одночасній дії на прес-форму механічного навантаження 1 індукційного нагріву, шо має.місце при гарячому пресуванні, рівень напружень розтягу в ній 1 ймовірність П руйнування істотно залежать ВІД ВИСОТИ ,Ь прес-форми і при Ь > Ькр; - із збільшенням ь їх

величини зменшуються (рис.З: т--------- ь *■ 0,25м, —--- ь * 0,20м,

---- - Ь - 0,32м; рБ - 15МПа, 1- 1 - 1,85-Ю\ 2 - і * 2-10*а/м).

Це зумовлено зменшенням градієнту температури при збільшенні висоти /і, оскільки максимальний Перепад температури в прес-формі дгпф. практично не залежить від л. Із плином часу нагріву величина йтп^ збільшується, шо призводить до. зростання термічних напружень розтягу в Прес-Формі, якими є також кругові напруження. їх величина

співрозмірна з величиною механічних напружень розтягу. зона дії знаходиться біля внутрішньої ооко-. ВОІ поверхні прес-форми, а максимальних значень вони Досягають в зоні п торців. Аналіз рис.З показує, шо нк величина р/Г так і швидкість II' зростання в процесі нагріву значно залежить від висоти прес-форми,а також від

І нтенсивност1 нагрі ву:при збільшенні Інтенсивності нагріву в 1,08 разів величина -V- .зростає не 50Я,

а ймовіргіість руйнування прес-форми висотою 0,25м в 1,5 - 1,8 раза

більша, ній прес-форми висотою 0,32м. ■ '

Встановлено, юо кожне окремо взяте - механічне 1 теплове навантаження прес-форми спричиняє відносно невелику ймовірність її руйнування (р « 0,04). однак при їх одночасній дії величина р/

прес-форми може зростати в декілька, а то 1 в десятки разів, (для

розглянутого в роботі випадку р » 0,74)..Це є наслідком того, шо термічні напруження розтягу виникають в тих же зонах прес-Форми,

Я

Йи.3.

де діють максимальні механічні напруження розтягу.

В процесі нагріву в зоні торців прес-Фарми виникають максимальні температурні градієнти І термічні напруження розтягу. Тому стули проведені розрахунки температурного поля для прес-форми, шо складається Із трьох частин; середньої -висотою » ькр та двох торцових, шо щільно прилягають відповідно до верхнього і нижнього торців середньої частини, а розрахунки напруженого стану 1 ймовірності руйнування' проводились лише для середньої частини. 0 результаті обчислень встановлено, шо коли замість суцільної прес-форми використовувати прес-форму вказаної више конструкції, то зменшення ймовірності її руйнування може досягати 45К (таолиця 2).

Таблиця 2.

t. • Р, р/ Р/

хв. й=0,25м h =0-,20м h=0,28м й^о.ггм h=0 ,32м h =0,25м

144 0.165 0,146 0,090 0,077 0.046 0.041

174 0.193 0,172 0,088 0,078 0.039 0,035

204 0.337 0,272 0,131 0,107 0,045 0,040

235 0.562 0,422 0,214 0.149 0,056 0.046

265 і... ...... 0,864 0,616 0,376 0,208 0.080 0.052

0 практиці гарячого пресування для зменшення відтоку тепла від прес-форми встановлюють теплоізоляційну прокладку ніж пуансоном 1 притискною плитою пресу. Показано, що коли розташувати ще одну таку прокладку на шляху відтоку тепла від прес-форми (положення І,

II. Ill, рис.1), то можна знизити ймовірність руйнування прес-форми на SOX 1 більше, а теплові витрати на нагрівання установки в проиесі пресування на 25t. При розв’язанні задачі теплопровідності прокладка моделювалась у вигляді поверхні неідеального” теплового контакту, на якій задавались граничні умови (9) та вводились подвійні вузли. Серед трьох розглянутих розташувань прокладки найбільш оптимальним є розташування її на рівні шару, теплоізоляційного матеріалу (положення І), шо, очевидно, забезпечує найменший відтік тепла від прес-форми порівняно із двома іншими випадками. На величину ймовірності руйнування прес-форми pf Істотно впливає теплопровідність прокладки лпр: для випадку І при зменшенні X від Ш до а,105 ьт/ім-К) величина pf зменшується на 60%, причому,.

І5

Із плином часу нагріву (при досягненні в заготовці високих температур * 2000К ) ефективність використання прокладки зростає.

З метою дослідження впливу геометрії прес-Форми на II надійність аули проведені обчислення напруженого стану І ймовірності руйнування трьох прес-форм однакового об'єму але з різною Формою Меридіонального перетину: гз>= 0,06м; І>а« 0,05м, рБ» 15МПа. І ■ 2 » х-Ю'а/м; 1 - циліндрична прес-форма, ь - 0,217м, г - 0.17м:,2 -

циліндрична прес-форма, /і « 0,25м,>

Пф

0,16м; 3 - Ь « 0,25м. г « “ ~*г - 0,17м.

= 0,17м. зовнішня бічна повзрхня - параболоїд г - -1,97г ♦ Ймовірність руйнування прес-Форми 2 в середньому на 4ОХ менша, ніж першої, • а ше менша (*> на 202) ймовірність руйнування прес-форми із парааолоідною аічною поверхнею. Аналіз рис.4 показує, шо прй використанні прес-Форми з параболоідною бічною поверхнею ймовірність

II руйнування нижча в середньому на 30Х, витрати тепла о на нагрівання установки в проиесі гарячого пресування менші (швидкість нагріву виша) порівняно Із випадком, коли використовується циліндрична прес-форма тих же розмірів. Встановлено, шо даний ефект ,зу-

Ч

0.46

0.2В

□ □А

1400 1800 2200 Т},

' ' . - - а

К

Рис А.

<Ґ

мовлений тим, шо в прес-формі із парасолоідною поверхнею рівень термічних напружень розтягу в зоні дії максимальних механічних значно менший (* на 40%). ніж в циліндричній прес-формі. ; ,

В заключенні стисло формулюються основні результати, шо отримані в роботі:

ів

Досліджено вплив на напружений стан І надійність графітових прес-форм а умовах гарячого пресування сумішей тугоплавких матеріалів з використанням Індукційного нагріву механічного 1 теплового навантажень прес-Форми; розмірів заготовки, шо пресується, і прес-Форми; наявності, розташування І теплопровідності теплоізоляційних прокладок в установці гарячого пресування; геометрії і конструкції прес-форми, а такси» вплив конструктивних параметрів установки на величину теплових витрат 1 швидкість нагріву в процесі гарячого пресування. Для проведення вказаних досліджень розроалені елективні алгоритми розв'язку нелінійних задач індукційного нагріву 1 нестаціонарної теплопровідності; отримана умова ефективного використання алгоритму розв'язку задачі теплопровідності. Виявлена закономірність впливу висоти прес-форми на рівень напружень розтягу і ймовірність руйнування.прес-чшрми при П механічному навантаженні. В результаті проведених досліджень встановлено;

1. Кожна окремо взята складова навантаження прес-норми в процесі гарячого пресування - як механічний тиск, так і Індукційний нагрів

- зумовлюють відносно незначну,ймовірність її руйнування р/. Однак при їх сумарній дії величина pf може дути значно аїльшою.

2. В процесі гарячого пресування максимальні механічні І термічні напруження розтягу виникають на внутрішній а 1чиїй поверхні прес-форми, вони є співрозмірними по величині. ' .

3. При оптимальному розташуванні додаткових теплоізоляційних прокладок на шляху відтоку тепла від прес-ФОрми момна значно знизити *як ймовірність її руйнування (на 25 - 50X1, так І енерговит-рати (на 20 У.) в процесі гарячого пресування.

4. істотнього зниження ймовірності руйнування прес-форми (до 45х) можна досягнути при переході віл використання суцільної прес-Форми до складеної. Із трьох частин.

5. На рівень напружень розтягу в прес-Формі І ймовірність її

руйнування істотно впливає геометрія прес-Форми. Порівняно із ци-л і н дричною. прес -формою використання прес-Форми таких ке розмірів але із параболоїдною зовнішньою вічною поверхнею призводить до зниження ймовірності руйнування прес-форми (на 30X1. енерговитрат та підвищення швидкості, нагріву. '. .

6. Одержані результати лають підставу зрооити висновок про.можливість оптинізації конструктивних параметрів установки та режиму гарячого пресування з метою мінімізації сукупних витрат матеріалів. енергії і часу при здійсненні процесу гарячого пресування.

II.

Основні результати дисертації опубліковано в таких роботах:

1. Головчан В.Т., йутка В.А., Колодниикий В.H., Никитюк Н.И., Пе-тасюк О.У Эффективный вариант метода конечных элементов для ре-, шения трехмерных нестационарных нелинейных задач теплопровод-Н0СТИ//Д0КЛ.АН УССР. Сер.А,-.1987.- К 10.- С. 70-73.

2.. Лутка ,В.А. Определение температурного поля в условиях индукционного нагрева при горячем прессовании керамических материалов //Сверхтвердые материалы. в ускорении научно-технического прогресса.- Киев: ИСМ АН УСГР, 1987. С. 100-103. '

3. Головчан В.Т., Дутка В.А. Решение нелинейных задач индукционного нагрева//Докл.АН УССР. Сер.А.- 1988.- №1.- С. 36-40.

4. .Дутка В.А. Решение задачи индукционного нагрева в условиях Горячего прессования керамических материалов//Получение, свойства сверхтвердых материалов и перспективные технологии их применения: Ссг. науч. трудов.- Киев: ИСМ АН УССР, 1990,- С.74-77.

5. Дутка В.А. Математическое моделирование электромагнитных и термомеханических полей при горячем прессовании керамических материалов с использованием индукционного нагрева//Докл. АН УССР. Сер.А.- 1991,- »2,- С. 15-19.

6. Дутка В.А. Определение температур», напряжений в графитовой

пресс-форме при индукционном нагреве / Сверхтвердые и композит шонные материалы и покрытия, их применение.- Киев: ИСМ АН УССР, 1991.- С. 93-96. '

7. Крыль Я.А., Лутка В.А., Исаков A.A. Изучение температурного по-

ля при горячем прессовании заготовок из Нитрида кремния//Сверх-тверд. материалы.- 1993,- W 4.- С. 20-23. ,

8. Дутка В.А. Численное моделирование электротеплового и механического состояний элементов системы горячего прессования крупногабаритных керамических изделий//б Украинская кощі.: Моделирование И исследование устойчивости систем (Прикл. механика). Киев, 15,-19 мая 1995 г. ; Тез. докл.- Киев. 1995.- С. 45.

9. Дутка В.А. К оценке надежности изделий Из конструкционного гра-4>ИТа//Проал. прочности.- 1995.- W 4,- С. 69-73.

■ . . АНнотация ,

Дутка В.А. Термонапряженное состояние графитовых Пресс-Форм в условиях индукционного нагрева. ■ ■ , .

Диссертация является рукописью на соискание ученой степени канди-

дата технических наук по специальности 05.02.07 - механика деформируемого твердого тела. Институт, сверхтвердых материалов НАН Украины, Киев, 1996. .

Зашиваются результаты численного исследования влияния режима горячего прессования и конструктивных параметров технологической установки на напряженное состояние и надежность графитовых пресс-Форм в условиях прессования пороиковы* смесей тугоплавких соединений с использованием индукционного нагрева. Для проведения указанных исследований разрааотаны зцфекуивные алгоритмы решения нелинейных задач индукционного.нагрева и нестационарной теплопроводно-' сти. Получено условие эффективного применения алгоритма решения згшачтепЛопроводНйсТй. Выполнен анализ теплцвых полей, напряженного состояния и вероятности разрушения графитовых пресс-форм в условиях горячего прессования. -■........... ................ • —

. ' Annotation .

Dutka V.A. Thermostressed state of graphite press dies under the conditions of Induction béatIne. '

The thesis is a manuscript submitted for awarding the Candidate Degree of thecfmicai-Sclerices on speciality 05.02.07 - the mechanics of deformable solid, Institute for Superhard Materials of the

National Academy of Sciences of Ukraine. Kiev, 1996. -

■ ' t . , • 1

The results of numerical Investigations of hot presslna regime and constructive parameters of technological plant influence on stressed state and reliability of graphite press dies under the conditions of refractory materials powder mixtures pressing using induction heating are defended. The effective solving algorithms for the nonlinear induction healing and trànslent heat conduction problems are proposed'. The condition of effectIvè application of solving algorithm for the heat conduction problems Is obtained! The analysis of the thermal fields і stressed state and fracture probability of graphite press dlès under the conditions of hot pressing has been undertaken. '

Ключові слова: термонапружений стан, Індукційний нагрів, ймовірність руйнування,. графітова прес-форма,, гаряче пресування, меїод скінченних елементів.