автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Влияние затянутых соединений в контактных системах деталей на технологические возможности тяжелых кривошипных прессов

Введение: общая характеристика работы.

1. Анализ современного состояния теории и практики расчетов затянутых соединений деталей прессов.

1.1. Основные типы и простейшие модели затянутых соединений.

1.2. Аналитические методы расчетов затянутых соединений в конструкциях прессов.

1.3. Численные методы анализа напряженно-деформированных состояний.

1.4. Численные методы моделирования контактных систем.

1.5. Выводы из обзора литературы.

2. Основы дискретного моделирования трехмерных контактных систем упругих тел в статических состояниях.

2.1. Идентификация исследуемых систем; общая постановка задачи и основы методологии решения.

2.2. Метод контактных сил и переносных перемещений для систем любого конечного числа гладких тел.

2.2.1. Алгоритм моделирования базисной системы двух тел.

2.2.2. Обобщение метода: алгоритм моделирования контактной системы любого конечного числа гладких тел.

2.2.3. Обеспечение эффективности алгоритмов реализации метода контактных сил и переносных перемещений.

2.3. Метод контактных сил и переносных перемещений для фрикционных систем любого конечного числа тел.

2.3.1. Алгоритм моделирования фрикционной системы двух тел в трехмерном напряженном состоянии.

2.3.2. Алгоритм метода для двумерной контактной системы любого конечного числа тел с кулоновским трением.

2.3.3. Алгоритм метода для трехмерных фрикционных систем любого конечного числа упругих тел.

2.4. Развитие и структура программного комплекса МАКС применительно к классу многотельных контактных систем с затянутыми соединениями.

3. Анализ работоспособности и рационализация затянутого соединения деталей составной станины пресса усилием 80 МН.

3.1. Специфика конструкции и постановка задачи исследования.

3.2. Моделирование подсистемы деталей составной станины, корпуса подшипника и клина при различных вариантах предварительной затяжки.

3.2.1. Конструктивная и конечноэлементная модели подсистемы.

3.2.2. Основы построения математической модели исследуемого затянутого соединения.

3.2.3. Введение в математическую модель требуемого усилия затяжки.

3.2.4. Результаты моделирования исследуемой подсистемы деталей в состоянии затяжки.

3.3. Моделирование и анализ единой контактной системы деталей пресса при технологическом нагружении.

3.3.1. Конструктивная и конечноэлементная модели единой контактной системы.

3.3.2. Введение технологического нагружения контактной системы.

3.3.3. Анализ состояний затянутого соединения подсистемы «втулка, корпус подшипника, клин» по результатам моделирования единой контактной системы деталей пресса.

3.4. Анализ влияния и обоснование выбора оптимального значения коэффициента затяжки.

3.5. Приближенная оптимизация силовой схемы и конфигурации деталей пресса путем введения двухэтапной затяжки.

4. Анализ эффективности вариантов фрикционных затянутых соединений ступицы муфты и эксцентрикового вала.

4.1. Варианты соединения ступицы и вала; общая постановка задачи исследования.

4.2. Моделирование фрикционной подсистемы соединения ступицы и вала путем запрессовки конической втулки.

4.2.1. Конструктивная модель подсистемы.

4.2.2. Конечноэлементная модель подсистемы.

4.2.3. Результаты моделирования системы.

4.3. Моделирование подсистемы профильного соединения ступицы и призматической концевой части вала.

4.3.1. Конструктивная и конечноэлементная модели подсистемы.

4.3.2. Результаты моделирования исследуемой подсистемы деталей.

4.4. Моделирование подсистемы соединения ступицы и вала клиновыми шпонками.

4.4.1. Конструктивная и конечноэлементная модели подсистемы.

4.4.2. Результаты моделирования системы.

4.5. Сравнительный анализ работоспособности вариантов исследованных затянутых соединений.

5. Исследование единой системы деталей пресса усилием 125 МН и штампового блока с анализом влияния затянутых соединений.

5.1. Постановка задачи трехмерного моделирования единой системы деталей пресса и штампового блока.

5.2. Построение конечноэлементных моделей, введение начальных зазоров и выбор схем нагружения.

5.3. Определение величины натягов, эквивалентных усилиям затяжки деталей исследуемой системы.

5.4. Экспериментальная оценка уровня достоверности результатов численного моделирования.

5.5. Моделирование и анализ состояний контактных стыков в зависимости от теоретического и реально достижимого уровня затянутости соединений.

5.6. Анализ влияния затянутости станины на деформации и точность работы штампового блока.

5.7. О возможностях использования предложенной методики для разработки норм сертификации конструкций прессов.

За более чем столетний период со времени изобретения кривошипных прессов и их внедрения в промышленных технологиях обработки давлением конструкции этого вида кузнечно-штамповочных машин, совершенствуясь и развиваясь в диапазоне постоянно возрастающих номинальных усилий, приобрели современные классические кинематические схемы и структуры систем совместно работающих деталей /1-3/. Среди машин этого типа весьма широкое распространение во многих отраслях техники имеют кривошипные горя-чештамповочные прессы (КГШП).

Одной из характерных особенностей так называемых тяжелых КГШП, т.е. машин относительно больших номинальных усилий, является широкое использование в них затянутых соединений. В такого рода соединениях деталей - путем их специальной предварительной затяжки - создаются сжимающие усилия, позволяющие конструкции эффективно противостоять технологическим воздействиям в замкнутом силовом потоке машины.

Затянутые соединения деталей ответственных составных подконструк-ций применяются не только в тяжелых кривошипных прессах, но и в гидравлических, винтовых и других технологических машинах.

Однако в современной теории машин обработки давлением, как и вообще в динамике и прочности машин, методы расчетов затянутых соединений ограничены моделями, учитывающими только деформации растяжения-сжатия одномерных упругих стержней. Контактные взаимодействия деталей при этом не рассматриваются. Такой уровень точности не может быть в настоящее время признан удовлетворительным.

Актуальность темы данной диссертации определяется необходимостью повышения уровня проектирования и технологических возможностей прессов за счет создания и применения эффективных методов математического моделирования и оценки влияния затянутых соединений на работоспособность единых контактных систем деталей прессов и штампов. 7

Проблема теоретического исследования и конструкторского совершенствования затянутых соединений на современном уровне проектирования прессов может быть успешно решена на основе достижений, которыми лидеры соответствующих научных направлений пополнили арсеналы: дискретной механики деформируемого твердого тела - Дж.Аргирис, О.Зенкевич, Р.Галлагер, К.Бате, Е.Вилсон, А.Ф.Смирнов, А.В.Александров, Л.А.Розин, В.А.Постнов, Н.Н.Шапошников и др. /4-14/; механики контактных, в том числе, фрикционных систем - К.Джонсон, Дж.Калкер, М.Раус, Дж.Моруа, Н.Кикучи, Дж.Оден, Т.Конри, А.Сейрег, Э.Хог, Р.Миндлин, Б.Фредрикссон, Т.Андерссон, Л.А.Галин, В.И.Моссаков-ский, А.С.Кравчук, Г.Б.Иосилевич, А.Н.Подгорный и др. /15-35/; численных методов исследования конструкций прессов - М.Гайгер, Л.Шемперг, М.Ямамото, Д.Нисакава, Э.Деже, В.Вегенер, Р.Ченг, Х.Янг, В.Б.Петров, Е.Н.Ланской, Л.И.Живов, Г.А.Овчинников, Б.В.Розанов, А.И.Сурков, Г.П.Монахов-Ильин, В.В.Ковалев, Ю.М.Соломенцев, Б.М.Позднеев /1, 3, 36-56/; методов компьютерных технологий промышленной информатики -Дж.Форсайт, Г.Стренг, Р.Гантер, Н.Вирт, К.Зиглер, Дж.Райс, М.Уэйт, Д.Мартин, Д.Ивенс, В.В.Воеводин, Я.Ковалик и др. /57-70/.

Специфика затянутых соединений и проблема их математического моделирования связаны с тем, что предварительные деформации и напряжения затяжки создаются в системах контактно взаимодействующих деталей, именуемых далее контактными системами. В конструкциях прессов затяжке подвергаются подсистемы деталей, как правило, весьма сложных конфигураций, приводящих к необходимости моделирования взаимодействующих тел в трехмерных напряженных состояниях. К классу затянутых соединений относятся и такие подсистемы, в которых для создания предварительных полей деформаций и напряжений применяются технологии запрессовки.

В данной работе в качестве идентифицированных объектов исследования рассматриваются представленные на рис. 0.1 подсистемы затянутых соединений единой системы {а) деталей КГШП и штампового блока: 9 б - составные, или разъемные, станины, состоящие из базовых деталей (стола, стоек и траверсы), объединенных для совместного восприятия технологических нагрузок путем усилий сжатия стяжными шпильками; в - функциональная подсистема регулирования - путем контролирования клином - зазоров между корпусом подшипника и втулкой станины; г - подсистемы, образованные в результате различных конструктивных вариантов посадки ступицы муфты сцепления на эксцентриковый вал пресса; д - подсистемы деталей штамповых блоков, в которых применяются составные, затянутые с помощью болтовых соединений, направляющие замкового типа, обеспечивающие стабильность взаимного положения плит штампа;

В указанных, а также в других затянутых соединениях, встречающихся в прессах, основная теоретическая проблема, возникающая на этапе принятия конкретных конструкторских решений, заключается в необходимости: найти однозначное соответствие, с одной стороны, между заданными -согласно принятым техническим нормам - усилием затяжки, мерой запрессовки или иной исходной характеристикой затянутого соединения и, с другой стороны, параметрами проектируемой контактной системы, обеспечивающими достижение требуемых предварительных полей деформаций и напряжений; учесть в математической модели затянутого соединения влияние контактного трения, т.е. рассматривать и оценивать работоспособность проектируемого соединения как фрикционной контактной системы.

Поиски в литературе методов, позволяющих подойти к решению обозначенной проблемы, дают основание констатировать следующее.

В современной механике контактных взаимодействий известны аналитические и численные методы.

Чисто аналитические методы, которые применяли основоположники теории контактных задач Г.Герц, Н.И.Мусхелишвили, А.Синьорини, Г.Дюве, Ж.-Л.Лионс, И.Я.Штаерман, И.И.Ворович, В.М.Александров и другие авторы, стали фундаментом постановок и решений ряда классических задач, но лишь о контакте гладких и реже шероховатых тел простейших или абстрактных форм.

10

По существу, среди такого рода задач сложились два основных типа: задачи о «герцевском» контактировании тел по относительно малым пятнам контакта с приближенным учетом формы поверхности только в локальной зоне взаимодействия на основе предположения, что конфигурация тел за пределами зоны контакта на размеры этой зоны и распределение контактных давлений не влияет; задачи о взаимодействии жестких штампов (с различными формами поверхностей) при их вдавливании в полубесконечные деформируемые основания.

Нагрузка, рассматриваемая в этих задачах, принимается весьма условно по характеру распределения.

В литературе начали появляться также задачи третьего типа: аналитические исследования контактных взаимодействий упругих оболочек с подкрепляющими ребрами 1221.

Однако, в основе постановок задач всех трех типов лежат континуальные модели контактирующих тел и чисто аналитические математические методы (ряды, конформные отображения и т.п.), что резко ограничивает возможности решения задач для тел более или менее реальных конфигураций и нагружений. Обобщающая оценка достижений и возможностей аналитических методов в механике контактных взаимодействий содержится в монографии /15/.

Современный период развития контактной механики и ее приложений в различных отраслях машиностроения наступил в результате стремительного перехода (с 1960-ых годов) на компьютерные технологии, позволившие строить и широко использовать дискретные модели и специальные, ориентированные на компьютеры, численные методы.

Наиболее универсальным, развитым и эффективным среди них является метод конечных элементов (МКЭ) /4-14/. В последние десятилетия как конкурентоспособный с МКЭ следует рассматривать метод граничных элементов, однако по уровню программного обеспечения и по диапазону реальных возможностей лидирующим в промышленной информатике остается МКЭ.

11

Первые попытки решать контактные задачи с применением МКЭ /25/ показали, что сам по себе математический метод дискретизации континуальных сред, каковым и является МКЭ, не достаточен для построения алгоритмов итерационных поисков зон контактирования. Необходимость целенаправленных теоретических исследований, проблемно-ориентированных на специфику дискретного моделирования контактных систем, привела к серьезным новаторским работам по созданию таких алгоритмов.

Обширная библиография по применению МКЭ в контактных задачах приведена в работе /26/. Конечноэлементная дискретизация существенно продвинула численный анализ контактного взаимодействия тел, однако проблема моделирования контактных систем этим снята не была.

Принципиальным и общим ограничением возможностей подавляющего большинства методов контактной механики - как аналитических, так и численных (на базе дискретных моделей) - является то, что их алгоритмы построены для описания взаимодействия лишь двух тел. В тех же работах, где в контакте рассматриваются несколько тел, аппроксимируемых по МКЭ, наиболее распространенным является метод контактного слоя /26/, основанный на введении в стыках взаимодействующих тел искусственных слоев специальных конечных элементов, моделирующих ту или иную зависимость между контактными деформациями и напряжениями. Контактные элементы объединяют конечноэлементные ансамбли деталей системы в единую структуру, имеющую наибольшую - для данного варианта разбиения - суммарную размерность. Это, как правило, особенно в трехмерных задачах, порождает проблему, названную Р.Беллманом «проклятием размерности». По такому принципу объединения решения поликонтактных задач (для систем трех и более тел) становятся практически нереальными даже на мощных компьютерах еще и из-за отсутствия в литературе эффективного алгоритма итерационного поиска зон контактов в системе большого числа тел.

Альтернативным принципу объединения является «принцип разъединения» /25/ контактирующих тел, на базе которого построен ряд методов.

12

Метод шагового погружения /26/ и родственный ему метод поочеред-ности основаны на том, что применяется поэтапное приложение нагрузки возрастающими долями с малыми приращениями и соответствующее кусочно-линейное описание нелинейного процесса контактного деформирования с итерационной коррекцией совместности граничных условий контактирования на каждом шаге нагружения. Такого рода шаговая процедура, именуемая инкрементальной, в большинстве случаев не только не смягчает проблемы размерности, но и обостряет ее, делая непреодолимой в классе трехмерных контактных систем тел произвольных конфигураций.

Предпосылки решения проблемы появились в работах, где в рамках принципа разъединения была реализована известная из строительной механики идея метода сил в сочетании с процедурой квадратичного программирования. Впервые эту идею построения дискретной модели контактирующих тел -без прямой связи с МКЭ - предложили Т.Конри, А.Сейрег /19/, после чего она - уже на базе МКЭ - была развита в работах Э.Хога с соавторами /20/.

Весьма полная (к концу 1980-ых годов) классификация и анализ возможностей указанных выше и других методов дискретной механики контактных систем содержится в капитальном исследовании /27/, где отражены основные преимущества метода сил: простота и ясность основной идеи; возможность разъединения и раздельного рассмотрения тел на этапах подготовки итерационной процедуры поиска контактных сил; строгость дискретного удовлетворения требования о взаимном непроникании контактирующих тел; инвариантность структуры алгоритмов в двумерных и трехмерных задачах; принципиальная возможность распространения подхода к задаче о контакте двух тел на контактные системы любого конечного числа тел.

Однако, по уровню теоретического обеспечения и практических возможностей метод сил к концу 1980-ых годов (до появления работ /27-29/) далеко не полностью мог снять проблему моделирования больших контактных систем. Подход, используемый в алгоритмах /19-20/, основан на постановке и решении контактных задач как задач квадратичного программирования. Во

13 обще говоря, сильной стороной этой постановки является ее ориентация не только на моделирование контактирующих тел заданной формы, но и на оптимальное проектирование контуров поверхностей контактов с целью минимизации контактных напряжений.

Вместе с тем, теория и возможности реализации такого подхода имеют два принципиально важных недостатка. Привязанность алгоритмов к процедуре квадратичного программирования сопряжена - при моделировании сложных, особенно трехмерных, контактных систем многих тел - с таким объемом вычислительной работы, что решение серьезных инженерных задач становится неоправданно дорогостоящим или, при отсутствии суперкомпьютеров, вообще недостижимым. Кроме того, в работах /19-20, 25/, основанных на методе сил, имеется теоретический пробел, который заключается в отсутствии какой-либо обоснованной методики вычисления и, по сути дела, в неопределенности значений коэффициентов влияния контактирующих тел, обладающих кинематическими степенями свободы.

Радикальное решение комплекса проблем по преодолению указанных принципиальных трудностей моделирования по МКЭ больших контактных систем и его эффективного применения в прессостроении стало возможным с появлением идей и методов, обобщенных в работе /27/.

В настоящей диссертации проблемы, связанные с исследованием затянутых соединений, решаются на основе теоретического и программного обеспечения, которое разработали Э.Р.Гольник и И.Г.Радченко /28, 29, 47/ для высокоточного дискретного моделирования статически нагруженных контактных систем любого конечного числа упругих деталей произвольных конфигураций. Сущность подхода определяет метод контактных сил и переносных перемещений, который был первоначально построен для систем гладких тел и затем развит с участием Н.И.Гундоровой для фрикционных систем с кулонов-ским трением в стыках на основе неинкрементального /32/ и инкрементального /35/ алгоритмов. Для дискретизации тел в указанных работах применяется МКЭ в перемещениях /4/.

14

Теория, положенная в основу метода контактных сил и переносных перемещений, - применительно к исследуемому классу систем - обладает рядом принципиальных достоинств, поскольку обеспечивает: доказательство корректности этого метода и обоснование соответствующей методики определения входящих в разрешающие уравнения коэффициентов влияния тел, образующих пространственные системы контактирующих деталей, каждая из которых обладает в общем случае всеми возможными кинематическими степенями свободы; универсальность постановки задачи и алгоритма ее решения, охватывающего все реально возможные варианты систем контактно взаимодействующих упругих деталей, встречающихся в современных тяжелых технологических машинах, в том числе, в кривошипных прессах; возможность определения - в рамках основного алгоритма итерационного процесса моделирования фрикционных систем - границ, разделяющих области сцепления и взаимного проскальзывания деталей в контактных стыках; минимизацию объема вычислительных работ за счет экономичного построения алгоритмов.

В настоящее время метод контактных сил и переносных перемещений, развитый на базе классического метода сил, является теоретическим ядром проблемно-ориентированного программного комплекса МАКС (Моделирование и Анализ Контактных Систем) /47/. Комплекс имеет сертификат качества Госстандарта России и, как показывает опыт его успешного промышленного применения /48, 51, 55, 56/, существенно превосходит по быстродействию и реальным возможностям решения поликонтактных задач другие современные программные системы, в том числе, NASTRAN, ASKA, COSMOS, NISA, AN-SYS, Pro/ENGINEER с модулем Pro/MECHANICA и т.п.

За последние два-три года комплекс МАКС модернизирован и дополнен модулями учета кулоновского трения в контактных стыках на основе неинкрементального и инкрементального методов /32, 35/. Насколько нам известно, в указанных выше и в других существующих программных комплексах возможности уче

15 та трения в контактных системах, содержащих более двух, тем более трехмерных деталей произвольных конфигураций, вообще отсутствуют.

Руководящей идеей применения основных результатов работ /28, 29, 32, 35/ для моделирования и анализа затянутых соединений в данной диссертации является эффективный и в значительной степени универсальный подход, согласно которому натяг между деталями рассматривается как отрицательный зазор. В сочетании с таким подходом реализуется методика учета влияния контактного трения во фрикционных затянутых соединениях, позволяющая установить области сцепления и взаимного проскальзывания деталей.

Представляемое исследование носит комплексный характер, поскольку в работе рассматриваются проблемы, ставятся задачи и используются методы на стыке двух специальностей: первую, определяющую основной профиль диссертации специальность «Технологии и машины обработки давлением» поддерживает в данном случае вторая специальность «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры».

Тема диссертации соответствует одному из основных научных направлений ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы объектов машиностроения и аэрокосмической техники». Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре теоретической механики и теоретической физики по теме НИР № ГБ.96.08 «Теория физико-механических свойств тел и твердотельных конструкций» и на кафедре «Автоматизированное оборудование» по теме НИР № ГБ.91.31 «Разработка и обоснование новых технологических процессов и оборудования обработки металлов давлением».

Цель настоящей диссертации предусматривает: повышение качества проектирования тяжелых кривошипных прессов путем создания и внедрения теоретического и программного обеспечения расчетов затянутых соединений с оценкой возможных достижимых уровней предварительной затяжки и их влияния на качество процесса штамповки, а также разработку обобщенных практических рекомендаций по рациональному выбору параметров затянутых соединений.

16

Соответственно изложенным целям в диссертации ставятся следующие основные задачи: развитие метода контактных сил применительно к расчетам многотельных затянутых соединений в пространственных конструкциях прессов рассматриваемого класса путем обеспечения заданных усилий затяжки в виде эквивалентных натягов, представляемых в виде отрицательных зазоров; идентификация типовых для КГ1ПП подсистем затянутых соединений и разработка соответствующих автономных конструктивных моделей с обоснованным выбором конфигураций деталей, заданных внешних нагрузок, граничных условий и контактных, в том числе, фрикционных стыков; исследование деформируемости функционально рассматриваемой подсистемы регулирования зазоров между корпусом подшипника и втулкой станины с целью обеспечения оптимального сочетания вертикальной податливости подшипника и величины предварительной затяжки составной станины; оценка контактных взаимодействий, напряженно-деформированных состояний деталей и работоспособности конструктивных вариантов затянутых соединений, обеспечивающих посадку ступицы муфты на эксцентриковый вал, в том числе, с учетом фрикционных взаимодействий; выявление закономерностей, определяющих характер частичного раскрытия контактных стыков станины при технологических нагружениях и пределы точности работы штампа в зависимости от усилий затяжки на основе анализа напряженно-деформированных состояний единой контактной системы деталей КГШП и штампового блока при технологических нагружениях. Методы исследования, применяемые в работе, включают: исходные уравнения трехмерного напряженного состояния статической линейной теории упругости;

МКЭ в варианте его построения по принципу виртуальных перемещений Лагранжа для численного моделирования напряженно-деформированных состояний линейно-упругих тел произвольных конфигураций;

17 метод контактных сил в трехмерных задачах дискретного моделирования систем любого конечного числа линейно-упругих деталей без учета и с учетом кулоновского трения в стыках затянутых соединений; методы программирования с использованием алгоритмического языка Си в операционной системе Windows NT; метод тензометрирования конструкций затянутых соединений прессов в производственных условиях в целях сравнения результатов измерений и расчетов по предложенной в работе методике.

Научная новизна работы в целом заключается в том, что в ней: применительно к машинам обработки давлением развито и реализовано теоретическое и программное обеспечение методов дискретного моделирова-ния-напряженно-деформированных состояний деталей затянутых, в том числе, фрикционных соединений кривошипных прессов и родственных машин как пространственных контактных систем любого конечного числа упругих тел; поставлены и решены задачи высокоточного исследования специфики и закономерностей работы характерных для тяжелых КГШП подсистем затянутых соединений и их влияния на технологические возможности прессов.

Отмеченная научная новизна диссертации определяется совокупностью следующих, вынесенных на защиту, конкретных результатов. На защиту выносятся: общая постановка рассматриваемого класса задач дискретного моделирования пространственных контактных подсистем затянутых соединений деталей тяжелых кривошипных прессов на основе метода контактных сил и переносных перемещений с представлением натяга, эквивалентного требуемой затяжке, как отрицательного зазора; результаты исследования напряженно-деформированных состояний подсистемы деталей КГШП усилием 80 МН (составной станины, корпуса подшипника и клина) и определение рационального соотношения допустимой вертикальной податливости подшипника и величины затяжки станины;

18 результаты сравнительного анализа распределения контактных сил, деформаций и напряжений в деталях затянутых соединений КГШП усилием 40 МН, обеспечивающих посадку ступицы муфты на эксцентриковый вал в трех конструктивных вариантах: фрикционным соединением по конической втулке; профильным соединением ступицы и концевой части вала; соединением двумя клиновыми шпонками; результаты исследования единой контактной системы деталей КГШП усилием 125 МН и штампового блока при технологических нагружениях с выявлением теоретических закономерностей частичного раскрытия контактных стыков составной станины и обоснованием выбора диапазона оптимальных значений коэффициентов технологически достижимой затяжки станины в целях прогнозирования уровней точности штамповки в зависимости от взаимного положения плит штампа в нагруженной системе; рекомендации по выбору рациональных параметров затянутых соединений, применяемых в КГШП, с обоснованием необходимости подготовки соответствующих специальных сертификационных документов. Достоверность результатов подтверждается: применением сертифицированного Госстандартом РФ и всесторонне апробированного в тестовых и промышленных задачах механики прессостроения программного комплекса МАКС (Моделирование и Анализ Контактных Систем), модернизированного - дополненного специальным модулем - для дискретного анализа многотельных подсистем затянутых соединений; близостью полученных в работе результатов численного моделирования деталей контактной подсистемы затянутой составной станины КГШП усилием

125 МН и данных тензометрирования той же конструкции на заводе-изготовителе в Воронежском ЗАО «Тяжмехпресс» (далее - ТМП); положительным экспертным заключением разработчиков гаммы КГШП о качественном совпадении выявленных в диссертации и вытекающих из опыта промышленной эксплуатации характеристик затянутых соединений.

19

Практическая ценность работы определяется тем, что: на её основе внедрено в практику промышленного применения новое для прессостроения эффективное теоретическое и программное обеспечение высокоточного математического моделирования затянутых соединений; по результатам исследований в целях исключения нештатных ситуаций (типа заклинивания эксцентриковых валов в подшипниках и т.п.) предложены и реализованы соответствующие рациональные режимы затяжки; стало возможным существенное сокращение числа дорогостоящих и сложных по исполнению экспериментальных исследований путем перехода к более информативным и экономичным численным экспериментам; рекомендованное в работе применение посадки ступицы муфты на эксцентриковый вал с помощью фрикционного соединения по конической втулке позволило исключить ранее имевшие место рекламации со стороны зарубежных предприятий, эксплуатирующих выпущенные на ТМП тяжелые кривошипные горячештамповочные прессы.

Внедрение результатов диссертации осуществлено: в ГКБ ТМП в процессе поисковых исследований рациональных конструкций затянутых соединений деталей выпускаемых прессов; в научном и учебном центре компьютерной механики машин и конструкций при Воронежском государственном техническом университете (ВГТУ); в исследованиях и конструкторских разработках по одному из основных научных направлений ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы объектов машиностроения и аэрокосмической техники». Апробация работы проведена: на научных конференциях ВГТУ в 1996-2000 годы; на научном семинаре кафедры «Информационные системы» Московского государственного технического университета (Станкин) (Москва, 1997); на XVI Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы конечных и граничных элементов» (Санкт-Петербург, 1998);

20 на региональной научно-практической конференции журнала «Кузнеч-но-штамповочное производство» (Воронеж, 1998); на международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» ВГТУ (Воронеж, 2001); на научном семинаре кафедры «Автоматизированное оборудование» ВГТУ (Воронеж, 2001); на общегородском научном семинаре по технологической механике при кафедре прикладной механики ВГТУ (Воронеж, 2001).

Публикации: основные результаты исследования по диссертации отражены в 7 опубликованных работах.

Авторские работы приведены в конце общего списка литературы в хронологическом порядке и обозначены номерами, отмеченными буквой А.

Структура и объем диссертации: введение, 5 разделов, заключение, список литературы (118 наименований) и приложение; материалы диссертации (без приложения) включают 156 страниц текста, 50 рисунков, 16 таблиц.

21

Данное заключение содержит обобщение результатов и основные выводы.

1. На основании обзора публикаций и современных требований к расчетам КГШП с подсистемами затянутых соединений, установлено, что: среди многих факторов работы прессов и штамповых блоков, определяющих качество выполнения технологических операций, одним их важнейших является учет влияния деформирования и возможного раскрытия контактных стыков; наиболее эффективный подход к анализу затянутых соединений опирается на МКЭ и на метод контактных сил, являющийся теоретической основой программного комплекса МАКС, позволяющего моделировать заданные усилия затяжки путем введения натягов как отрицательных зазоров.

2. Поставлена и - на примере затянутого соединения подсистемы «втулка станины - корпус подшипника - клин» пресса усилием 80 МН - решена задача исследования возможностей регулирования степени затянутости указанной подсистемы с целью обеспечения близкой к оптимальной величины деформации подшипника скольжения при затяжке станины, с целью исключения заклинивания эксцентрикового вала. Установлено, что на основе предложенной двухэтапной затяжки оптимизация исследуемого затянутого соединения обеспечивается подбором сочетаний функционального оптимизирующего за

144 зора между клином и корпусом подшипника и эффективной площадью контактного прижатия деталей. Такая методика дает возможность управлять состояниями деталей затянутых соединений.

3. Рассмотрена актуальная в прессостроении проблема выбора рационального варианта соединения ступицы муфты сцепления и эксцентрикового вала. Исследованы контактные силы, зоны сцепления и взаимного проскальзывания деталей в трёх сравниваемых конструктивных вариантах передачи крутящего момента: фрикционным соединением по конической втулке; профильным соединением ступицы и призматической концевой части вала; соединением клиновыми шпонками с их беззазорной посадкой по всем боковым граням. До казан о, что рациональным подбором сочетаний начальных натягов и зазоров достигается максимальная эффективность затянутых подсистем, среди которых вариант фрикционного соединения по конической втулке имеет решающее преимущество за счет осесимметричного распределения удерживающих сил трения по поверхностям вращения и отсутствия областей существенной концентрации контактных напряжений, локальных зон нештатных воздействий и изнашивания.

4. Получены общие закономерности, характеризующие влияния подсистем затянутых соединений на технологические возможности тяжелых КГШП. Анализ состояний контактных стыков составной станины в зависимости от уровней её затянутости позволил обосновать следующие положения: для рассмотренных тяжелых прессов (в отличие от машин с меньшими номинальными усилиями) существуют пределы технических возможностей полного исключения раскрытия контактного стыка стойки и стола под действием технологической нагрузки, что связано с границами создания сжимающих усилий с помощью гидрогаек и допускаемых для конструкционных сталей напряжений и деформаций; при проектировании прессов рекомендуется разработанная в диссертации методика специального поиска различных, оптимальных для каждой конкретной конструкции машины, значений коэффициентов затяжки станины.

145

5. Получена информация о степени влияния затянутости составной станины на точность получаемых поковок в подсистеме штампового блока. Выявлено, как кинематические перемещения и деформации его плит определяют пределы возможной точности размеров штампуемых деталей.

6. Сравнение представленных в работе данных численного и экспериментального исследования наиболее важной затянутой подсистемы пресса -составной станины - показало, что общий уровень достоверности результатов применяемого дискретного моделирования следует признать удовлетворительным.

7. Результаты диссертации могут быть положены в основу разработки специальных сертификационных и нормативных документов, регламентирующих проектирование, технологическое обеспечение и работу затянутых соединений.

146

1. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы / Л.И.Живов, А.Г.Овчинников. Киев: Вища школа, Головн. изд-во, 1981. - 376 с.

2. Кривошипные кузнечно-прессовые машины / В.И.Власов, А.Я.Борзыкин, И.К. Букин-Батырев и др. М.: Машиностроение, 1982. - 424 с.

3. Ланской Е.Н., Банкетов А.Н. Элементы расчета деталей и узлов кривошипных прессов. М.: Машиностроение, 1966. - 380 с.

4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 541 с.

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

6. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. - 428 с.

7. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. -351 с.

8. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

9. Современные методы расчета сложных статически неопределимых систем: Сб.статей Дж.Аргириса, С.Келси и др. / Под ред. А.П.Филина. Л.: Судпромгиз, 1961. - 876 с.

10. Аргирис Дж.Г. Вычислительные машины и механика // Теоретическая и прикладная механика: Труды XIV Международного конгресса IUTAM. -М.: Мир, 1979.-С. 15-100.

11. Строительная механика. Стержневые системы / А.Ф.Смирнов, А.В.Александров, Б.Я.Лащеников, Н.Н.Шапошников. -М.: Стройиздат, 1981. 512 с.

12. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы /А.В.Александров, Б.Я.Лащеников, Н.Н.Шапошников М.: Стройиздат, 1983.-488 с.

13. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. М.: Мир, 1977. - 128 с.147

14. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость /Н.Н.Шапошников, Н.Д.Тарабасов, В.Б.Петров, В.И.Мяченков. М.: Машиностроение, 1981. -333 с.

15. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. -М.: Мир, 1989. 510 с.

16. Kalker J.J. A survey of the mechanics of contact between solid bodies // Z. angew. Math, und Mech. 1977. - 57, № 5. - P. T3-T17.

17. Contact Mechanics (Contact Mechanics International Symposium, 1994, Carry-le-Rouet, France) / edited by M.Raous, M.Jean and J.J.Moreau. New York and London: Plenum Press, 1995. - p. 470.

18. Kikuchi N, Oden J. Contact problems in elasticity: A study of variational inequalities and finite element methods. Philadelphia: SIAM, 1988. - XIV, 495 p.

19. Конри Т., Сейрег А. Метод математического программирования в применении к проектированию находящихся в контакте упругих тел // Прикладная механика. 1971. - № 2. - С. 96-102.

20. Хог Э., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование. М.: Мир, 1983.-478 с.

21. Галин JI.A. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. М.: Наука, 1980.-304 с.

22. Моссаковский В.И., Гундарович B.C., Макеев Е.М. Контактные задачи теории оболочек и стержней. М.: Машиностроение, 1978. - 248 с.

23. Кравчук А.С., Васильев В.А. Вариационный метод в контактной задаче теории упругости // Упругость и неупругость. 1978. - Вып. 5. - С. 23-31.

24. Кравчук А.С. Вариационный метод исследования контактного взаимодействия и его реализация на ЭВМ // Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1984. Вып. 25. - С. 33-50.

25. Иосилевич Г.Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин. М.: Машиностроение, 1981. - 224 с.

26. Задачи контактного взаимодействия элементов конструкций / А.Н.Под-горный, П.П.Гонтаровский, Б.Н.Киркач и др. Киев: Наук, думка, 1989. -232 с.

27. Гольник Э.Р. Методы дискретной механики контактных систем и их применение в проектировании прессов: Дис. . докт. техн. наук. Воронеж, 1995.-377 с.

28. Гольник Э.Р., Гундорова Н.И. Метод трехмерного дискретного моделирования контактных систем деталей тяжелых прессов с учетом и анализом влияния трения в стыках // Кузнечно-штамповочное производство. 1999. -№ 10.-С. 26-30.149

29. ГольникЭ.Р., Гундорова Н.И., Успехов А.А. Инкрементальный метод дискретного моделирования фрикционных контактных систем упругих тел на базе неинкрементального алгоритма. // Изв. вузов Машиностроение. 2000.-№ 3. - С. 9-14.

30. GeigerM. Rechnerunterstbtzte Auslegung von Pressengestellen-Ergebnisse einer Modellimtersuchung // Ind.-Anz. 1974. - Bd. 96. - S. 1714-1717.

31. GeigerM. Berechnung des elastichen Verhaltens einer Kurbelpresse mit der Methode der finiten Elemente // Ind.-Anz. 1975. - Bd. 97. - S. 962-968.

32. Schemperg L. Berechnung der elastischen Wechsellwirkungen an Gestell und Hauptgetriebe weggebundener Pressen // Werkstattstechnik. 1977. - Bd. 67, №3,- S. 145-149.

33. Schemperg L. Finite Elemente zur Berechnung elastischen Wechsellwirkungen zwieschen // Maschinenteilen. Konstruktion. 1977. - Bd. 29, № 8. - S. 319-324.

34. Технические данные о проектировании горячештамповочного оборудования фирмы «Сумитомо». Фирма-изготовитель «Сумитомо-Джкжи-кай», Япония Sumitomo Heavy Industries, LTD. - Tokyo, 1982. - 52 с.

35. Doege E., Silberbach G., Wegener W. Research on RAM guide accuracy of forming press // Proc. 25th Int.Mach.Tool Des. and Res.Conf. Birmingham, Apr. 22-24, 1985.-P. 37-47.

36. Cheng R., WangH. Optimieren von Pressen Bauteilen mit FEM // Industrie - Anzeiger. - 1986. - Nr 58/59. - S. 49-51.

37. Петров В.Б., Тарабасов Н.Д., Преображенский H.H. Исследование напряженно-деформированного состояния в станинах прессов закрытого типа // Расчеты на прочность. 1983. - Вып. 23. - С. 48 - 60.

38. Розанов Б.В., Сурков А.И., Монахов-Ильин Г.П. Практика и перспективы использования МКЭ для обеспечения конструктивной надежности узлов и деталей уникальных мощных гидравлических прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. -№ 9.-С. 25 -28.

39. Ковалев В.В. Оценка прочности замкнутых плоских рам на основе МКЭ и теории подобия усталостного разрушения // Кузнечно-штамповочное производство. 1987. - № 6. - С. 34 - 36.

40. Соломенцев Ю.М., Максин Ю.А., Позднеев Б.М., Колчин А.Ф. Интеллектуализация конструкторско-технологического проектирования в интегрированном кузнечно-штамповочном производстве // Кузнечно-штам-повочное производство. -1991,-№2.-С.2-4.

41. Гольник Э.Р., Радченко И.Г., Лейкин М.А. и др. Программный комплекс МАКС и опыт его применения в САПР тяжелых механических прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1995. -№ 3. - С. 19-22 .

42. Гольник Э.Р., Радченко И.Г. Конечноэлементный расчет полей напряжений и деформаций шатунов как объектов подсистем деталей кривошипных прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. - № 3. - С. 25-27.

43. Расчет по МКЭ подсистем трехмерных деталей кривошипных прессов / Э.Р.Гольник, И.Г.Радченко, М.М.Розенблат и др. // Кузнечно-штамповочное производство. -1988.-К» 6,- С. 19-27.

44. Гольник Э.Р., Радченко И.Г., Бобряшев А.В. Исследование по МКЭ эксцентрикового вала и стоек кривошипного пресса как трехмерных деталей, контактирующих при наличии проектных зазоров // Кузнечно-штамповочное производство, 1989, № 1. С. 20-22.

45. Обоснование размеров двухэксцентриковых валов горячештамповочных прессов на стадиях эскизного и технического проектирования / В.Н.Тынянов, Э.Р.Гольник, В.Н.Горожанкин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. - № 1. - С. 5-7.151

46. Типизация конструкций и конечноэлементных моделей кривошипных листоштамповочных прессов / Р.А.Бирбраер, В.И.Балаганский, И.Н.Филькин, Э.Р.Гольник и др. // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. -№ 11.- С. 13-15.

47. Гольник Э.Р., Радченко И.Г. Исследование единой системы контактирующих деталей кривошипного пресса на двумерной модели МКЭ при внецентренных нагружениях // Кузнечно-штамповочное производство. -1990. -№ 10. С. 20-22.

48. Гольник Э.Р., Радченко И.Г. Трехмерное моделирование по МКЭ единой контактной системы деталей кривошипного пресса как основа решения технологических и конструкторских задач проектирования // Кузнечно-штамповочное производство. 1993. -№ 10. - С. 16-19.

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

50. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения. М.: Мир, 1980. - 454 с.

51. Гантер Р. Методы управления проектированием программного обеспечения.-М.: Мир, 1981.-388 с.

52. Вирт Н. Алгоритмы + структуры данных = программы М.: Мир, 1985. -406 с.

53. Зиглер К. Методы проектирования программных систем. М.: Мир, 1985. -328 с.

54. Джордж А., Лю Дж. Численное решение разреженных систем уравнений. -М.: Мир, 1984.-335 с.

55. Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение. М.: Мир, 1984.-264 с.

56. Валях Е. Последовательно-параллельные вычисления М.: Мир, 1985. -456 с.

57. Системы параллельной обработки / Ж.-Л.Баер, Р.Барлоу, М.Вудворд и др. -М.: Мир, 1985.-416 с.

58. Параллельные вычисления / Под ред. Г.Родрига. М.: Наука, 1986. - 376 с.

59. УэйтМ., Прата С., Мартин Д. Язык Си. М.: Мир, 1988. - 512 с. Болски М.И. Язык программирования Си. - М.: Радио и связь, 1988. - 96 с. Воеводин В.В. Математические модели и методы в параллельных процессах. - М.: Наука, 1986. - 296 с.

60. Высокоскоростные вычисления. Архитектура, производительность, прикладные алгоритмы и программы суперЭВМ / Под ред. Я.Ковалика. М.: Радио и связь, 1988. - 432 с.

61. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.

62. Биргер И.А. Расчет резьбовых соединений. М.: Оборонгиз, 1959. 252 с. Шевяков JI.H., Победин И.С., Розанов Б.В. К вопросу о расчете стяжных болтов в станинах кривошипных прессов. Материалы по технической информации. М.: ЦБТМ, 1939. - 56 с.

63. Агапов Ю.Н. К расчету закрытых станин со стяжными болтами кривошипных прессов // Повышение точности и автоматизация штамповки и ковки. М.: Машиностроение, 1971. - С. 132-147.

64. Расчет и обеспечение показателей надежности кузнечно-прессового оборудования при проектировании / Под ред. В.М.Новикова, Г.Н.Платонова -Воронеж: ЭНИКМАШ, 1983. 108 с.153

65. Игнатов А.А., Игнатова Т.А. Кривошипные горячештамповочные прессы. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

66. Кривошипные горячештамповочные прессы в современном кузнечно-штамповочном производстве / Ю.Т.Гурьев, В.Н.Горожанкин, А.Т.Крук и др. М.: НИИмаш, 1983. - 80 с. (Обзор. Серия СЗ. Кузнечно-прессовое машиностроение).

67. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. -М.: Наука, 1978.-592 с.

68. Самарский А.А, Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. - 432 с.

69. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. -608 с.

70. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений / В.А.Пост-нов, С.А.Дмитриев, Б.К.Елтышев, А.А.Родионов. Л.: Судостроение, 1979.-288 с.

71. Бреббиа К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. -М.: Мир, 1982.-248 с.

72. Бенерджи П., Батгерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984. - 494 с.

73. Бреббиа К., Теплее Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987.-524 с.

74. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. М.: Мир, 1987. - 328 с.

75. Argyris J.H. u.a. ASKA User's Reference Manual // ISD Report (Stuttgart). -1971,- № 73.-43 p.

76. Mac Neal R.H.: NASTRAN Theoretical Manual // NASA SP 221. Ed. -Washington: Mac Neal R.H. , 1972. - 117 p.

77. Nelson M.F. ICES STRUDL II // Three-Dimensional Continium Computer Programs for Structural Analysis. New York: ASME, 1972. - P. 23-24.

78. Монахов-Ильин Г.И. Расчет основных пластинчатых рам гидравлических прессов методом конечных элементов // Кузнечно-штамповочное производство. 1979. - № 1. - С. 29 - 32.154

79. Цой В.П. Рационализация конструкций траверс однокривошипных прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1984. - № 8. - С. 37-39.

80. СилановВ.И. Оптимизация параметров элементов конструкций станины кривошипных прессов с целью снижения металлоемкости: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 1985. - 31 с.

81. Расчет напряженно-деформированного состояния станин кузнечно-прессовых машин методом конечных элементов: Методические рекомендации. Воронеж: ЭНИКМАШ, 1982. - 119 с.

82. Расчет напряженно-деформированного состояния станин кузнечно-прес-совых машин методом конечных элементов: Методические рекомендации. Воронеж: ЭНИКМАШ, 1989. - 76 с.

83. Matsubara S., Kudo Н. An analysis of stress and strain induces in some die and punch assemblies for cold forging by the finite element method // 7th Int. Congr. Cold Forging .- Birmingham, Apr. 24 26, 1985. - P. 63-69.

84. Сурков А.И., Монахов-Ильин Г.П., Каданцева E.C. Определение причин разрушения, восстановление работоспособности и оценка прочности рамной станины гидравлического пресса // Кузнечно-штамповочное производство. 1988. -№ 5. - С. 21-24.

85. Галкина Н.С., Гришин В.И., Сурков А.И. Применение метода сил к решению задач о контактном взаимодействии узлов конструкций // Пробл. прочности (Киев). 1982. - № 6. - С. 74-77.

86. Maruyama К. Stress Analysis of f Bolt-Nut Joint by the Finite Element Method and the Copper-Electroplating Method // Bulletin of the JSME.1973. Vol. 16, № 94, April. - P. 671-678.

87. Maruyama K. Stress Analysis of f Bolt-Nut Joint by the Finite Element Method and the Copper-Electroplating Method // Bulletin of the JSME.1974. Vol. 17, № 106, April. - P. 442-450.

88. Maruyama K. Stress Analysis of f Bolt-Nut Joint by the Finite Element Method and the Copper-Electroplating Method // Bulletin of the JSME. -1976. Vol. 19, № 130, April. - P. 360-368.155

89. Иосилевич Г.Б., Лукащук Ю.В. Распределение напряженийв соединении с гарантированным натягом. Вестник машиностроения. - 1979. - № 6. -С. 25-26.

90. Парсонс В., Уилсон Е.А. Метод определения поверхностных контактных напряжений в соединениях с натягом / Труды американского общества инж.-механиков. Сер. В. Конструирование и технология машиностроения.- 1970.-№ 2, С. 293-303.

91. Andersson Т., Fredriksson В., Persson B.G.A. The boundary element method applied to 2-dimensional contact problems. // New Developmets in Boundary Element Methods, ed. Brebbia.- Southampton: CML Publishers, 1980,- P. 93-99.

92. Takahashi S., Brebbia C.A. A boundary element flexibility approach for solving contact problems with and without friction // Engineering Analysis with Boundary Element. Elsevier Science Publishers Ltd, 1992. - V 9. - P. 3-11.

93. Man K.W., Aliabadi M.H., Rooke D.P. BEM frictional contact analysis: Modelling considerations // Engineering Analysis with Boundary Elements. 1993.- V.ll. P. 77-85.

94. Щенк X. Теория инженерного эксперимента. -М.: Мир, 1972. 381 с.

95. Басаков М.И. Сертификация продукции и услуг с основами стандартизации и метрологии. Ростов-на-Дону: издат. центр «МарТ», 2000. - 256 с.

96. А2. Гольник Э.Р., Жилин Р.А., Радченко И.Г., Рукин Ю.Б. Новые возможности системного математического моделирования при проектировании кривошипных горячештамповочных прессов // Кузнечно-штамповочное производство, 1998. № 3. - С. 24-28.156

97. А7. Гольник Э.Р., Дибнер Ю.А., Жилин Р.А. Анализ состояний контактных стыков составных станин тяжелых КГШП в зависимости от уровня их затянутости // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением 2001. - № 3. - С. 22-28.