Проектирование процессов листовой штамповки на основе уточнения модели материала

Актуальность темы

В обработке металлов давлением происходит постоянный поиск новых и повышение эффективности существующих технологических процессов, способствующих улучшению надежности деталей и конструкций.

Одним из эффективных ресурсосберегающих путей решения этих задач является метод моделирования технологических процессов и аварийного разрушения конструкций на вычислительных машинах. Вычислительная система, проектирующая процессы обработки металлов давлением, включает в себя модели кинематики оборудования, технологического процесса, материала заготовки. Наибольшими резервами к повышению точности моделирования операций формообразования обладает совершенствование моделей материала.

Модель кинематики оборудования обычно позволяет описать движение рабочих органов пресса с заданной точностью. Достоверность описания технологического процесса определяется точностью задания геометрии заготовки и оснастки, решением задачи о напряженно-деформированном состоянии (НДС) заготовки и ее моделью материала. Если описание геометрии и определение НДС зависят от используемых методов, то выбор модели материала и определение ее параметров требует постоянного совершенствования в связи с появлением новых материалов и их математических моделей.

В современных программах модель материала включает в себя:

— модель деформирования: поверхность нагружения, кривые течения для различных напряженных состояний, параметры эффекта Бау-шингера;

— модель технологических дефектов: диаграммы устойчивости деформирования и разрушения различных видов.

Примерно до середины 90-х годов в конечно-элементных программах использовали модели материалов, основные параметры которых определяются испытаниями на одноосное растяжение в различных направлениях. Это модели Мизеса, Хилла, Барлата-Лиана. Оценка возможности отказов производилась в постпроцессоре на основе экспериментальной диаграммы предельных деформаций.

В последнее время, в связи с возрастающей сложностью систем конечно-элементного моделирования, с целью более точного описания пластического поведения различных материалов начали использовать более сложные модели, такие, как модель Барлата 1996 года, которая содержит восемь параметров в случае двумерного напряженного состояния. Для описания разрушения материала стали использовать модели Лазэма-Кокрофта, Ойана, В. Л. Колмогорова, критерии разрушения, учитывающие механизмы накопления повреждений и историю деформирования, разработанные Г. Д. Делем. Моделирование разрушения сочетается с прогнозированием неустойчивости листа, которое вызвано развитием его исходной геометрической или физической неоднородности по модели 3. Марциняка и К. Кучинского и ее модифицированному варианту, предложенному Г. Д. Делем и сотрудниками.

Разнообразие материалов, используемых в машиностроении, предопределило большое число различных моделей для их описания. В современных конечно-элементных программах число моделей исчисляется десятками, а иногда и сотнями вариантов. Модели материалов основываются на определенных параметрах, получаемых экспериментально. Число параметров весьма велико, некоторые карты материалов конечно-элементных программ содержат порядка тридцати — сорока параметров.

Поэтому точность и надежность моделирования определяется в значительной степени точностью этого экспериментально-расчетного определения характеристик материалов.

Эффективным способом повышения точности экспериментального определения параметров материалов является использование вычислительной техники в эксперименте, совершенствование методов обработки результатов. Методики должны учитывать специфику конкретных испытаний, таких, как наличие определенных характеристик в результате испытания, взаимосвязь и взаимозаменяемость испытаний, полнота и доа) моделирование без учета раз- (Ь) реальные испытания © моделирование с прогнозиро-рушения срезом ванием разрушения срезом.

Рис. 1. Продольный удар по элементу демпфирующей системы автомобиля. ж стоверность результатов.

Таким образом, для повышения качества моделирования технологических операций обработки металлов давлением является актуальным дальнейшее совершенствование методов определения параметров материалов, и выбора их моделей для конкретного материала.

На рис. 1(a) в качестве примера показано конечно-элементное моделирование продольного удара по элементу демпфирующей системы автомобиля без учета отказов (неполная математическая модель). Поведение детали в сравнении с испытаниями (рис. 1(b)) полностью искажается. При учете возможности отказов в виде локализации деформаций, разрушения отрывом и срезом результаты моделирования чрезвычайно сильно приближаются к эксперименту (рис. 1(c)). Для этого моделирования было необходимо получить на основе испытаний материала параметры анизотропии, параметры кривой течения, параметры диаграмм разрушения отрывом и срезом. Точность определения параметров для достижения необходимого соответствия конечно-элементной модели натурному эксперименту должна была быть весьма высокой.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с перечнем критических технологий федерального уровня, направление 2.6 — «Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления». Тема работы включена в основное научное направление ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники», научное направление «Автоматизированное проектирование операций ли, стовой штамповки» кафедры «Прикладная механика» ВГТУ. Работа выполнялась на кафедре «Прикладная механика» Воронежского государственного технического университета.

Целью исследования являлась разработка методик экспериментально-расчетного определения технологических характеристик материалов, используемых в САПР и конечно-элементных программах, широко применяемых в расчете процессов листовой штамповки и моделировании аварийного разрушения деталей и конструкций с учетом истории деформирования в операциях вытяжки деталей.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

— разработать методики экспериментально-расчетного определения характеристик листового и профильного материала для построения по' верхности нагружения и законов упрочнения;

— разработать методики экспериментально-расчетного определения предельных свойств материала, необходимых для прогнозирования возникновения технологических отказов: параметры устойчивого деформирования, разрушения отрывом и срезом;

— разработать комплексное программное обеспечение определения параметров моделей пластичности материалов;

— внедрение результатов исследований в практику испытаний различных профильных и листовых материалов;

— оценить точность определения механических и предельных деформационных свойств материалов на качество проектирования операций обтяжки профильных и листовых деталей.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с г использованием методов теории пластичности. Проверка предлагаемых методик осуществлялась с применением пакетов конечно-элементных программ. Экспериментальные исследования проводили с использованием современных испытательных машин и регистрирующей аппаратуры. Обработку данных осуществляли с применением методов математической статистики.

Научная новизна.

— новые виды испытаний материала для определения поверхности на-гружения листовых материалов;

— исследовано влияние выбора уравнения аппроксимации на точность описания кривой течения материала заготовки в областях деформирования, характерных для различных процессов обработки металлов давлением;

— экспериментальные методики построения диаграмм разрушения отрывом и срезом;

— исследовано влияние деформационных свойств материала на точность формообразования профильных деталей гибкой с растяжением;

Практическая ценность.

— создано и внедрено программное обеспечение на основе разработанных алгоритмов, позволяющее улучшить качество и сократить трудоемкость обработки результатов испытаний;

— предложенные методики позволяют повысить точность формообразования и надежность прогнозирования технологических дефектов при проектировании различных операций листовой штамповки, снижают себестоимость проектировочных и доводочных работ;

— для алюминиевых сплавов АМГ и дуралюминов, высокопрочных двухфазных сталей даны рекомендации по оценке разрушения и потери устойчивости в операциях вытяжки и гибки с растяжением различных профильных деталей и деталей из листа;

— моделирование аварийного разрушения на основе правильно выбранной модели материала и его более точных характеристик позволяет на ранней стадии проектирования конструкции сделать рекомендации по выбору оптимальной геометрии и материалов ответственных элементов этой конструкции;

— создано программное обеспечение для управления базой данных результатов испытаний, позволяющее накапливать результаты механических испытаний для последующего их использования, что приво-(дит к снижению затрат на подготовку производства.

Достоверность результатов и выводов обеспечена корректной постановкой задачи, использованием современных и надежных методов исследований и программирования, проведением численных и лабораторных экспериментов, сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей. Научные положения и практические результаты подтверждены опытно-промышленными испытаниями разработанных технологий. Примененный для численной проверки предложенных методик конечно-элементный пакет Abaqus прошел сертификацию по стандарту ISO 9001 и широко применяется при моделировании нелинейных задач в промышленности и науке.

Реализация и внедрение результатов работы. На основе разработанных алгоритмов и методик создан программный комплекс обработЬ ки экспериментальных данных и хранения характеристик материалов. Разработанные методы и программные средства проверены автором при испытаниях материалов в лаборатории Воронежского государственного технического университета по заказу предприятий авиационной и автомобильной промышленности, а также внедрены в учебный процесс, что подтверждается соответствующими документами. Система управления базой данных материалов опробована на предприятиях Воронежского акционерного самолетостроительного общества, что подтверждено актами внедрения.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 23 научных работах, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 7 —зарегистрированные в ГосФАП программные продукты [36] —[42] и 2 учебных пособия [14, 18]. В работах, опубликованных в соавторстве, < лично соискателю принадлежит: [25] - программное обеспечение для построения делительных сеток- [12] - алгоритм обработки кривой течения- [10, 13, 21] - методики аппроксимации кривых течения материала- [11].

— алгоритмы экстраполяции кривых течения материала- [15, 17, 18, 14] -методики обработки результатов испытаний- [16] - программное обеспечение баз данных материала- [19, 20] - алгоритмы определения параметров поверхности нагружения- [22] - оригинальные методики обработки результатов испытаний- [23] - методики моделирования испытаний методом конечных элементов, программный комплекс обработки результатов испытаний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и основных выводов, списка литературы (80 наименований) и приложения, изложенных на 173 страницах, содержит 75 рисунков и 9 таблиц.

Результаты исследования нашли практическое применение в нескольких направлениях:

1. Разработан вычислительный комплекс Researcher, который позволяет автоматизировать обработку результатов механических и технологических испытаний и заполнение баз данных свойств материалов для САПР технологических операций пластического формообразования деталей из листа и профиля методами обтяжки, вытяжки в жестких штампах, вытяжки, отбортовки, формовки деталей эластичными средами, раскатки роликами по трехвалковой схеме и раздачи труб. Комплекс используется в технологической практике технологических отделов и исследовательских лабораторий конструкторских бюро и предприятий авиационной, автомобильной и вагоностроительной промышленности на протяжении 5 лет.

2. Создано программное обеспечение, разработаны методики обработки результатов механических и технологических испытаний для заполнения карт материалов, необходимых для компьютерного моделирования операций листовой штамповки с помощью методов конечных элементов.

3. Карты материалов используются также при моделировании аварийного разрушения при проверке безопасности автомобилей методами конечных элементов.

5.1.1 Влияние точности задания исходных данных на моделирование операций обтяжки деталей из профиля на гибочно-растяжном прессе FEHP10.

САПР технологической операции обтяжки профильных деталей включает расчет напряженно-деформированного состояния заготовки, о.

Рис. 60. Схема гибочно-растяжного пресса FEHP10 ценку пружинения заготовки, то есть отклонение контура профильной детали от теоретического контура вдоль нормали к нему. В процессе моделирования операции пользователь может скорректировать оснастку на величину расчетного пружинения, оценить утяжку и искажение различных элементов поперечного сечения заготовки и создать управляющую программу для ЧПУ пресса.

Технологический процесс гибки с растяжением [35], заключается в натяжении прямолинейной профильной заготовки на криволинейную поверхность пуансона (рис. 60). В конце процесса деталь полностью прилегает к поверхности пуансона. В ходе деформирования заготовка испытывает сложное поэтапное нагружение:

1. Предварительное растяжение до достижения пластического состояния заготовки до пластической деформации в заготовке на 0,5−1%;

2. Оборачивание заготовки вокруг рабочей поверхности пуансона, во время которого заготовка подвергается пластическому изгибу с растяжением;

3. Калибровка сформированной детали, в процессе которой деталь дополнительно растягивается на 0,5−2% для обеспечения более равномерного распределения напряжений по высоте сечения заготовки и снижения тем самым пружинения детали при разгрузке.

Управление процессом гибки с растяжением на станках осуществляется числовым, программным устройством (ЧПУ), в которое предварительно загружается управляющая программа формообразования конкретной детали. Управляющая программа представляет собой покадровое задание перемещений штоков растяжных и поворотных цилиндров, в результате которых концы заготовки в захватных устройствах растяжных цилиндров описывают оптимальную траекторию.

При выполнении оптимальной траектории достигается минимальная деформация в заготовке при минимальном отклонении контура профиля детали от ее теоретического контура, по которому производится оценка точности формообразования по величине пружинения.

С.С.Одинг и сотрудники разработали САПР ТО — PS2 °F гибки с растяжением профильных деталей на обтяжном прессе FEHP10. На основании математических моделей кинематики пресса, материала заготовки решается задача о напряженно-деформированном состоянии заготовки в каждый момент нагружения. В результате рассчитываются как параметры процесса и геометрии детали, так и оптимальная управляющая программа формовки детали, которая обеспечивает бездефектное изготовление детали на основе различных критериев технологических отказов деформационного типа с заданной точностью воспроизведения теоретического контура детали.

Автор принимал участие в разработке структуры базы данных САПР, создании расчетных методик обработки результатов экспериментов для определения характеристик материалов, необходимых для заполнения баз данных системы PS2 °F.

Рассмотрим пример эксплуатации системы PS2 °F для иллюстрации влияния выбора модели и точности задания исходных свойств материала на основные характеристики качества процесса" — пружинение отформованной детали и утяжку поперечного сечения.

В системе используется упруго-пластическая модель анизотропного материала с кинематическим упрочнением. Поверхность нагружения описывается моделью Хилла 1948 года (1.12). Параметры модели определяются по параметрам Лэнкфорда по соотношениям (1.13). Материал считается трансверсально изотропным. У трансверсально изотропного материала свойства осесимметричны, то есть существует некоторое семейство плоскостей, перпендикулярных оси симметрии свойств, в которых свойства не зависят от направления. Это выражается в том, что параметры Лэнкфорда.

Го = Г90 = Г45 = Г. (5.1).

Параметр г является характеристикой материала. У изотропного материала г = 1,0. Параметры модели Хилла 1948 года следующим образом выражаются через параметр г: 1.

0>х — Q>v — ху.

2 + г').

1 + 2 г а2 = (5.2).

2 + Г.

Уравнения пластического состояния трансверсально изотропного материала при двухосном напряженном состоянии с учетом (5.2) будут 3s ((l + r) ax — ray) £х —.

2 а (2 +г) Зе ((1 +г)ау — гах).

2 *(2Г) ' (5.3).

Z —.

Еху —.

2 а{2 + г) ' 3(1 + 2 г) £тху.

2 а (2 + г)'.

Эквивалентное напряжение и эквивалентная деформация определяются из уравнений 1/57^-т ((1 + r) al — 2го*, + (1 + r) a + 2(1 + 2r) r|,), ('(5.4) e=у Щъ)((i+r)4+2rei£" +(i+&->+&-¦

Коэффициент анизотропии г и кривая течения а (е) устанавливаются испытанием плоского образца на одноосное растяжение.

Рис. 61. Геометрия пуансона и его положение на столе пресса на профилегибочном станке FEHP10 для формообразования профиля поперечного элемента фюзеляжа самолета из алюминиевого сплава.

Упрочнение аппроксимируется степенной функцией Свифта (1.32). Эффект Баушингера описывается параметром /Зт функции (3.52). Остальные параметры функции (3.52) принимаются равными соответственно.

Д) = 1,0- С = 70. (5.5).

На рис. 61 приведен пуансон для гибки профильной детали поперечного элемента фюзеляжа самолета и его положение на столе пресса.

На рис. 62 показано поперечное сечение профильной детали, на которой проводили численный эксперимент по оценке влияния механических характеристик материала заготовки на точность формообразования. Все размеры на рисунке заданы в миллиметрах. Длина заготовки 3800 мм, материал заготовки — профильный алюминиевый сплав 7075W (аналог АМГ4) после закалки и непродолжительного естественного старения в течение ЗО-бОмин.

Параметры используемого в опытах материала приведены в таблице.

В процессе численного эксперимента последовательно изменяли ха.

J+ profile secllon Profile «2.

Cross-Secilon Rrea 521.38 Moment of Inertia 391 463.21 Center of Gravity -54.34.

Рис. 62. Поперечное сечение профильной детали поперечного элемента фюзеляжа самолета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования и разработки позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Предложены методики определения параметров поверхности нагружения листовых материалов на основе испытаний на кручение в плоскости листа и сжатие слоистых образцов. Сопоставление поверхностей нагружения, полученных испытаниями трубчатых образцов в условиях сложного напряженного состояния, и с помощью предлагаемых методик, дало удовлетворительный результат, что позволяет использовать данную методику для определения типа поверхности нагружения и вычисления параметров уравнения поверхности нагружения листового материала. Использование данных методик существенно упрощает экспериментальное построение поверхности нагружения листового материала.

2. Создан пакет прикладных программ для построения поверхности нагружения по результатам испытаний трубчатых образцов в условиях сложного напряженного состояния с любым заданным отношением главных напряжений. Таким образом повышается точность определения начала пластического течения при различных видах напряженного состояния заготовки в проектировании операций листовой штамповки.

3. Разработаны методики расчета параметров современных уравнений аппроксимации кривых течения и методы экстраполяции этих уравнений в область больших деформаций, позволяющие повысить точность описания поведения материала в процессах глубокой вытяжки и для оценки вероятности появления технологических отказов заготовки. Создано программное обеспечение на основе этих методик.

4. Испытания слоистых образцов на сжатие показало, что кривые течения при больших деформациях выполаживаются. Поэтому для аппроксимации рекомендуется использовать уравнения Воке и Хоккет.

Шерби, точность которых в области больших деформаций выше.

5. Разработана экспериментальная методика испытания на сжатие с последующим растяжением листового материала, позволяющая определить функцию наследственности модели материала Бакхау-за, учитывающей историю деформирования заготовки в различных операциях листовой штамповки.

6. Предложены алгоритмы расчета параметра неоднородности для оценки устойчивости пластического деформирования листовых материалов. Разработана экспериментально-расчетная методика испытаний отбортовкой для определения предельной устойчивой деформации материалов со скоростным разупрочнением.

7. Разработаны методики определения параметров разрушения на основе испытаний в условиях различных напряженно-деформированных состояний листового материала. На основе разработанных методик создано программное обеспечение, успешно применяемое на практике. Экспериментальные исследования процессов разрушения, проведенные в рамках данной работы, подтвердили, что при оценке разрушения изготавливаемой детали следует рассматривать два механизма разрушения: отрывом и срезом.

8. Создана автоматизированная система подготовки баз данных для САПР различных операций листовой штамповки. Проведен промышленный эксперимент на профилегибочных станках с программным управлением для оценки влияния точности описания параметров моделей материалов на качество моделирования процессов обтяжки.

9. Промышленный эксперимент по оценке эффективности прогнозирования аварийного разрушения на боковой стойке кузова автомобиля, проведенный с использованием предложенных в работе методик, показал хорошее совпадение экспериментальных результатов с результатами моделирования разрушения. Моделирование проводилось с учетом всей истории деформирования материала деталей стойки от заготовки до аварийного разрушения.