авторский проект Напалкова Александра Валерьевича

новости  :: рейтинг производителей метизов  ::  проекты  ::  рукописи  ::  журналы :: наука :: технологии :: оборудование :: производство

Диссертация

Разработка модели накопления деформационной

поврежденности сталей И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В РАСЧЕТАХ ХОЛОДНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

А.В. НАПАЛКОВ, канд. техн. наук

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие техники предъявляет повышенные требования к качеству металлопродукции. Недопустимость разрушения металла (на макро- и микроуровне) при изготовлении деталей холодной пластической деформацией - один из важнейших факторов, который определяет качество металлических изделий при их дальнейшей эксплуатации. Избежать разрушения и управлять распределением дефектов в процессе пластического формообразования позволяет прогнозирование деформационной поврежденности металла.

Анализ, рационализация и оптимизация технологических параметров операций и процессов обработки металлов давлением (ОМД) традиционно базируется на основных положениях теории пластичности и феноменологической теории разрушения. В свете тенденций развития современной технологии ОМД (максимальная экономия материальных и энергетических ресурсов при производстве сложнопрофильных деталей с заданным уровнем свойств) основная проблема традиционного подхода заключается в невозможности последовательного учета истории нагружения при теоретическом анализе последовательности формообразующих операций и процессов холодной объемной штамповки (ХОШ), протекающих в условиях немонотонной деформации и сложного (непропорционального) нагружения. Эта проблема получила решение в работе Лавриненко Ю.А. [1], однако при прогнозе разрушения продолжает оставаться актуальной.

Интенсивное развитие современной вычислительной техники открывает качественно новые возможности при анализе пластического формообразования, разработке новых технологий и оценке качества металлопродукции. На сегодняшний день известны пакеты прикладных программ (ППП) для математического моделирования технологических операций обработки металлов давлением (ОМД): DEFORM, ANTARES, MARC/Autoforge (США); Forge 2/3 (Франция); FORM 2D,  PAПИD, ШТАМП (Россия) [2-5]. Оценка деформационной поврежденности в этих программах или отсутствует или основана на механике разрушения - теориях предельного состояния: M.G. Cockroft, D. J. Latham, F.A. McKlintock, S.N. Shah, S.I. Oh, S. Kobayashi, C.H. Lee, И.И. Трунина, Г.П. Черепанова, Дж. Райса и др. [6-11] Эти теории позволяют прогнозировать разрушение в задачах с малыми упруго-пластическими деформациями.

Задачи прогнозирования разрушения и качества металлопродукции в процессах и операциях пластического формообразования, для которых характерны большие пластические деформации, решаются в рамках феноменологической теории разрушения, основы которой были заложены членом корреспондентом РАН В.Л. Колмогоровым [12] и получили развитие в работах самого автора [13-17], его учеников и последователей [18-21].

Несмотря на интенсивное исследования в этом направлении в последние 20...25 лет [22-41] задача последовательного учета истории нагружения в феноменологической теории разрушения еще до конца не решена. Эта проблема особенно актуальна при разработке многопереходных технологических процессов ХОШ, которые протекают в условиях немонотонной деформации и сложного нагружения.

Возможным направлением решения  отмеченной  проблемы является использование результатов физической теории прочности и пластичности металлов, которая в последние годы получила хорошее развитие в том числе и в работах отечественных исследователей [42-49]. Основополагающими результатами являются установление кинетической природы прочности твердых тел, дислокационных механизмов зарождения микротрещин и закономерности их эволюции при пластической деформации.

Из выше сказанного следует, во-первых, что современный уровень развития феноменологической теории разрушения металлов в процессах большой пластической деформации в ряде случаев не позволяет делать адекватные прогнозы о вероятности макроразрушения в  процессах пластического формообразования. В этой связи задача дальнейшего развития расчетных методов определения деформационной поврежденности в сталях при разработке многопереходных технологических процессов холодного пластического формообразования является актуальной. Во-вторых, возможным подходом к решению отмеченной задачи является построение инженерной физической модели накопления деформационной поврежденности в сталях и ее использование при решении конкретных задач пластичности в рамках единой физико-математической теории пластического формообразования.

Исходя их этого, целью данной работы явилось повышение точности расчета поврежденности в сталях при математическом моделировании многопереходных технологических процессов ХОШ за счет последовательного учета истории нагружения.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка инженерной физической модели накопления поврежденности при холодной пластической деформации сталей.

2. Определение параметров модели накопления поврежденности на основе экспериментальных диаграмм деформирования и пластичности

сталей.

3. Доработка пакета прикладных программ ОМД УГАТУ и исследование адекватности модели накопления поврежденности в условиях простого и сложного нагружений.

4. Численное моделирование, разработка и внедрение в производство технологии ХОШ втулки 2108-2904310 из стали 20.

В качестве материала исследований были взяты десять марок сталей: 10кп, 20кп, 20, 12ХН, 15ХГНМ, 20Г2Р, 30Г1Р, 38ХА, 38ХГНМ, 40ХН2МА, которые широко применяются для изготовления крепежных изделий методами ХОШ.

Механические испытания на растяжение и осадку проводили на универсальной испытательной машине 1231 У-10. Численное моделирование технологических операций ОМД осуществляли методом конечных элементов (МКЭ) в форме прямого метода матриц жесткости.

В процессе решения поставленных задач исследований были получены новые научные  результаты, которые заключаются в следующем:

1. Разработана инженерная физическая модель накопления деформационной поврежденности при холодной пластической деформации сталей.

2. В рамках данной модели установлено, что при холодной пластической деформации сталей зарождение микротрещин происходит силовым способом.

3. Показано, что феноменологическая теория деформируемости дает адекватный экспериментальным данным прогноз разрушения в случае монотонной или квазимонотонной деформации и простого нагружения. Теория не позволяет адекватно оценить поврежденность в условиях сложного нагружения, и скачкообразного изменения (в широком интервале) показателя жесткости напряженного состояния.

4. Показано, что при холодной пластической деформации сталей критическая плотность микротрещин зависит от показателя жесткости напряженного состояния. Получено аналитическое выражение данной зависимости для сталей с содержанием углерода до 0,4 % и легирующих элементов до 3,0 %.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Инженерная физическая модель накопления деформационной поврежденности при холодной пластической деформации сталей.

2. Результаты математического и физического моделирования пластической деформации образцов в условиях простого и сложного нагружений с применением разработанной и феноменологической моделей накопления деформационной поврежденности.

3. Доработанный ППП “ОМД УГАТУ” для ПЭВМ расчета напряженно-деформированного состояния и деформационной поврежденности в процессах ХОШ сталей в рамках единой физико-математической теории пластического формообразования.

4. Результаты математического моделирования, разработки и внедрения технологического процесса ХОШ втулки 2108-2904310 из стали 20.

Практическая значимость работы заключается в доработанном на основе инженерной физической модели накопления деформационной поврежденности в сталях ППП для ПЭВМ, который обеспечивает математическое моделирование, рационализацию и оптимизацию технологических параметров многопереходных процессов ХОШ, характеризующихся наличием упрочнения и возникновением деформационной анизотропии. С  помощью данного ППП разработан и внедрен  в производство с годовым экономическим эффектом ...  технологический процесс ХОШ втулки 2108-2304310 из стали 20 для автомобилей ВАЗ.

Результаты работы докладывались и  обсуждались на XXVI Международном научно-техническом совещании “Динамика и прочность двигателей” (Самара, 1996), Всероссийской научно-технической конференции “Новые материалы и технологии” (Москва, 1996), Всероссийской научно-технической конференции “Ресурсосберегающие технологии листовой и объемной штамповки” (Ульяновск, 1997), конференции молодых ученых, аспирантов и студентов в УГАТУ, а также на научных  семинарах Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и институте  механики Уфимского научного центра РАН.

Основные результаты работы опубликованы в 7 научных трудах, которые включены в список литературы. Две работы приняты к опубликованию редакцией журнала “Проблемы прочности” и находятся в печати.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках научно- технической программы Министерства общего и специального образования РФ “Университеты России (Технические университеты)”, раздел “Фундаментальные исследования в технических университетах (подраздел 2.1 - Машиностроение), секция 2.1.1 “Разработка фундаментальных основ повышения динамических и прочностных характеристик машин и механизмов специального машиностроения”, тема “ Разработка теоретической модели предельной пластической деформации металлов”, а также в соответствии с планами госбюджетных НИР УГАТУ в рамках единого наряд-заказа.

ОГЛАВЛЕНИЕ >>

новости  :: рейтинг производителей метизов  ::  проекты  ::  рукописи  ::  журналы :: наука :: технологии :: оборудование :: производство

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на сайт и автора следующим образом:

© Напалков Александр Валерьевич : Рукописи : на www.nav.t-k.ru

Последнее обновление

07-05-2006