Компьютерное моделирование статико-импульсного формоизменения тонколистовых металлов подвижной средой

Использование предлагаемой математической модели для предпроектной оценки систем автономного теплоснабжения дает широкие воз-

можности для конкурентоспособного развития возобновляемой энергетики, особенно в регионах с дефицитом генерирующих мощностей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент России № 2382281. Система автономного теплоснабжения и холодоснабжения зданий и сооружений [Текст] / Д.С. Стребков, В.В. Харченко, В.В. Чемеков // Опубл. 2010.- Бюл. №5.

2. VITOCAL 300/350. Тепловые насосные установки Viessmann. [Текст]: Инструкция по проектированию / Viessmann Werke GmbH&Co.— 2004.— 96 с.

3. VITOCAL 300 Luft/Wasser Wärmepumpe 5,4 bis 14,6 kW. Datenblatt. Technische Änderungen vorbehalten [Текст ] / Viessmann Werke GmbH&Co.— 2002.— 12 s.

4. Duffie, J.A. Solar engineering of thermal processes [Текст ] / J.A. Duffie, William A. Beckman.— 2nd ed.— Wiley, John & Sons, Incorporated, 1991.— 918 p.

5. Chemekov, V.V. Modelling of autonomous heating, ventilating and air conditioning system based on the heat pump and wind turbine [Текст] / V.V. Chemekov, V.V. Kharchenko, V. Adomavicius // Proc. of the 6th international conference on electrical and control technologies «ECT-2011».— Kaunas: Lithuania, 2011.— P. 307-310.

6. Чемеков, В.В. Оценка эффективности применения тепловых насосов типа «воздух— вода» для теплоснабжения индивидуальных жилых домов в климатических условиях Краснодарского края [Текст] / В.В. Чемеков // Энергообеспечение и энер-

госбережение в сельском хозяйстве: Тр. 7-й Между-нар. научно-техн. конф. Часть 4: Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология.— М.: Изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2010.— С. 293298.

6. Харченко, В.В. Теплоснабжение дома от тепло-насосной системы, использующей возобновляемые источники энергии [Текст] / В.В. Харченко, В.В. Чемеков, П.В. Тихонов, В.Б. Адомавичюс // Lietuvos taikom j moksl^ akademijos mokslo darbai. Tarptautinis inovacinis taikomj mokslo darb^ zurnalas (Научные труды Академии прикладных наук Литвы. Междунар. инновац. журнал прикладных научных трудов).— Klaipeda: Klaipedos universiteto leidykla.— 2011. № 3.— P. 45-52.

7. Чемеков, В.В. Измерение метеорологических данных для проектирования систем энергоснабжения на основе ВИЭ [Текст ] / В.В. Чемеков // Возобновляемые источники энергии. Матер. шестой Всеросс. науч. молодеж. шк. Часть 2. (Москва, 25-27 нояб. 2008 г.).— Москва, 2008.— С. 121-126.

8. Multipurpose measuring complex for continuous monitoring of RES based power systems [Текст] // Proc. ofthe 6th intern. conf. on electrical and control technologies «ECT-2011» Kaunas, Lithuania, 2011.— P. 311-316.

УДК 623.983:531

Т.В. Антощенко, А.В. Бородкин, В.С. Мамутов

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ ТОНКОЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ ПОДВИЖНОЙ СРЕДОЙ

Штамповка подвижными средами характеризуется применением только одного жесткого рабочего инструмента, а в качестве второго инструмента используется подвижная среда — магнитное поле, газ, жидкость, резина, полиуретан, мягкий металл и т. п. Методы штамповки подвижными средами эффективны в условиях мелкосерийного производства деталей из тонколистовых материалов и фольги. Однако не всегда

удается получить требуемое качество детали. Часто при статической, а точнее — квазистатической, штамповке подвижными средами алюминия и алюминиевых сплавов на кривошипных и гидравлических прессах происходит гофроо-бразование, неполное заполнение заготовкой рельефа матрицы и нарушение сплошности материала, что приводит к браку. На сложность проектирования подобных процессов может

оказывать влияние анизотропия листового металла. Особенно это характерно для деталей, имеющих сложный в плане рельеф. При импульсной штамповке можно достичь уменьшения пружинения и повышения точности, но за счет конечной скорости распространения пластических волн в материале заготовки возможна локализация пластических деформаций и разрушение заготовки.

Для изготовления подобных деталей эффективно комбинирование статического и импульсного нагружений. Однако определить априорно параметры такого нагружения достаточно сложно. Поэтому проектирование комбинированных процессов требует предварительных расчетов. Одним из немногих конечно-элементных комплексов, позволяющих использовать модели оболочек и рассчитывать одновременно параметры квазистатического и импульсного нагружений, является программный комплекс ЬЗ-БУКЛ 970.

Целью нашей работы была разработка методики компьютерного расчета статико-им-пульсной вытяжки-формовки ортотропных тонколистовых металлов подвижной средой с применением конечно-элементного программного комплекса Ь8-БУКЛ 970.

Магнитно-эластоимпульсная технология статико-импульсной вытяжки-формовки особо тонколистовых металлов

Один из наиболее эффективных методов статико-импульсного нагружения — это использование технологического устройства для маг-нитно-эластоимпульсной штамповки (МЭИШ) (рис. 1). Принцип работы устройства заключается в следующем. Заготовка из тонколистового материала 5 устанавливается на формовочную матрицу 4 и помещается в контейнер 7 с подвижной средой 6, в качестве которой чаще всего используется полиуретан. Матрица примыкает к подвижному элементу 3, выполненному из материала с высокой электропроводностью. Торец подвижного элемента расположен над спиралью плоского индуктора 2, подключенного к зажимам магнитно-импульсной установки 1. Все устройство расположено между верхней и нижней плитами механического прижима 8. Усилия механического прижима достаточно для статической вытяжки-формовки заготовки по профилю матрицы.

С использованием данного технологического устройства возможны три варианта осуществления процесса штамповки:

Рис. 1. Схема технологического устройства для магнитно-эластоимпульсной штамповки:

1 — магнитно-импульсная установка (С — конденсаторная батарея, Р — управляемый разрядник, В — выпрямитель, Тр — повышающий трансформатор), 2 — плоский спиральный индуктор, 3 — подвижный элемент из материала с высокой электропроводностью, 4 — формовочная матрица, 5 — листовая заготовка, 6 — полиуретан, 7 — контейнер, 8 — верхняя и нижняя плиты гидравлического пресса

1) статическая штамповка за счет усилия механического прижима при смыкании верхней и нижней плит 8;

2) незначительный прижим для выборки зазоров за счет перемещения плит 8 и импульсное нагружение заготовки, когда при разряде конденсаторной батареи С магнитно-импульсной установки 1 на спиральный индуктор 2 импульсное магнитное поле воздействует на подвижный элемент 3, перемещает его, и заготовка 5 дефор -мируется импульсным давлением, возникающим в подвижной среде 6;

3) статико-импульсное нагружение, когда осуществляется комбинирование вариантов 1 и 2.

Давление в эластичной среде при МЭИШ, действующее на деформируемую заготовку, близко по форме к положительной полуволне синусоиды [2]:

р = р0 бш^/Т^) при г < Т0; р = 0 при г > Т0,

где р0 — амплитуда; Т0—длительность давления. Такая форма импульсного давления задавалась при компьютерных расчетах.

Статическое давление задавалось меняющимся по линейному закону:

р = р^О/Тъ) при г < Т0; р = 0 при г > т

' 05'

формаций в среднем и по максимуму становится менее 3—10 %.

Компьютерное моделирование процесса формоизменения заготовки

Сделан расчет вытяжки-формовки детали «мембрана» из алюминиевого сплава АМг3-М толщиной 0,5 мм. Диаметр заготовки и диаметр внешнего контура матрицы составлял 120 мм. Особенность формы матрицы и, соответственно, штампуемой детали — наличие трех кольцевых рифтов и центральной сферической полости. Для уменьшения времени расчета использовалась геометрическая модель, полученная вращением на 90° контура образующей матрицы (рис. 2).

где р05 — амплитуда давления при статическом нагружении, Т05 — длительность статического нагружения. При компьютерных расчетах нет необходимости задавать реальное время нагружения, достигающее величины 5—20 с. Это значительно увеличивает время счета. Можно ограничиться некоторым условным временем, когда динамическое решение задачи с необходимой для расчетов точностью сойдется к решению статической задачи. Сходимость динамического решения к статическому в значительной степени определяется параметром безразмерного времени нагружения [3]

л = Т0/В/р)°,5/Я,

где Я — радиус характерного участка заготовки, для которого требуется обеспечить такую сходимость; р — плотность материала заготовки; В — параметр степенного закона упрочнения металла. В работе [3] также установлено, что для формообразующих операций листовой штамповки при величинах л > 3—5 различие статического и динамического решений по величине интенсивности тензора логарифмических де-

Рис. 2. Оболочечная модель матрицы с учетом плоскостей симметрии

Расчет проводился с учетом анизотропии материала заготовки. Задавались показатели пластической анизотропии по Ланкфорду: Я00 = = 0,538; Я45 = 0,706; Я90 = 0,471. В качестве модели материала использовалась трехпараметри-ческая анизотропная модель Барлата. Принят степенной закон зависимости напряжения текучести а5 от интенсивности тензора логарифмической деформации е.: а 5 = В е™ с параметрами В = 345 МПа, т = 0,2 5.

Рассмотрены варианты нагружения: линейно меняющиееся квазистатическое давление; импульсное давление в форме положительной полуволны синусоиды с длительностями Т0 = = 80 мкс и Т0 = 320 мкс; комбинированное давление — сначала линейно меняющееся квазистатическое, а затем импульсное с длительностями Т0 = 80 мкс и Т0 = 320 мкс. Оценка Т0§ осуществлялась по величине радиуса в плане центральной полости Я = 15 мм.

Квазистатический вариант нагружения приводил к разрушению заготовки и большим упругим пружинениям в центральной сферической полости — после снятия нагружения заготовка

отходила от полости матрицы в центре более чем на 1 мм. Поэтому данный вариант расчета в статье не приводится.

На рис. 3 представлены диаграммы предельных деформаций Келера — Гудвина для импульсного и комбинированного вариантов на-гружения.

Первая главная деформация находится по вертикальной оси, по горизонтальной оси — вторая главная деформация. Верхняя кривая соответствует началу физического разрушения, нижняя кривая лежит примерно на 20 % ниже и определяет начало деструкционной пластичности.

Параметры деформированного состояния точек заготовки совместно с диаграммами разрушения Келера — Гудвина дают возможность оценить разрушение и складкообразование заготовки. Видно, что «чисто» импульсное на-гружение (см. рис. 3, а, б) приводит к потере сплошности материала заготовки. Варианты комбинированного квазистатико-импульсного нагружения (см. рис. 3, в, г) позволяют осуществить деформирование без разрушения заготовки. Так как предельные деформации условно взяты одинаковые для всех вариантов, то положительный эффект комбинированного де-

в)

q j CRLCS

г)

0.3 -02 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Minor True Strain

q7 CRLCS ft=0.5 n=0.25, True strain)

0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Minor True Strain

Рис. 3. Диаграммы Келера — Гудвина: вариант импульсного нагружения, Т0 = 80 мкс

формирования достигается за счет более равномерного деформирования точек заготовки по сравнению с вариантом импульсного деформирования. Визуально на диаграммах (см. рис. 3) это проявляется меньшим «размытием» области точек. Более высокая равномерность деформаций будет способствовать повышенным эксплуатационным характеристикам отштампованной детали «мембрана».

Также видно, что более «короткое» давление (Т = 80 мкс) при комбинировании со статическим нагружением дает лучшие результаты по сравнению с вариантом более «длинного» давления (Т = 320 мкс). Это позволяет говорить о существовании некоторой оптимальной комбинации статического и импульсного нагружения. Очевидно, что такая оптимальная комбинация

будет зависеть от всех основных параметров процесса деформирования и должна определяться соответствующими компьютерными расчетами.

Таким образом, с применением конечно-элементного программного комплекса ЬЗ-БУЫЛ 970 разработана методика расчета статико-импульс-ной вытяжки-формовки ортотропных тонколистовых металлов подвижной средой. Установлено, что применение комбинированного статико-импульсного нагружения для штамповки детали «мембрана» из алюминиевого сплава АМг3-М толщиной 0,5 мм позволит снизить максимальные деформации в разных точках заготовки ниже уровня предельных деформаций, определяемых диаграммой Келе-ра — Гудвина.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Здор, Г.Н. Разработка эффективных технологических устройств для магнитно-эластоимпульсной вырубки— пробивки тонколистовых материалов [Текст] / Г.Н. Здор, А.В. Мамутов, В.С. Мамутов, Д.В. Смотра-ков // Металлообработка.— 2001. № 2.— С. 28-32.

2. Мамутов, А.В. Измерение давления в процессах электроимпульсной штамповки [ Текст] / А.В. Мамутов, В.С. Мамутов // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металургии

и машиностроении. Сб. научн. тр.— Краматорск: Изд-во Донбасской государственной машиностроительной академии, 2005.— С. 33—39.

3. Mamutov, A.V. Finite Element Simulation of Sheet Metal Forming Using LS-DYNA Code [Текст] / A.V. Mamutov, V.S. Mamutov // In International workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering.— Proc. of SPAS. — St. Petersburg, 2005.— Vol. 9.— P. 72-74.

УДК 621.3.032.434

В.В. Толмачёв, И.А. Богов, С.М. Вохмянин

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВОЧНОГО РАСЧЕТА ВИХРЕВОГО ЗАПАЛЬНО-СТАБИЛИЗИРУЮЩЕГО МОДУЛЯ

ТУРБОУСТАНОВОК

Известны различные системы розжига, основанные на предварительной закрутке горючей газовоздушной смеси в специально предназначенном для этого устройстве. Эти системы розжига достигли наивысшего своего развития с разработкой и реализацией вихревых запально-горелочных устройств (ВЗГУ) и нашли широкое применение для розжига в камерах сгорания и топках котлов турбоустановок, стабилизации факела на предельных режимах работы, а также

для осуществления технологических процессов, связанных со сборкой, монтажом и демонтажом турбоустановок и др. [1-3].

В связи с многообразием сфер применения ВЗГУ признано целесообразным осуществить комплекс теоретических и экспериментальных исследований на натурных моделях вихревого запально-стабилизирующего модуля (ВЗСМ). Сложная взаимосвязь протекающих процессов в вихревых системах, отсутствие до недавнего