Определение отклонений формы деталей силового каркаса летательных аппаратов при дробеметном упрочнении методом конечно-элементного моделирования

Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol. 59, no. 3

11. Kotkinik V.Y. Neparametricheskaya identifikatsiya i sglazhivanie dannykh [Nonparametric identification and data smoothing]. Moscow: Nauka Publ., 1985, 336 p.

12. Grop D. Metody identifikatsii system [Methods of identification of systems]. In E.I. Krinetskiy (ed.); Transl. from English by: V.A. Vasilyev, V.I. Lopatin. Moscow: Mir Publ., 1979, 304 p.

13. Tse, E. Bar-Shalom, Y. An actively adaptive control for linear systems with random parameters via the dual control. Automatic Control, IEEE Transactions on (Volume: 18. Issue: 2). 2003, pp. 109-117.

14. Wenk, C. J. Bar-Shalom, Y. A multiple model of an adaptive dual control algorithm for stochastic systems with unknown parameters. Automatic Control, IEEE Transactions on (Volume: 25. Issue: 4). 2003, pp. 703-710.

15. L'yung L. Identifikatsiya sistem [Identification of systems]. Moscow: Nauka Publ., 1991, 423 p.

16. Pupkov K.A., Egupov N.D. (eds.). Metody klassicheskoi i sovremennoi teorii avtomaticheskogo upravleniya. T3: Sintez reg-ulyatorov sistem avtomaticheskogo upravleniya [Methods of classical and modern theory of automatic control. Vol. 3: Synthesis of regulators of automatic control systems]. Moscow: Bauman MSTU Publ., 2004, 656 p.

17. Shishkina A.V., Agafonov E.D. O neparametricheskom upravlenii dinamicheskoi sistemoi [Nonparametric control of a dynamical system]. Sibirskii zhurnal nauki i tekhnologii (Vestnik) Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika M.F. Reshetneva [Siberian Journal of Science and Technology (Bulletin) of the Reshetnev Siberian State Aerospace University]. Issue 4 -2018, pp. 711-718.

Информация об авторах

Корнет Мария Евгеньевна - соискатель кафедры «Системный анализ и исследование операций», Институт информатики и телекоммуникаций, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва, г. Красноярск, e-mail: marya.kornet@gmail.com

Шишкина Анастасия Васильевна - соискатель, Сибирский федеральный университет, Институт космических и информационных технологий, кафедра «Интеллектуальные системы и управление», г. Красноярск, e-mail: nas-tya.shi shkina95@mail. ru

Для цитирования

Корнет М. Е. О непараметрической идентификации безынерционных систем с запаздыванием / М. Е. Корнет, А. В. Шишкина // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2018. - Т. 59, № 3. - С. 1623. - DPI: 10.26731/1813-9108.2018.3(59).16-23._

УДК 621.98.042

А. А. Макарук, А. А. Пашков, О. В. Самойленко

Authors

Kornet Maria Evgenievna - external Ph.D. student of the Subdepartment of System Analysis and Operations Research, Institute of Informatics and Telecommunications, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Krasnoyarsk, e-mail: mar-ya.kornet@gmail.com

Shishkina Anastasia Vasilyevna - external Ph.D. student of the Siberian Federal University of the Institute of Space and Information Technologies, the Subdepartment of Intellectual Systems and Management, Krasnoyarsk, e-mail: nas-tya.shishkina95@mail.ru

For citation

Kornet M. E., Shishkina A. V. About non-parametric identification of infinitely fast systems with delay. Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol. 59, No. 3, pp. 16-23. DOI: 10.26731/1813-9108.2018.3(59).16-23.

DOI: 10.26731/1813-9108.2018.3(59). 23-29

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Российская Федерация Дата поступления: 13 августа 2018

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ ДЕТАЛЕЙ СИЛОВОГО КАРКАСА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ПРИ ДРОБЕМЕТНОМ УПРОЧНЕНИИ МЕТОДОМ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Аннотация. В процессе поверхностного упрочнения деталей силового каркаса летательных аппаратов, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, нередко возникает нежелательная деформация (поводки), выражающаяся в отклонении от плоскостности и саблевидности. Величину поводок, возникающих на детали в процессе упрочнения ударными методами, возможно определить двумя способами: с использованием имеющегося производственного опыта при упрочнении деталей аналогичной конструкции или путем обработки конструктивно-подобных образцов, содержащих основные закономерности расположения конструктивных элементов и изготавливаемых из материала детали, или при помощи моделирования процесса упрочнения в современных САЕ-системах. Первый метод с использованием конструктивно-подобных образцов является весьма трудоемким и дорогостоящим. Поэтому перспективным направлением является применение методов компьютерного моделирования процесса упрочнения для определения величины поводок контура. Данная статья содержит описание методики конечно-элементного моделирования с использованием среды нелинейного конечно-элементного анализа для определения общей изгибной деформации детали, возникающей при поверхностном упрочнении дробью малых фракций. Использование метода конечно-элементного моделирования процесса дробеметного упрочнения позволяет существенно сократить затраты, связанные с изготовлением конструктивно-подобных образцов при определении прогнозируемых деформаций упрочняемых деталей.

Ключевые слова: упрочнение ударными методами, моделирование, САЕ-система, отклонения контура, внутренние силовые факторы, обработка дробью.

© А. А. Макарук, А. А. Пашков, О. В. Самойленко, 2018

23

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 3 (59) 2018

A. A. Makaruk, A. A. Pashkov, O. V. Samoilenko

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, the Russian Federation Received: August 13, 2018

DETERMINING THE DEVIATIONS IN THE FORM OF PARTS

OF THE LOAD-BEARING STRUCTURE OF AIRCRAFT WITH SHOTBLAST HARDENING BY THE METHOD OF FINAL-ELEMENT MODELING

Abstract. While surface peen hardening the parts of load-bearing structures of aircraft made of aluminum alloys, undesirable deformations (deviations from flatness) often takes place. These deviations after peen hardening can be determined in two ways: using the existing production experience for hardening of similar parts or using constructively similar samples containing the basic patterns of arrangement of structural elements and manufactured from the material of the part or by modeling process hardening in modern CAE-systems. The first method, using constructively similar samples, is very time-consuming and expensive. That is why, using techniques of computer finite element modeling ofpeen hardening to determine these deviations seems to be promising. This article contains a description of the finite element modeling technique using the nonlinear finite element analysis system to determine the total flexural deformations of a part that occurs while surface peen hardening of aircraft parts made of aluminum alloys. Using finite element modelling method for the process of shot-hardening parts allows one to significantly reduce the costs associated with the manufacture of constructively similar samples in determining the predicted deformations of hardened parts.

Keywords: peen hardening, modeling, CAE-system, contour deviations, internal force factors, shotblast treatment.

Введение

Типовыми деталями гражданской авиационной можны поводки контура, являются детали силового Участок такой детали показан на рис. 1.

Данные детали силового каркаса летательных аппаратов, изготавливаемые из алюминиевых сплавов путем фрезерования, в целях повышения жесткости, как правило, имеют продольно-поперечное оребрение. В процессе механообработки происходит перераспределение остаточных напряжений. При этом возникают отклонения формы величиной до нескольких миллиметров, существенно превышающие допустимые значения: ±0,15 мм - от теоретического контура, 0,4 мм - от плоскостности. Для достижения допустимых отклонений теоретического контура детали используется правка деталей методами местного пластического деформирования, такими как раскатка роликами. В работах [1-3] описана технология правки маложестких деталей раскаткой с использованием отечественного раскатного оборудования. Среди зарубежных авторов также из-

промышленности, при изготовлении которых воз-каркаса самолета МС-21 типа «обод шпангоута».

вестен ряд работ [4, 5], посвященных формообразованию и правке маложестких деталей раскаткой роликами.

Для повышения эксплуатационного ресурса деталей на последующих операциях производится их упрочнение ударными методами [6, 7], что также способствует возникновению недопустимых отклонений под действием внутренних остаточных напряжений. Применение после упрочнения традиционных методов правки: прессовой обработки, раскатки роликами и т. п. - ограничено существующей отраслевой нормативно-технологической документацией, а правка дробью хоть и допускается после дробеметного упрочнения, но вместе с тем является очень трудоемким процессом и не всегда позволяет добиться требуемого результата в полной мере.

Рис. 1. Участок детали типа «обод шпангоута»

Машиностроение и машиноведение

Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol. 59, no. 3

Рис. 2. Оптимизация геометрии детали

Таким образом, целью работы является исследование поводок детали типа «обод шпангоута» после дробеметного упрочнения на основании конечно-элементного анализа в САЕ-системе.

Известен ряд работ зарубежных исследователей [10-13], направленный на натурное моделирование процесса обработки дробью пластин ограниченного размера. Ввиду того, что моделирование процесса дробеметного упрочнения как процесса соударения большого количества дробинок с поверхностью крупногабаритной детали невозможно из-за неприемлемо больших затрат времени и вычислительных ресурсов, имеет смысл создание альтернативной методики моделирования, основанной на силовом нагружении поверхностного слоя детали.

Разработка методических рекомендаций по КЭ-моделированию процесса поверхностного упрочнения деталей силового каркаса

Для выполнения КЭ-расчетов, связанных с определением деформированного состояния ма-

ложестких деталей, должна использоваться система нелинейного конечно-элементного анализа типа ANSYS, LS-Dyna, АЬаяш, AUTODYN или др.

С использованием функций препроцессора выбранной системы моделирования или возможностей специализированного ПО для генерации сетки КЭ осуществляется следующее.

1. Оптимизация геометрии детали (рис. 2) путем устранения технологических скруглений, галтелей, фасок и прочих элементов, препятствующих разбиению детали на сетку, состоящую из гексаэдральных (прямоугольных) элементов. Выбор данного типа элементов обусловлен стремлением к обеспечению достаточной точности в совокупности с приемлемым количеством элементов и продолжительностью расчета.

2. Разбиение детали на совокупность конструктивных элементов (участков продольных, поперечных и криволинейный ребер, полотна) с последующим разбиением данных конструктивных элементов на сетку КЭ (см. рис. 3).

Полотно

Продольное ребро Поперечное ребро

Область сопряжения ребер

Рис. 3. Сетка КЭ исследуемой модели

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 3 (59) 2018

Создание поверхностной нагрузки методом силового воздействия на поверхностный слой детали, эквивалентной внутренним силовым факторам процесса дробеметного упрочнения, осуществляется следующим образом. Все конструктивные элементы (продольные, поперечные, криволинейные ребра и полотно) разбиваются на участки (показано жирными линиями на рис. 4) длиной 250±100 мм при помощи функций препроцессора.

Каждый участок разбивается на совокупности лежащих на поверхности граничных узлов, объединенных в группы (node set) (рис. 4). Группы элементов для каждого участка должны представлять из себя замкнутый контур и лежать во взаимно перпендикулярных направлениях. На группы элементов разбиваются все участки конструктивных элементов как с внешней, так и с внутренней стороны.

Группа элементов 1 Рис. 4. Группы элементов участка конструктивного элемента

Группа элементов 2

Внутренняя сторона

Внешняя сторона

К границам участков прикладываются распределенные по длине участка следящие силы, когда при изгибе вектор силы поворачивается и продолжает действовать по нормали к плоскости приложения, и выбираются плоскости приложения

следящей силы по трем точкам (точки 1, 2 и 3 образуют плоскости приложения следящей силы F1, точки 1, 2, 4 - плоскость приложения следящей силы F2 (рис. 5)) по граничным зонам участков конструктивных элементов.

Граничная зона

Рис. 5. Выбор плоскостей приложения следящей силы

Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol. 59, no. 3

Величина удельной растягивающей силы для участка конструктивного элемента назначается в зависимости от угла поворота рассматриваемого конструктивного элемента. Для этого в центре масс стороны участка строится система координат ХТ' (см. рис. 6), относительно которой рассчитывается угол поворота внутреннего и внешнего участка конструктивного элемента и назначается соответствующая удельная сила Fуд.

С целью определения зависимостей растягивающих сил Fyд от вида конструктивных элементов, на которых эти силы действуют, изготавливаются имитаторы конструктивных элементов обрабатываемой детали. Для имитации ребер с различным углом наклона используется имитатор

«Ребро», который представляет собой угловой профиль, закрепляемый на плите при помощи болтов с гайками, устанавливающихся в имеющиеся на ней отверстия. Радиальный шаг отверстий на плите имитатора соответствует шагу изменения угла наклона ребра на детали. Закрепляемые на имитаторах образцы представляют собой пластины размерами 250*30*3 мм, изготовленные фрезерованием из материала детали. Обработка таких имитаторов методами дробеметного упрочнения с последующим измерением стрелы прогиба и использованием известных зависимостей теории упругости [8, 9] позволяет определить внутреннюю силу Fyд.

а

Рис. 6. Определение угла закручивания участка конструктивного элемента

Значение распределенной силы для выбранной группы элементов вычисляется по формуле (1). Сила задается кривой нагружения с плавным нарастанием в течение 15-20 секунд и стадией стабилизации в течение 20 секунд.

^ = ^ ,

где I - длина стороны участка; п группе данного участка.

число узлов в

Результаты моделирования

Результатом моделирования является деформированная КЭ-сетка детали (см. рис. 7), на основании которой можно определить распределения радиусов кривизны в рассматриваемых направлениях посредством измерения отклонений функциями постпроцессора или путем импорта деформированной геометрии детали в CAD-программу (см. рис. 8).

X-displacement 5.547е+00 _ 3.562е+00 _ 1.57Ве+00 _ -4.068е-01 _ -2.391 е+00. -4.376е+00. -6.361 е+00. -8.345е+00. -1.033е+01. -1.231е+01. -1.430е+01

Рис. 7. Распределение отклонений относительно оси X

Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 3 (59) 2018

Рис. 8. Импорт деформированной сетки детали в CAD-систему для измерения поводок контура

Основные выводы

Таким образом, разработанная методика моделирования с помощью САЕ-системы процесса дробеметного упрочнения позволяет существенно сократить затраты, связанные с изготовлением конструктивно-подобных образцов при определе-

нии прогнозируемых деформаций упрочняемых деталей. Появляется возможность анализировать влияние режимов упрочнения на отклонения детали.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Макарук А.А., Минаев Н.В. Технология формообразования и правки маложестких деталей методами местного пластического деформирования // Материалы Всероссийского (с международным участием) научно - практического семинара, Иркутск, 2011 - С. 117-121.

2. Макарук А.А., Минаев Н.В. Технология формообразования и правки маложестких деталей раскаткой роликами // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 15, № 6(2), 2013. - С. 404-408.

3. Pashkov A.Ye., Makaruk A.A., Minaev N.V. Automation methods for forming and rectifying stiffened parts with rolling machines / International Journal of Engineering and Technology. 2015. Т. 7. № 6. С. 2030-2036.

4. https://en.wikipedia.org/wiki/English_wheel

5. Беляков В.И., Мовшович А.Я., Кочергин Ю.А. Изготовление листовых деталей методом раскатки / Системи обробки ш-формаци. 2010. Випуск 9 (90).

6. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Внутренние силовые факторы процесса дробеметной обработки листовых деталей // сб. мат. Междунар. научн.-практ. конф. / Иркут. гос. техн. ун-т. - Иркутск, 2005. - С. 171-177.

7. Пашков А.Е., Викулова С.В., Вяткин А.С., Макарук А.А. К вопросу обеспечения точности определения интенсивности поверхностного упрочнения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 1. С. 102-107.

8. Биргер И.А. Остаточные напряжения / И.А. Биргер. М.: Машгиз, 1963. - 232 с.

9. Пашков А.Е. Технологические связи в процессе изготовления длинномерных листовых деталей / А.Е. Пашков. Иркутск: ИрГТУ, 2005. - 140 с.

10. Fubin Tu. A sequential DEM-FEM coupling method for shot peening simulation / Fubin Tu, Dorian Delberguea, Hongyan Miao, Thierry Klotz, Myriam Brochu, Philippe Bocher, Martin Levesque // June 2017. Volume 319. P. 200-212.

11. Kovthaman Murugaratnam. A combined DEM-FEM numerical method for Shot Peening parameter optimization. / Kovthaman Murugaratnam, Stefano Utilia, Nik Petrinic // January 2015. Volume 79. P. 13-26.

12. Miao H.Y. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening. / H.Y. Miao, S. Larose, C. Perron, M. Evesque // Adv. Eng. Softw. - 2009. - Vol. 40. - P. 1023-1038.

13. Zhuo Chen. Realistic Finite Element Simulations of Arc-Height Development in Shot-Peened Almen Strips / Zhuo Chen, Fan Yang // Journal of Engineering Materials and Technology. October 2014. Volume 136 / 041002-1.

REFERENCES

1. Makaruk A.A., Minaev N.V. Tekhnologiya formoobrazovaniya i pravki malozhestkikh detalei metodami mestnogo plastiche-skogo deformirovaniya [echnology of shaping and editing low-rigid parts using local plastic deformation]. Materialy Vserossiiskogo (s mezhdunarodnym uchastiem) nauchno - prakticheskogo seminara [Proceedings of the All-Russian (with international participation) scientific-practical seminar], Irkutsk, 2011, pp. 117-121.

Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol. 59, no. 3

2. Makaruk A.A., Minaev N.V. Tekhnologiya formoobrazovaniya i pravki malozhestkikh detalei raskatkoi rolikami [Technology of shaping and editing low-rigid parts by rolling rollers]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], vol. 15, No. 6(2), 2013, pp. 404-408.

3. Pashkov A.Ye., Makaruk A.A., Minaev N.V. Automation methods for forming and rectifying stiffened parts with rolling machines. International Journal of Engineering and Technology, 2015, Vol. 7, No. 6, pp. 2030-2036.

4. https://en.wikipedia.org/wiki/English_wheel

5. Belyakov V.I., Movshovich A.Ya., Kochergin Yu.A. Izgotovlenie listovykh detalei metodom raskatki [Production of sheet parts by the method of rolling]. Sistemi obrobki informatsii [Systems ofprocessing information], 2010. Issue 9 (90).

6. Pashkov A.E., Diyak A.Yu. Vnutrennie silovye faktory protsessa drobemetnoi obrabotki listovykh detalei [Internal force factors of the process of shot-blasting of sheet metal parts]. Sb. mat. Mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. [Collection of materials of the International Scientific and Practical University Conf], Irkut. state techn. un-ty publ., Irkutsk, 2005, pp. 171-177.

7. Pashkov A.E., Vikulova S.V., Vyatkin A.S., Makaruk A.A. K voprosu obespecheniya tochnosti opredeleniya intensivnosti pov-erkhnostnogo uprochneniya [On the issue of ensuring the accuracy of determining the intensity of surface hardening]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern technologies. System analysis. Modeling], 2010, No. 1, pp. 102-107.

8. Birger I.A. Ostatochnye napryazheniya [Residual stresses]. Moscow: Mashgiz Publ., 1963, 232 p.

9. Pashkov A.E. Tekhnologicheskie svyazi v protsesse izgotovleniya dlinnomernykh listovykh detalei [Technological links in the process of manufacturing long sheet parts]. Irkutsk: IrGTU Publ., 2005, 140 p.

10. Fubin Tu, Delberguea D., Miao H., Klotz T., Brochu M., Bocher P., Levesque M. A sequential DEM-FEM coupling method for shot peening simulation. June 2017, Volume 319, pp. 200-212.

11. Murugaratnam K., Utilia S., Petrinic N. A combined DEM-FEM numerical method for Shot Peening parameter optimization. January 2015, volume 79, pp. 13-26.

12. Miao H.Y., Larose S., Perron C., Evesque M. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening. Adv. Eng. Softw, 2009, Vol. 40, pp. 1023-1038.

13. Zhuo Ch., Yang F. Realistic Finite Element Simulations of Arc-Height Development in Shot-Peened Almen Strips. Journal of Engineering Materials and Technology. October 2014. Volume 136 / 041002-1.

Информация об авторах

Макарук Александр Александрович - к. т. н., доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, e-mail: makaruk_aa@mail. ru

Пашков Александр Андреевич - младший научный сотрудник, аспирант кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский

национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, e-mail: pashk0ff@mail.ru

Самойленко Олег Викторович - младший научный сотрудник, магистрант группы ВПОм-17-1 кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, e-mail: olegsamoylenko1@gmail.com

Authors

Aleksandr Aleksandrovich Makaruk - Ph.D. in Engineering Science, Assoc. Prof. of the Subdepartment of Technology and Equipment of Machine-Building Production, Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, e-mail: makaruk_aa@mail.ru

Aleksandr Andreevich Pashkov - junior research officer, Ph.D. student of the of the Subdepartment of Technology and Equipment of Machine-Building Production, Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, e-mail: pashk0ff@mail.ru

Oleg Victorovich Samoilenko - junior research officer, Master's student, group VPOm-17-1, the Subdepartment of Technology and Equipment of Machine-Building Production, Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, e-mail: olegsamoylen-ko1@gmail.com

Для цитирования

Макарук А. А. Определение отклонений формы деталей силового каркаса летательных аппаратов при дробеметном упрочнении методом конечно-элементного моделирования / А. А. Макарук, А. А. Пашков, О. В. Самойленко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2018. - Т. 59, № 3. - С. 23-29. - Б01: 10.26731/1813-9108.2018.1(57).23-29.

For citation

Makaruk A. A., Pashkov A. A., Samoylenko O. V. Determining the deviations in the form of parts of the load-bearing structure of aircraft with shotblast hardening by the method of final-element modeling. Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol. 59, No. 3, pp. 23-29. DOI: 10.26731/1813-9108.2018.1(57).23-29.