Компьютерное имитационное моделирование процесса гидроабразивного резания

УДК 621.924.93

В.В. Иванов, М.К. Решетников

КОМПЬЮТЕРНОЕ ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИДРОАБРАЗИВНОГО РЕЗАНИЯ

Рассмотрена и обоснована необходимость использования единого подхода к исследованию процесса гидроабразивного резания. Разработана имитационная модель технологического процесса гидроабразивного резания позволяющая расширить возможности интенсификации технологического процесса обработки материала.

Имитационная модель, гидроабразивная струя, интенсификация, программный комплекс

V.V. Ivanov, M.K. Reshetnikov COMPUTER SIMULATION OF THE CUTTING WATERJET

The paper reviews the need for a unified approach to the study of the waterjet cutting process. A simulation model for the waterjet cutting which intensifies processing of the material is developed.

Simulation model, water jet spray, intensification, software package

Несмотря на большое количество работ по проблемам математического моделирования процесса гидроабразивного резания, в настоящее время отсутствуют общие подходы к его разрешению. Таким образом, встает задача поиска оптимального методологического подхода к исследованию процесса гидроабразивного резания посредством математического моделирования с целью повышения производительности обработки материала, а именно создание имитационной модели процесса гидроабразивного резания [1].

Имитационная модель позволит получать информацию о результатах моделирования процесса гидроабразивного резания с учетом выбора режимных условий обработки, что открывает возможность прогнозировать и организовывать эффективный технологический процесс обработки материалов.

При разработке модели процесса гидроабразивной обработки использовались уравнения, позволяющие рассчитывать основные параметры технологического процесса и устанавливать взаимосвязь их с конструктивными параметрами оборудования при известных их начальных значениях в любой точке струи [2].

1

f 1 I ^

Vm = vr

0

vr f a + d+(c2 + e ),

d, = 0,44

B2 + ( A2 - CC 2) k

hmax = CU d

P2 1 k

3kdcas p1F A2 + D2 + (C2 + E2)'

j3 (

q = 1.9k

С ^ V

d v

Oo,

P2

/п

"Га

'3с^ PjF 4 + D2 +(C2 + E)y

где um - скорость на оси струи; u0 - начальная скорость струи; р2 - плотность частиц абразива; F -площадь струи круглого сечения; А2, B2, С2, D2, E2 - коэффициенты; R - внутренний радиус смесительной трубки сопла; I0 - импульс струи; H - расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности материала; к - подача; dcmp - диаметр гидроабразивной струи у поверхности обрабатываемой детали; km - коэффициент, учитывающий влияние соседних частиц при обработке; u0 - начальная скорость струи; d - средний диаметр частицы абразива; hmax - глубина внедрения частицы абразива

в материал; р1 - плотность жидкости; kd - коэффициент, учитывающий влияние формы абразивной частицы на фактическую площадь контакта; c - коэффициент, оценивающий несущую способность контактной поверхности; Ss - предел текучести материала детали, q - съем металла за один удар

абразивной частицы; kc - коэффициент стружкообразования; km - коэффициент, учитывающий влияние соседних частиц при обработке; рд - плотность материала детали.

Аналитические уравнения (1)-(4) позволяют рассчитывать основные параметры технологического процесса обработки: скорость, диаметр струи у поверхности обрабатываемой детали, глубину внедрения частиц абразива в материал, съем металла за один удар абразивной частицы.

С целью увеличения режущей способности и повышения производительности гидроабразивной резки, предложено закручивать гидроабразивную струю путем нарезания в смесительной трубке спиралеобразной канавки с шагом h [3, 4].

Уравнения (1)-(4) приму следующий вид:

U = u

1

^ 2

L

1

r F А+k2 °2 h

с 2 + k2 ¿2

2 h2 2

B2 +

= 0,44( H - R)-

f

.2

0,5 •

Л f

A + — D2 h2

C2 + -

к

B2 + ( A - С2)к

hmax = kmU0 d

Pl

L

1

3kdcas P2F k2 +m

A + D2 +jm

( k2 Л C + — F C2 ^ , 2 F2

V h /

d3

q = 1-9kc-y k3

5 ^ 2

km U

Pl

L

3cas P2 F

k

h2

4 +72 D2 +jm I C2 + T2 F2

"Pa

где jm - концентрация частиц абразива на оси струи; k - поправочный коэффициент; h - шаг канавки гидроабразивного сопла.

На основании системы аналитических уравнений, отображающих процесс гидроабразивной резки, основанный на закручивании струи рабочей жидкости и без закручивания струи (протекающий в обычных условиях) был разработан программный комплекс «Jet of Hope», представленный на рис. 1.

В процессе разработки программного комплекса «Jet of Hope» для прогнозирования результатов гидроабразивной резки в технологическом процессе обработки были использованы следующие инструментальные средства: платформа Java, среда разработки NetBeans 6.8, язык программирования -Java. Мотивированный выбор инструментальных программных средств разработки в сфере информационных технологий обусловлен следующими причинами приведенными ниже [5, 6].

1

2

2

h

стр

1

2

В качестве платформы была выбрана Java-платформа в связи с тем, что она предназначена для транспортировки и выполнения высоко интерактивных, динамических и безопасных апплетов и приложений на системах сетевых компьютеров.

В качестве среды разработки была выбрана бесплатная интегрированная среда NetBeans 6.8 по следующим причинам:

- среда разработки NetBeans 6.8 является современным, гибким средством, предоставляющим удобные механизмы для быстрой разработки распределенных приложений;

- среда разработки NetBeans 6.8 предоставляет широкий набор компонентов для доступа к данным, что делает ее удобной для разработки приложений работающими с базами данных.

Java был выбран в качестве языка программирования по следующим приведенным причинам:

- универсальность языка Java - поддерживается возможность исполнения Java-приложений под управлением различных операционных систем;

- важной особенностью Java является возможность создания Web-серверных приложений на базе технологии страниц JSP;

- наличие большого количества документации по работе в среде;

- универсальность и работоспособность на различных платформах, таких как Windows, Linux, Unix, Solaris, MacOS.

Рис. 1. Главная форма программного комплекса «Jet of Hope»

При разработке программного комплекса использовались предложенные математические модели и алгоритмы обработки процесса гидроабразивной резки в сочетании с методами объектно-ориентированного и структурного программирования, что позволило расширить возможности интенсификации технологического процесса гидроабразивной резки основанного на закручивании струи рабочей жидкости.

Главным преимуществом разработанного программного комплекса является возможность предварительного прогнозирования результатов и выдачу соответствующего информационного заключения или рекомендации процесса гидроабразивной обработки.

В таблице представлен пробный расчет гидроабразивной резки без закручивания струи и с закручиванием струи. Расчет проведен при условиях: расстояния до поверхности обрабатывающего материала 3 мм, текущий радиус водяного сопла 0,127 мм, начальный весовой секундный расход жидкости расход воды 2 л/мин, начальный весовой секундный расход абразива 350 г/мин.

Пробные расчеты

Гидроабразивная резка Скорость гидроабразивной струи круглого сечения um, мм/мин Глубина внедрения частицы абразива в материал при гидроабразивной резке , мм Величина съема металла за один удар абразивной частицы д, мм

без закрутки струи 84,587 0,2 0,0007

с закруткой струи 75,583 0,217 0,0008

Следовательно, разработанный программный комплекс «Jet of Hope» представляет интеллектуальную информационную систему по определению рациональных параметров процесса гидроабразивного резания включающий ввод и корректировку технологических параметров обработки, моде-

лирование процесса резания, генерацию и отображение информационного блока о результатах моделирования процесса обработки [7].

Кроме того, функциональную взаимосвязь характеристик струи с конструктивными параметрами сопла при гидроабразивной обработке можно будет использовать при проектировании технологического оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов В.В. Состояние вопроса моделирования технологического процесса гидроабразивной обработки / В.В. Иванов, М.К. Решетников // Глобальный научный потенциал. 2013. № 9 (30). С. 49-51.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович. М.: Физматгиз, 1960.

3. Шпилев В.В. Моделирование закручиваемой гидроабразивной струи при гидроабразивном резании / В.В. Шпилев, М.К. Решетников, Н.Н. Береда // Вестник СГТУ. 2011. № 2 (56). С. 163-168.

4. Метод увеличения режущей способности гидроабразивной струи / В.В. Иванов, В.В. Шпилев, М.К. Решетников, Н.Н. Береда // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011: сб. науч. тр. SWorld по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Вып. 4. Т. 6. Одесса: Черноморье, 2011. С. 18-23.

5. Бишоп Д. Эффективная работа: Java 2 / Д. Бишоп. СПб.: Питер; Киев: Изд. группа BHV, 2002. 592 с.

6. Вязовик Н.А. Программирование на Java: курс лекций / Н.А. Вязовик. М.: Intuit, 2003. 589 с.

7. Программный комплекс «Jet of Норе» для прогнозирования результатов гидроабразивной резки в технологическом процессе / В.В. Иванов, М.К. Решетников, А.В. Тихонов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617130, 14.07.2014 г.

Решетников Михаил Константинович - Mikhail K. Reshetnikov -

доктор технических наук, профессор, заведующий Dr. Sc., Professor,

кафедрой «Инженерная геометрия и промышленный Head: Department of Engineering Geometry

дизайн» Саратовского государственного and Industrial Design,

технического университета имени Гагарина Ю .А. Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Иванов Виктор Викторович - Viktor V. Ivanov -

аспирант кафедры «Технология машиностроения», Postgraduate

Саратовского государственного технического Department of Mechanical Engineering Technology,

университета имени Гагарина Ю.А. Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 22.12.15, принята к опубликованию 11.05.15