Введение к работе
Актуальность работы. Повышение производительности труда и уровня принимаемых решений при проектировании малоотходных и перспективных технологических процессов может быть обеспечено за счет накопления данных о приемах формоизменения заготовок, расширения применения вычислительной техники, конструкторских САПР и АСТПП. Это имеет особое значение при разработке технологий холодной объемной штамповки (ХОШ), так как по данным отечественных и зарубежных фирм при изготовлении изделий методом ХОШ почти вдвое сокращаются расходы материала и электроэнергии, уменьшается, а иногда полностью исключается обработка резанием.
В то же время внедрение процессов холодного деформирования требует относительно высоких расходов на исследования, опытно-конструкторские работы и изготовление деформирующего инструмента.
В этом случае использование систем автоматизации моделирования пластического формоизменения металлов позволяет значительно снизить затраты на технологическую подготовку производства. Виртуальные эксперименты дают возможность частично или полностью заменить натурные, для которых требуется изготовление сложного инструмента.
Наибольшее распространение для инженерного анализа технологий и конструкций получили такие системы моделирования, как ANSYS, Cosmos, SuperForge, Form3D, QForm3D, SuperForm и др. Эти системы универсальны, позволяют рассчитывать технологии обработки металлов давлением, литья, резания. Однако, как показывает практика, заложенные в них имитационные модели не всегда могут гарантировать высокое соответствие данным, полученным на стадии экспериментальных исследований и опытной штамповки.
Недостатки известных систем - это применение только одного из возможных методов расчета, а также отсутствие программных модулей, предназначенных для обработки результатов натурного эксперимента и проверки получаемых при моделировании результатов.
Применение программных продуктов, позволяющих наряду с автоматизированным моделированием проводить компьютерную обработку экспериментальных данных и алгоритмов, реализующих единообразный подход к расчету показателей напряженно-деформированного состояния и силового режима, сокращает время разработки рациональных технологических переходов штамповки, уменьшает расходы на внедрение процессов ХОШ и позволяет проводить корректное сопоставление результатов численного и натурного эксперимента.
Цель работы
Разработка системы автоматизации проектирования процессов холодной объемной штамповки с возможностью получения и обработки данных экспериментальных и теоретических исследований в единой информационной среде.
Задачи исследования
Разработать структуру системы автоматизации технологической подготовки производства фасонных изделий методами ХОШ.
Разработать алгоритмы, позволяющие вычислять текущую и конечную форму заготовки, механические свойства получаемой детали.
Разработать методику и алгоритм автоматизированной поддержки проведения экспериментов при исследовании процессов штамповки, ввода, обработки и визуализации полученных данных.
Реализовать структуры, алгоритмы и модуль экспериментальных исследований в компьютерной системе автоматизации технологической подготовки процессов ХОШ для плоских и осесимметричных схем деформирования.
Провести экспериментальное исследование нескольких процессов осесимметричной деформации для проверки адекватности результатов, получаемых с применением разработанных программ.
Методы исследования
Исследование процессов выдавливания проводилось с использованием теоретических и экспериментальных методов. Теоретическое исследование выполнено по разработанным методикам и алгоритмам на основе методов верхней оценки и конечных элементов с использованием ЭВМ. Экспериментальные исследования осуществлялись с применением методов делительных сеток, макроструктурного анализа и методик, которые позволили исследовать кинематические параметры процессов выдавливания и распределение деформаций внутри тела заготовки.
Для исследования процессов ХОШ применялись теоретические положения и методы описания движения, принятые в механике сплошных сред, а также вариационно-энергетические методы, построенные на основных положениях теории пластичности. Для численного моделирования и обработки экспериментальных данных использованы ЭВМ, цифровые средства ввода и обработки изображений, специально разработанные и коммерческие пакеты программ, аппарат конечно-элементной аппроксимации и экспериментальный метод делительных сеток. Для разработки программного обеспечения использовались объектно-ориентированный и процедурный подходы, метод визуального программирования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Система автоматизации технологической подготовки и инженерного анализа процессов ХОШ фасонных деталей.
Результаты теоретического и экспериментального исследования процессов обработки металлов давлением.
Методика, алгоритм и программный модуль для автоматизации обработки результатов экспериментов.
Методика и алгоритм сопоставления результатов математического и экспериментального моделирования процессов обработки давлением.
Научная новизна
Разработана система автоматизации подготовки производства с открытой архитектурой, реализующая предложенные методики численного моделирования при исследовании процессов штамповки, позволяющая ускорить процесс поиска рационального технологического и конструкторского решения.
Разработана система автоматизации экспериментального исследования проектируемого технологического процесса, которая на основании цифровых изображений, полученных в ходе эксперимента, позволяет оценить изменение свойств материала и кинематику пластического формоизменения в исследуемых поковках.
Уточнена методика расчета интенсивности осесимметричной и плоской деформации применительно к экспериментальному методу координатных сеток.
Цифровая обработка и визуализация полученных экспериментальных данных, характеризующих кинематику процесса, позволяет сравнить экспериментальные данные и результаты вычислений в одной информационной среде и достоверно оценить адекватность используемых математических моделей, а также делает возможным внесение корректирующих коэффициентов, повышающих точность результатов моделирования в случае, когда известны основные кинематические показатели технологического процесса штамповки.
Практическая ценность
Созданное программное обеспечение позволяет проводить математическое моделирование процессов одно- и многопереходной ХОШ фасонных изделий. При создании модели и расчетах процессов штамповки выводится информация о кинематике, формоизменении, свойствах материала заготовки. Разработанные алгоритмы расчёта силовых и кинематических параметров процессов плоской и осесимметричной деформации реализованы в компьютерной программе (на языке программирования «Си++»), снабженной средствами графической визуализации и автоматизированного ввода исходных данных.
Разработанная методика и программный модуль поддержки натурного эксперимента позволяет значительно сократить время и трудоемкость обработки получаемых данных за счет комплексной автоматизации ввода, обработки и хранения полученных данных.
Программный модуль экспорта-импорта позволяет осуществлять двусторонний обмен геометрическими данными между САПР «Компас» и разработанной системой автоматизации технологической подготовки.
Модуль определения технологической силы штамповки на основе метода верхней оценки позволяет ускорить создание моделей и вычисления основных показателей технологического процесса плоской деформации.
Достоверность исследований подтверждается применением научных положений теории обработки металлов давлением, качественным совпадением
и удовлетворительной сходимостью результатов вычислительного и натурного экспериментов; апробацией результатов диссертационной работы на научных конференциях, актами использования в производственном и учебном процессах, а также имеющимися свидетельствами об отраслевой регистрации программных продуктов (№ 50200700794, № 50200801323).
Реализация работы
Результаты исследования использованы на ООО «ОмскАгрегат» г. Омск, а также используются при курсовом и дипломном проектировании, проведении практических занятий в ГОУ ВПО «Сибирская государсвенная автомобильно-дорожная академия» и по дисциплине «Теория обработки металлов давлением» в ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет». Использование результатов работы в производственном и учебном процессах подтверждено соответствующими актами и справками о внедрении.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск 2004 г.); III международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (Омск 2005 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» (Омск 2006 г.); Региональной научно-практической конференции «Математика. Информационные технологии. Образование» (Оренбург 2006 г.); 59-й Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера» (Омск 2007 г.); III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск 2008 г.); Межвузовской научно-методической конференции «Инновационная составляющая учебно-воспитательного процесса и социального партнерства в условиях многоуровневой подготовки специалистов» (Омск 2009 г.); II Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск 2009 г.); V Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке» (Омск 2009 г.)
Публикации
По результатам исследований опубликовано 17 работ, из них 4 в изданиях, входящих в список рекомендованных ВАК. На результаты основных исследований получено два свидетельства о регистрации ВНИТЦ программных разработок для ЭВМ.
Структура и объём диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 145 наименований. Основной текст изложен на 193 страницах, содержит 138 рисунков и 1 таблицу.
