Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной техники приводит к потребности в сплавах с улучшенными пластическими и прочностными свойствами. Инновационным подходом улучшения свойств является пластическая деформация образцов подверженных обработке высокоэнергетическим импульсным током (ВИТ).
Математическое моделирование является важным методом исследования, анализа динамики явлений и создания технологий. В рамках данной работы численный эксперимент реализуется посредством конечно-элементного анализа (МКЭ) с использованием современного программного комплекса DEFORM. Эффективное компьютерное моделирование подразумевает наличие адекватной физико-математической модели и определяющего уравнения. Построение определяющего уравнения возможно либо посредством методов теоретической физики, либо используя феноменологический подход, который и реализуется в данной работе. На основе сформулированных определяющих уравнений численно анализируется упругопластическое течение среды в условиях сложного деформированного состояния, в том числе при действии ВИТ. Полученные результаты апробируются экспериментально.
Основными, экспериментально подтвержденными, фактами действия ВИТ в процессах пластической деформации являются:
(а) увеличение относительного удлинения (пластичности) на 20-30% по
сравнению со стандартной термической обработкой,
(б) значительное падение предела текучести (на 20-25%), при
относительно небольшом упрочнении (5-7% max),
(в) наличие предварительной пластической деформации является
главным фактором эффективного действия импульсного тока в процессах
деформирования металлических материалов,
(г) действие ВИТ приводит к значительным структурным изменениям
(локальные фазовые переходы, динамическая рекристаллизация и пр.) и
может быть использовано как метод изменения наноструктуры материалов.
Рассматриваемые в работе модели применимы при создании инновационных технологических процессов прокатки в гладких валках при действии ВИТ и в геликоидальных валках, что в итоге позволяет получать листы с заданными служебными характеристиками прочности и пластичности.
Актуальность представляемой работы обусловлена как практической востребованностью математического моделирования исследуемых процессов, так и необходимостью разработки методологии численного решения задач.
Целью данной работы является построение моделей и численный
анализ процессов упругопластического течения металлических материалов в
условиях сложного деформированного состояния (двумерные и трехмерные
задачи), в том числе с использованием воздействия ВИТ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Сформулировать определяющее уравнение действия ВИТ на процессы упругопластической деформации. Разработать методологию оценки неизвестных параметров предложенного уравнения.
Экспериментально проверить определяющее уравнение.
Численно промоделировать процессы упругопластического течения в условиях сложного деформированного состояния, в том числе с учетом действия ВИТ.
Экспериментально проверить достоверность предлагаемых моделей течения среды.
Объект и метод исследования. Объектом исследования являются математические модели упругопластического поведения металлических материалов, в том числе при действии электрического импульсного тока. Экспериментальные исследования механических свойств металлических сплавов (ЛС59, Ml, ВТ 16, Al-Mg-Li, Mg-Al-Zn), и конечно-элементный
анализ посредством модернизированного программного пакета DEFORM -основные методы используемые в работе. Научная новизна работы:
Предложено определяющее уравнение упругопластического течения среды при действии импульсного тока, которое интегрировано в используемый конечно-элементный пакет. Данная интеграция позволяет расширить область применения пакета для исследуемых моделей.
Разработана численная модель действия ВИТ в процессе плоской упругопластической деформации металлических материалов (двумерная прокатка в гладких валках). Анализ результатов численного эксперимента позволяет определять динамику механических полей напряжений и деформаций.
3. Разработана численная модель упругопластического течения в
условиях трехмерной деформации (прокатки в профилированных валках с
геликоидальной поверхностью).
4. В ходе численного моделирования установлено, что геликоидальная
прокатка в сочетании с прокаткой в гладких валках при действии ВИТ
позволяет получать листы с заданными свойствами пластичности и
прочности.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в
создании методики численного эксперимента, направленной на оценку
влияния электроимпульсного тока на служебные характеристики
металлических материалов (при совместном и раздельном действии тока и
механической нагрузки). Предложенные модели позволяют оценивать
эффективные параметры электроимпульсного воздействия для
технологических процессов прокатки (зависимость усилия на валки от
величины удельной энергии импульсного). Реализация численного
эксперимента достигается посредством произведенной модернизация
конечно-элементного программного пакета DEFORM с учетом особенностей
действия импульсного тока в процессах пластической деформации.
Выполненный конечно-элементный анализ процесса геликоидальной прокатки позволяет производить оценку служебных характеристик исследуемых материалов при сложном деформированном состоянии. Основные положения, выносимые на защиту.
Определяющее уравнение упругопластического течения среды с учетом действия высокоэнергетического импульсного тока.
Модернизация конечно-элементного программного комплекса DEFORM с целью использования полученного определяющего уравнения для численного анализа.
Результаты численного эксперимента упругопластического течения в условиях сложного деформированного состояния, в том числе с воздействием ВИТ.
Экспериментальная проверка результатов моделирования для сложного деформированного состояния.
Обоснованность и достоверность результатов расчётов и выводов,
сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается
обоснованностью физических представлений, корректностью
математических постановок задач, проведением тестовых расчётов, сопоставлением численных результатов с оригинальными и опубликованными ранее экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается соблюдением методологии проведения эксперимента, использованием поверенного метрологического оборудования, устойчивой воспроизводимостью результатов и согласием установленных закономерностей с результатами других авторов.
Апробация результатов работы. Тематика диссертации обсуждалась на 9 международных научно-технических конференциях, в том числе на Международной молодежной научной конференции "Гагаринские чтения" (2008, 2009, 2010, 2011 Москва), Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (2008, Москва), "51-ой и 52-ой Научных конференциях МФТИ" (2008, 2009, Москва-Долгопрудный),
"the7thIntemationalConferenceonModernPracticeinStressandVibrationAnalysis" (2009, Cambridge, UK), 3-ей международной конференции "Деформация и разрушение материалов и наноматериалов"(2009, Москва).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 работах-в том числе 3 статьи в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ.
Личный вклад диссертанта состоит в решении поставленной задачи, формулировке основных результатов и выводов диссертации. Диссертант непосредственно разработал алгоритмы и программы численного моделирования. Анализ теоретических исследований и построение физико-математической модели осуществлялось непосредственно диссертантом на основе сформулированного определяющего уравнения, являющегося обобщением ранее полученных другими авторами результатов. Диссертантом непосредственно проведена реализация моделей упругопластического течения материалов в условиях сложного деформированного состояния, в том числе с воздействием ВИТ. Автором рассмотрены направления дальнейших исследований и предложены технологические рекомендации по обработке ВИТ.
Объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 79 наименований, и приложения. Изложение занимает 131 страницу машинописного текста, содержит 52 рисунка и 5 таблиц.
