Введение к работе
Актуальность темы. Современные отрасли машиностроения постоянно нуждаются в полуфабрикатах и деталях, к которым предъявляются высокие требования по качеству, связанные с физико-механическими свойствами, геометрической точностью изготовления, шероховатостью поверхности и рядом других параметров. Все приведенные свойства, как известно, в определенной степени зависят от структуры материалов. Поэтому при исследовании процессов деформации и разрушения необходимо более адекватно учитывать структуру материала, а в частности форму, размер и свойства структурных составляющих.
В настоящее время широкомасштабно используются компьютерные системы инженерного моделирования, анализа и оптимизации — САЕ (Computer Aided Engineering), такие как, MSC.Nastran, MSC.Marc, MSC.SuperForm. Перечисленные программные продукты позволяют решать соответствующие краевые задачи механики деформируемого твердого тела и моделировать с применением метода конечных элементов (МКЭ) технологические процессы деформации и разрушения, поведение различных систем, элементов конструкций, механизмов при внешних воздействиях, тем самым, сокращая объем дорогостоящих лабораторных и производственных экспериментов. Однако большинство моделей технологических процессов, создаваемых в вышеперечисленных программах, рассматривают обрабатываемый материал изотропным, без учета его структурных составляющих и анизотропии, в итоге снижается точность определения напряженно-деформированного состояния (НДС) обрабатываемой заготовки и инструмента, а также основных технологических параметров процессов.
Следовательно, разработка методов решения краевых задач и компьютерного моделирования реальной структуры металлических материалов при исследовании процессов деформации и разрушения на основе современного программного и математического обеспечения для инженерного анализа, является актуальным научным направлением.
Цель работы. Повышение эффективности и точности математического моделирования путем разработки и апробации методических подходов к решению краевых задач, компьютерному исследованию и визуализации процессов деформации, разрушения с учетом структуры металлических материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи
Разработать методики создания 2D и 3D конечно-элементных моделей объектов исследования с учетом реальной структуры материала.
Провести моделирование процесса растяжения плоских образцов из сплава АМгб и АД1 с учетом реальной структуры и выполнить проверку адекватности реальным экспериментальным исследованием.
Установить целесообразность учета реальной структуры материала при моделировании процессов прокатки плоских образцов и осадки цилиндрического образца из сплава АМгб.
На основе МКЭ и разработанных методик решить ряд краевых задач и провести компьютерное исследование процесса фестонообразования при вытяжке полой цилиндрической детали из сплава АМгб и АД1М.
Решить краевую задачу, визуализировать и провести исследование закономерностей процесса распространения трещины в плоском образце из анизотропного хрупкого материала методом компьютерного моделирования.
Научная новизна работы. Впервые разработаны методики создания 2D и 3D конечно-элементных моделей (КЭМ) объектов исследования с учетом реальной структуры материала, на примере алюминиевых сплавов АМгб и АД1М. Разработаны программы-приложения автоматизированного построения моделей с учетом реальной структуры и кристаллографической ориентации зерен различных фаз для пакета программ MSC.Nastran for Windows (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2009612613 от 22 мая 2009 г.).
На основе разработанных КЭМ показана возможность визуализации эволюции микроструктуры и изменения НДС обрабатываемого материала в процессах деформации - растяжении, осадке, прокатке, вытяжке листового материала.
С использованием КЭМ и решений краевых задач показана возможность оценки развития процесса фестонообразования при вытяжке полой цилиндрической детали из алюминиевого сплава АМгб в зависимости от степени кристаллографической текстурованности материала.
Предложено теоретическое уравнение для расчета работы, требуемой на продвижение трещины, которое позволяет оценивать ее траекторию в зависимости от фазового и структурного состава материала. Разработанный алгоритм расчета траектории продвижения трещины в хрупких материалах с учетом реальной структуры, реализован в виде пользовательской программы-приложения для пакета MSC.Nastran for Windows (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2009612614 от 22 мая 2009г.). Разработанная программа-приложение определения траектории распространения трещины в зависимости от фазового и структурного строения материала, использует вариационный метод выбора направления с применением предложенного теоретического уравнения для расчета работы, затрачиваемой на продвижение трещины. В ней реализована возможность визуализации процесса распространения трещины, что позволяет снизить временные затраты на расчет и дает возможность исследователю или технологу принимать решения по оптимизации структурного строения материала.
На защиту выносятся:
- методики создания КЭМ объектов исследования с учетом реальной
структуры материалов;
- результаты новых решений краевых задач, компьютерных и
экспериментальных исследований процессов деформации - растяжения,
осадки, прокатки, вытяжки листового материала;
- установленные физические закономерности изменения НДС материала,
определяемые учетом его реальной структуры;
методики, на основе которых теоретически обоснован процесс фестонообразования при вытяжки листового материала;
разработанные методики и алгоритмы для исследования процесса распространения трещин в хрупких анизотропных телах.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Методика автоматизированного построения 2D и 3D КЭМ объектов исследования с учетом реальной структуры реализована в виде двух пользовательских приложений для пакета программ MSC.Nastran for Windows, которые значительно сокращают временные затраты на построение КЭМ.
Исследования процесса одноосного растяжения КЭМ образца из алюминиевого сплава АМгб с учетом его реальной структуры были использованы в рамках выполнения работы для ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г.Самара) по теме: «Разработка профаммно-методического обеспечения на базе MSC/Nastran for Windows для анализа остаточных микропластических деформаций элементов конструкции изделия І4Ф137», для определения уточненных значений кривой упрочнения с учетом микропластичности.
Разработанная компьютерная КЭМ процесса листовой штамповки реализованная в виде методик, позволяющих определять основные технологические параметры процесса, использовалась для решения производственной задачи штамповки цельнотянутых патрубков из титанового сплава ОТ4 на ОАО «Металлист-Самара» (г. Самара) (акт об использовании результатов научно-исследовательской работы от 25.07.2007).
Результаты учета анизотропии листового материала при компьютерном моделировании процесса вытяжки алюминиевых сплавов позволили дать необходимые рекомендации по доработке технологического процесса штамповка капсюля из алюминиевого сплава АД1М на ГНПРКЦ «ЦСКБ-Професс».
Апробация диссертации. Основные положения работы доложены и обсуждены на Второй Международной научно-технической конференции «Металлодеформ-2004» (г. Самара, 2004); VIII и IX Всероссийских молодежных научных конференциях с международным участием «Королёвские чтения» (г. Самара, 2005, 2007); Межрегиональной научно-методической конференции «Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России» (г. Самара, 2006); Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2006); VIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых (г. Екатеринбург, 2007); V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии-2008» (г. Москва, 2008); 5-й Российской научно-технической конференции «Математическое моделирование и компьютерный инженерный анализ» (г. Екатеринбург, 2008); 7-й, 8-й, 9-й, 11-й Российских конференциях пользователей MSC.Software (г. Москва, 2004, 2005, 2006, 2008); межкафедральном научном семинаре по обработке металлов давлением СГАУ (Руков.: чл.-корр., д.т.н., проф. Гречников Ф.В., Самара, 2009); межвузовском научном семинаре «Прикладная математика и механика» СамГТУ (Руков.: д.ф.-м.н., проф. Радченко В.П., Самара, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень журналов рекомендованные ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 163 страницах, содержит 5 таблиц, 91 рисунков. Состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, глав, отражающих результаты собственных экспериментальных исследований и их обсуждения, общих выводов и списка литературы, включающего 153 источников, из них 46 на иностранных языках.
