Введение к работе
Актуальность проблемы. Процессы формообразования оболочек из листовых металлов под действием жестких инструментов; давления жидкости или эластичной среды широко распространены в автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Существующая до настоящего времени ориентация на преимущественно экспериментальную отработку параметров подобных процессов приводит к значительным временным и материальным затратам. При таком подходе остаются скрытыми механизмы влияния различных факторов на процесс деформирования оболочки, что существенно затрудняет поиск наиболее рациональных вариантов формоизменения.
Имеющиеся аналитические подходы к расчету параметров формоизменения оболочек из листовых металлов построены на основе таких упрощающих предположений (идеально-пластичный материал, выделение очагов деформации, стационарность процесса деформирования, неучет истории нагружения и т.д.),- которые позволяют дать лишь крайне приближенную оценку напряженно-деформированного состояния.
Постоянно повышающиеся требования к сокращению сроков проектирования процессов формообразования оболочек из листовых металлов, к поиску наиболее рациональных вариантов формоизменения (при которых возможна экономия исходного листового материала за счет максимального использования его способности к пластическому деформированию без разрыва) выдвигают перед специалистами проблему создания математических моделей и автоматизированных систем для анализа поведения оболочек в процессах формоизменения с учетом всего многообразия физико-механических и геометрических факторов, способных повлиять на протекание таких процессов. При этом необходимость решения проблемы моделирования именно в комплексе, когда математическая модель процесса формоизменения оболочки доведена до уровня автоматизированной системы, обусловлена тем, что реальные промышленные процессы формообразования из листовых металлов характеризуются настолько большим разнообразием и сложностью конфигураций используеїшх инструментов, что без автоматизации'моделирования выход на задачи формоизменения реального производства практически невозможен.
К настоящему времени разработан достаточно широкий
спектр математических моделей формоизменения оболочек при больших пластических деформациях как в упрогопластической, так и в жесткопластической формулировках. Сравнительный анализ имеющихся численных результатов показывает, что надежность многих моделей недостаточно высока дахе по отношению к простейшим случаям формоизменения. Одна из главных причин подобной ситуации состоит в неучете при пошаговом решении задачи о больших пластических деформациях такого важного для оболочки (тем более в области больших деформаций) фактора, каким является поворот ее элементов на временном интервале.
Характеризуя в , целом ситуацию с моделированием процессов пластического формоизменения оболочек из листовых металлов, можно с одной стороны указать модели в которых корректно учтены особенности поведения оболочки- на шаге нагружения. Однако такие модели находятся либо в стадии тестовой.отработки, либо реализованы для такого узкого круга задач формоизменения, что область их применения как инструментов анализа реальных производственных операций формоизменения выглядит весьма ограниченной. С другой стороны, можно отметить модели, которые реаяизо-ванны в виде систем, способных рассматривать широкие классы процессов формоизменения оболочек. Однако такие модели основаны на алгоритмах, которые'демонстрирует недостаточную надежность при рассмотрении тестовых примеров, и в этой связи их применение при решении реальных.производственных задач формоизменения оболочек из.листовых металлов представляется проблематичным.
Таким образом, комплексная проблема, включающая создание надежных и эффективных математических моделей больших пластических деформаций оболочек и "их реализацию в виде автоматизированных систем для исследования широких классов задач формообразования из листовых'металлов, к настоящему времени не получила решения, удовлетворкыцего потребностям практики.
Цель работы. Основными целями настоящей работы являются:
разработка подхода к построению дискретных моделей формоизменения оболочек при больших пластических деформациях (в условиях контактного взаимодействия с инструментами) с учетом поворотов элементов оболочки на малом временном интервале;
создание на основе такого подхода дискретных моделей оболочек применительно к различным типам формоизменения (изгиб и кручение, плоская, осесишетрнчікиГи неосесшмметричная деформация);
реализация разработанных дискретных моделей в виде автомати-
-3-зироваюшх систем, ориентировашшх на решение широких классов задач пластического формоизменения оболочек; - проведение анализа процессов пластического форлоизменения оболочек различной конфигурации на оонове разработанных моделей с целью установления присущих им механических закономерностей и выработки рекомендаций по их использованию в практие.
Научная новизна, Разработан подход к построению дискретних моделей пластического формоизменения оболочек из листовых, металлов, при котором в рамках жесткопластнческой модели материала, пошаговой схемы нагрузкения, дискретизации оболочки на основе симплексных элементов, лагранжевой формулировки на шаге с использованием прямоугольных систем координат и соотношений геометрически нелинейной теории в квадратичном приближении осуществляется учет такого важного для оболочки при больших деформациях фактора, каким является поворот ее"элементов на шаге. Отличительная особенность подхода состоит в обеспечении полного итерационного уравновешивания дискретной модели в конце.каждого шага иагружения с учетом изменения ее конфигурации и контактных условий на шаге. При конкретизации подхода на различные случаи пластического формоизменения созданы и реализованнн в виде автоматизированных систем дискретные модели осесимметричной, плоской и неосесимметричной деформации тонкой оболочки под действием жестких инструментов,, а также дискретная модель форлоизменения толстой оболочки глк тела вращения.
Путем сравнительного анализа с использованием экспериментальных данных и результатов моделирования в рамках разработанного жесткопластаческого подхода показано, что тленно коррект--ный учет изменения конфигурации оболочки на малом временном интервале позволяет получать числовые результаты, близкие к экспериментальным на протяжении всего процесса форлоизменения. Заметные отклонения от эксперимента числовых результатов, полученных в классе задач о больших пластических деформациях оболочек на основе известных упругоплзстических и жесткопластических дискретных моделей связано не с погрешностями в исходных данных по флзкко-механическим характеристикам материала и коэффициентам трзния (на что обычно ссылаются в таких случаях), а с на-хоплеї лгт численных погрешностей вследствие использования явных инкрементальных схем, не учитывакцих изменение конфигурации оболочки на времешгам шаге.
Экспериментально подтверждена способность разработанных мо-
_4-делей предсказывать разрыв формуемой оболочки по критерию достижения предельного состояния и локализации деформации. Представлены результаты параметрических исследований, которые устанавливают количественные закономерности влияния характеристик упрочнения материала, коэффициентов трения, размеров заготовки и геометрии инструментов на параметры формоизменения (в том числе и предельные) оболочек в-различного типа форлообразующих операциях (изгиб, кручение, вытяжка, растяжение, обтяжка). Автор защищает:
подход к построению дискретных моделей пластического формоизменения оболочек из листовых металлов, обеспечивающий получение надежных числовых результатов в области больших пластических деформаций на основе корректного учета изменения конфигурации оболочки на малом временном интервале;
созданные на основе предложенного подхода и реализованные в виде автоматизированных систем'для решения широких классов задач формообразования из листовых металлов дискретные модели:
изгиба и кручения тонкой полосы при больших пластических де-формациях;
пластического фор.юизменения безмоментных оболочек в условиях осесимметричной, плоскої! и неосесшллетрнчной деформации;
пластического фор.юизменения толстой оболочки как тела вращения;
- решение задач изгиба и кручения тонких металлических по
лос, вытяжки и фор.ювкн тонких и толстых оболочек различной
конфигурации, из листовых металлов и внедрение результатов -вы
полненных исследований в практику.
Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечивается использованием вариантов законов пластического течения и контактного взаимодействия, прошедших экспериментальную проверку в классе проблем формообразования из листовых металлов; пошаговой формулировкой задачи с применением геометрически нелинейной теории в квадратичном приближении, хорошо зарекомендовавшей себя в задачах с большими прогибами тонких оболочек; обеспечением полного итерационного уравновешивания дискретной модели оболочки с учетом изменения ее конфигурации и контактных условий на шаге; сопоставлением результатов численного моделирования с экспериментом и с известными численными решениями. «
Практическая ценность работы заключается в разработке и ре-
-5-ализации в виде автоматизированных систем гля решения широких классов задач пластического'формоизменения ооолочек из листовых металлов математических моделей, способных предсказывать поведение оболочек в реальных промышленных процессах формообразования; во внедрении версий разработанных систем на предприятиях автомобильной промышленности (ГО "Москвич", УАЗ), а также внедрении результатов исследований реальных производственных процессов .формообразования из листовых металлов з практику промышленных предприятий (ПСМосквич", БАЗ, НПО"Энергия", УАЗ, ЗиЛ).
Версии разработанных систем к другие результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр "Теоретическая механика" и "Обработка металлов давлением" Московского автомеханического института, а также кафедры "Обработка металлов давлением" Ульяновского политехнического института.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на Всесоюзной научно-технической конференции ^Системы автоматизированного проектирования в кузнечно-штамповочном производстве" /Свердловск, 1988г./; конференции "Опыт освоения новой техники, оснастки, материалов в кузнечно-штамповочном гроизводстве" /Пенза, 1988г./; республиканской конференции "Прогрессивные методы обработки металлов давлением" /Рига,' L989r./; Всесоюзном совещании по трибологическим проблемам в іроцессах обработки материалов /Киев, 1989г./; научно-техничес-кзй конференции МАМИ / Москва, 1989г./; Всесоюзной Школе "Чис-тенные методы механики сплошной среды" Драсноярск, 1989г, [,991г./; Международной конференции по автоматизированным систе-лам обучения в науке и технологии /Барселона (Испания) 1990г./; їеждународной конференции по техническому проектированию /Дуб-хэвник (Югославия) 1990г./; семинарах по механике в МАМИ, Мосс-?анкине и МИЭМе /Москва, 1992г./.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы от-яжены в 29 публикациях в отечественных и зарубежных изданиях. і автореферате приведен список 20 основных статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, яти разделов, заключения, списка литературы и приложения. Ра-іота содержит 246 страниц основного машинописного текста, 67 границ рисунков, 2 страницы таблиц. Список литературы включает 16 наименований. В приложении приведены акты о внедрении ре-ультатов работы.