Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем современного машиностроения является проблема получения качественных литых заготовок, формообразование которых зависит от технического оснащения процесса изготовления и технологической литейной оснастки. Качество получаемых изделий существенно зависит от эксплуатационной стабильности соответствующих прессформ, под которой понимается неизменность геометрической формы и структурного состояния узлов оснастки.
Прочностная надежность, безопасность эксплуатации и ресурс работы металлических форм литья определяется в первую очередь уровнем и характером распределения температурных напряжений, возникающих под действием высоких температур при заливке жидкого металла в форму, а в некоторых случаях - и давлений вследствие взаимодействия литейного расплава с формообразующей поверхностью. Негативным результатом такого воздействия является изменение структуры поверхностного слоя материала с последующим снижением прочности, образованием микротрещин, деформирования и коробления элементов конструкции. Отсюда возникает необходимость исследования термонапряженного состояния ответственных элементов конструкций технологической оснастки с определением действительного уровня температурных напряжений при интенсивном тепловыделении в процессе формования литых заготовок, выявлением закономерностей и зависимостей распределения термонапряжений при действии предельных уровней термических нагрузок.
С учетом современных требований к качеству литых заготовок, обеспечения прочностной надежности в процессе всего срока эксплуатации элементов технологической оснастки исследование влияния температурных напряжений на прочность и эксплуатационную стабильность таких конструкций должны проводиться еще на стадии проектирования форм
литья, что в проектной практике не всегда осуществляется ввиду отсутствия адекватных расчетно-экспериментальных методов. Этим определяется актуальность настоящей работы.
Современные элементы технологической оснастки, работающие при термосиловом воздействии, представляют собой конструкции, имеющие сложную геометрическую форму с вырезами и отверстиями. Определение температурных напряжений в подобных системах представляет значительные математические трудности, поскольку необходимо учитывать широкий спектр различных совместных воздействий (силовых, температурных), свойства материала и покрытий поверхности. Одним из эффективных методов определения термонапряжений в элементах исследуемых конструкций является метод математических аналогий, широко используемый в механике деформируемого твердого тела.
Современные требования к созданию прочных и надежных конструкций с
использованием в процессе проектирования адекватных расчетных моделей и
соответствующих методов расчета обуславливают необходимость в
разработке расчетно-экспериментального метода определения
температурных напряжений, учитывающего как особенности геометрии, так и режимы эксплуатации металлических литейных форм.
В связи с этим разработка расчетно-экспериментальных методов и дальнейшее развитие адекватных математических моделей, позволяющих исследовать термонапряженное состояние элементов технологической оснастки, обусловленное как внутренним тепловыделением в процессе формования отливки, так и внешним термосиловым воздействием в технологиях литья, представляет собой актуальную проблему механики деформируемого твердого тела.
Целью работы является разработка расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений, возникающих в элементах конструкций технологической оснастки литейного производства под действием высоких температур с учетом геометрических особенностей в
виде вырезов и отверстий различной формы. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
- проведено математическое обоснование расчетно-экспериментального
метода определения термонапряжений в элементах конструкций оснастки на
основе использования математических аналогий в механике деформируемого
твердого тела;
- реализован экспериментальный метод определения термонапряжений в
элементах оснастки с учетом реальной конструкции на основе статико-
геометрической и пластиночной аналогий;
проведена оптимизация конструктивных схем технологической оснастки на основе полученных результатов исследования;
разработаны и практически внедрены рекомендации по снижению уровня температурных напряжений с возможностью их управления в элементах конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок.
Научная новизна результатов работы настоящей работы заключается в следующем:
- разработана методика экспериментального определения температурных
напряжений в аналоговых моделях реальных конструкций и осуществлено
моделирование термонапряженного состояния узлов технологической
оснастки литейного производства на основе статико-геометрической и
пластиночной аналогий механики деформируемого твердого тела;
предложена критериальная оценка термонапряженного состояния реальной конструкции литейной формы при термосиловом нагружении, основанная на анализе особенностей термонапряженного состояния, обусловленного как внутренним тепловыделением, так и внешним силовым воздействием;
выработаны практические предложения по оптимизации геометрической формы оснастки, позволяющие снижать уровень возникающих температурных напряжений.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью математического моделирования температурных напряжений с использованием математических аналогий, основных законов и положений механики деформируемого твердого тела. Обоснованность результатов диссертационной работы гарантируют строгость математических формулировок исходных положений, проверка с использованием тестовых примеров, а также хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов исследования.
Практическая ценность и внедрение результатов. Проведенные исследования термонапряженного состояния элементов конструкций технологической оснастки и анализ возникающих термических напряжений позволяют выявлять опасные сечения в элементах конструкций на стадии проектирования литейной оснастки и регулировать уровень температурных напряжений за счет изменения геометрии конструкций, что приводит к существенному увеличению эксплуатационного ресурса.
Результаты исследований внедрены в проектной практике заинтересованных организаций, что подтверждено двумя актами внедрения с предприятий: 1. ОАО «Подольский электромеханический завод специального машиностроения», г. Подольск. 2. ООО «Компания Корд», п. Львовский, Подольский район.
На защиту выносятся: расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений в элементах конструкций технологической оснастки литейного производства;
-экспериментальная реализация математических аналогий в механике деформируемого твердого тела для моделирования термонапряжений в технологической оснастке с учетом реальных конструктивных схем; - расчетно-экспериментальная методика выбора оптимальной формы узлов технологической оснастки в зависимости от температурного и силового воздействий в процессе получения литых изделий;
- практические рекомендации по увеличению ресурса эксплуатации узлов оснастки при сохранении качества получаемых изделий литейного производства.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: 1. XV Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2008 г. 2. XVI Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2009 г. 3. XVII Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2010 г. 4. X Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. С-Петербург, 2009г. 5. X Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Дагомыс, 2009 г. 6. Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», г. Москва,
-
г. 7. XX Петербургские чтения по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2010 г. 8. V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», г. Москва, 2010 г. 9. XI Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Кисловодск, 2010 г. 10. VI Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», г. Сочи,
-
г. 11. XI Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Дагомыс, 2010 г. 12. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ, 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, включая 14 статей, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 141 листе машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, 53 рисунков, 21 таблицы, списка литературы из 99 наименований и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов проведенных исследований.
