Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование реологии металлов и сплавов при повышенных температурах (литературный обзор) 12
1.1. Принятые допущения для описания деформации металлов 12
1.2. Процессы упрочнения-разупрочнения металлов и сплавов при пластической деформации в условиях горячей деформации 14
1.3. Модели сопротивления пластической деформации металла при температурах горячей деформации 28
1.4. Экспериментальные методы исследования сопротивления металла пластической деформации 42
1.5. Постановка задачи исследования 59
2. Разработка экспериментальной базы и результаты исследования реологии металлов и сплавов 62
2.1. Конструкция и принцип работы установки 63
2.2. Программы для управления пластометрической установкой и обработки экспериментальных данных 69
2.3. Методика проведения экспериментов на сжатие образцов 76
2.4. Экспериментальные данные сжатия образцов из стали 08X18Н10Т 84
2.5. Экспериментальные данные сжатия образцов из сплава АМгб 87
2.6. Результаты металлографического исследования механизмов разупрочнения Выводы
3. Идентификация модели сопротивления деформации 106
3.1. Постановка задачи и методика идентификации модели сопротивления деформации 106
3.2. Программное обеспечение для идентификации модели сопротивления деформации 113
3.3. Результаты идентификации модели сопротивления деформации 115
3.4. Оценка адекватности реологической модели сопротивления деформации физическим процессам в образце в ходе эксперимента 136
Выводы
4. Разработка вязкопластической модели сопротивления металла высокотемпературной деформации, учитывающей динамическое деформационное старение 152
4.1. Вязкопластическая модель сопротивления металла высокотемпературной деформации, учитывающая динамическое деформационное старение 152
4.2. Результаты идентификации модели сопротивления деформации 156
4.3. Оценка адекватности реологической модели физическим процессам деформации 160 Выводы
5. Практическое использование результатов исследования 166
5.1. Методика проведения испытаний 167
5.2. Экспериментальные данные и результаты идентификации модели сопротивления деформации для стали 15 167
5.2. Экспериментальные данные и результаты идентификации модели сопротивления деформации для стали 60С2 175
Выводы
Заключение 183
Список литературы
- Модели сопротивления пластической деформации металла при температурах горячей деформации
- Программы для управления пластометрической установкой и обработки экспериментальных данных
- Программное обеспечение для идентификации модели сопротивления деформации
- Результаты идентификации модели сопротивления деформации
Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы механики, связанной с повышением адекватности описания деформации твердых тел при высоких температурах и внешних механических воздействиях.
Практический интерес к решению этой задачи вызван перспективами развития программ для инженерных и технологических расчетов, интегрированных в автоматизированные системы проектирования технологических процессов. Это позволяет повысить надежность проектирования и сократить время подготовительной стадии производства за счет оптимизации технологий с использованием их математических моделей. Как показывает мировая практика, такой подход является эффективным в условиях рыночной экономики, когда развитие конкуренции вынуждает производителей постоянно повышать качество и разнообразие продукции, стремясь при этом к снижению затрат на производство. Применительно к обработке металлов методами высокотемпературной пластической деформации весьма актуальным является разработка определяющих соотношений с реологическими моделями входящих в них внутренних переменных, определяющими функциональную связь сопротивления металлов деформированию с основными механическими параметрами - скоростью и степенью деформации - и одновременно учитывающими структурные изменения в деформируемом металле.
Целью диссертационной работы является разработка методики идентификации определяющих соотношений для металлов при больших высокотемпературных пластических деформациях, учитывающих совокупность упрочняющих и разупрочняющих структурных изменений в деформируемом металле.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем. 1. Разработана новая методика идентификации динамических моделей сопротивления деформации, учитывающая вязкие радиальные напряжения и неодно-
родность напряженно-деформированного состояния при сжатии цилиндрических образцов, что позволило повысить точность процедуры идентификации определяющих соотношений для описания высокотемпературной деформации.
Разработана новая вязко пластическая модель сопротивления металла высокотемпературной пластической деформации, учитывающая динамическое деформационное старение.
Получены новые экспериментальные данные по реологии стали 08Х18Н10Т при температурах испытания 950С и 1150С, сплава АМгб при температуре испытания 300С и 400С, а также стали 15 и 60С2 при температурах испытания 1050С и 1150С.
Практическая значимость результатов исследований.
Разработано программное обеспечение для управления пластометрической установкой, методика проведения экспериментов на сжатие цилиндрических образцов и обработки их результатов, которые позволяют повысить точность описания сопротивления деформации при высокотемпературных испытаниях.
Результаты исследований сопротивления деформации сталей 15 и 60С2 использованы на ОАО «Уральский научно-технологический комплекс» для разработки металлосберегающих технологий изготовления поковок повышенной точности.
Достоверность основных научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена применением научно обоснованных положений теории определяющих соотношений в механике твердого деформированного тела и современных представлений о механизмах пластической деформации, а также известных методов теории идентификации динамических процессов, численного решения задач механики деформируемого твердого тела и современных методов металлографического исследования структуры металлов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 4 статьях в российских журналах из перечня ВАК. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены
на следующих конференциях: XIV и XV Зимняя школа по механике сплошных сред (г. Пермь, 2005 и 2007 гг.); V Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (г. Н. Новгород, 2006 г.); XXXIV и XXXVI Summer School - Conference «Advanced Problem in Mechanics» (г. С.-Петербург, 2006 и 2008 гг.); Ill Всероссийская научно-техническая конференция «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.); VI Всероссийская научная конференция «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2007 г.); II Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Москва, 2007 г.); VII Международная конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2008 г.); V Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008 г.). На защиту выносятся:
Методика идентификации динамических моделей сопротивления деформации, учитывающая вязкие радиальные напряжения и неоднородность напряженно-деформированного состояния при сжатии цилиндрических образцов.
Модель сопротивления металла высокотемпературной пластической деформации, учитывающая динамическое деформационное старение.
Методика проведения экспериментов, позволяющая фиксировать структуру металла по окончании деформации и регистрировать температуру поверхности образца в процессе испытания на основе использования тепловизионного метода исследования.
Программное обеспечение для управления пластометрической установкой и обработки экспериментальных данных.
Совокупность экспериментальных данных по сопротивлению деформации сталей 08Х18Н10Т, 15, 60С2 и алюминиевого сплава АМгб в различных темпе-ратурно-скоростных условиях деформирования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 123 наименований и 3 приложений. Изложена на 153 страницах текста и содержит 39 рисунков и 20 таблиц.
Модели сопротивления пластической деформации металла при температурах горячей деформации
В работах [21, 24] отмечается, что самой сложной проблемой для расчетов с помощью разного типа определяющих соотношений является подбор закона, который бы адекватно отражал реологию металлов. Данную задачу можно решить методом экспериментального исследования, в котором необходимо создать такое напряженно-деформированное состояние, чтобы, используя внешние измерения, можно было бы определить инвариантные характеристики, входящие в физические уравнения связи в определяющих соотношениях. Используя гипотезу о макроскопической определимости, допускают, что испытания на растяжение или сжатие образцов удовлетворяют условию однородности напряженно-деформированного состояния в процессе нагружения, в котором реализуется одноосное напряженное состояние [18, 26]. В результате этого, инварианты, входящие в систему физических уравнений, преобразуются к простому виду.
Под сопротивлением деформации cs понимается напряжение, возникающее в испытаниях на сжатие или растяжение образцов в предположении одноосного напряженного состояния при заданных термомеханических параметрах [18, 27, 28, 29, 30]. Величина Gs зависит от химического состава металла, его температуры, степени, скорости деформации и истории нагружения. Сопротивление деформации является величиной комплексной, в которую могут входить помимо напряжений, обусловленных упругопластиче-скими деформациями, также составляющие вязких напряжений. Например, для упруговязкопластической среды и критерия текучести Мизеса (1.1) сопротивление деформации вычисляется согласно [12, 31] как Gs=-l3k + Gv, (1.2) где GV - вязкая составляющая напряжения деформирования.
В работах [12, 32, 33, 34] показано, что для хорошего соответствия экспериментальных и расчетных данных по описанию реологического поведения металлов необходимо использовать модели, учитывающие структурные изменения в процессе деформации. Таким образом, можно сделать вывод, что модели должны быть составлены с учетом основных физических процессов, влияющих на изменение напряжения деформирования в ходе нагруже-ния.
Процессы упрочнения-разупрочнения металлов и сплавов при пластической деформации в условиях горячей деформации
В зависимости от проходящих структурных изменений в процессе деформации температуру протекания пластической деформации условно разделяют на три интервала: холодная, теплая и горячая деформация. Во всех температурных интервалах происходят конкурирующие процессы, связанные с упрочнением и разупрочнением, которые отражаются на изменении сопротивления деформации JS.
На рис. 1.1 приведена диаграмма деформации в координатах сопротивление деформации Gs— степень деформации є с характерными кривыми, соответствующими трем температурным интервалам деформации [1]. Кривые типа 1 обычно соотносят с холодной деформацией. У металлов, упрочняющихся по кривой типа 2, интенсивно происходят процессы разупрочнения, связанные с динамическим возвратом и полигонизацией. Кривым типа 3 и 4 приписывают разупрочнение, протекающее за счет динамической рекристаллизации. Рис. 1.1. Изменение сопротивления деформации сг5 металлов и сплавов от степени деформации Є при различных температурно-скоростных условиях деформации
Деформационное упрочнение металлов
Основными механизмами пластической деформации являются скольжение, двойникование, относительное перемещение самих зерен [14, 15, 30, 35, 36, 37].
Существует ряд теорий деформационного упрочнения металлов и сплавов, однако до сих пор ни одна из этих теорий не получила всеобщего признания [14, 15, 36, 37]. Существующие гипотезы и модели деформационного упрочнения основаны главным образом на теории Тейлора, по которой основной вид деформации при пластическом течении металла определяется дислокационным механизмом. По этой теории сопротивление деформации os определяется напряжениями, которые препятствуют движению дислокаций. Дислокации, задерживаясь в кристаллах, постепенно создают внутренние напряжения. При этом образуются дислокационные стенки и скопления, повышается сопротивление деформации данного материала.
Помимо повышения плотности дислокаций в процессе пластической деформации происходит увеличение их кривизны, образуются точечные дефекты и барьеры Ломера-Котрелла, фрагменты и пересечения, ступеньки на дислокациях, узлы и другие сложные построения [14, 15, 30, 35, 36, 37]. С развитием деформации начинают также действовать дислокационные источники типа Франка-Рида, которые регенерируют дислокации. Скопление дислокаций у препятствий, а также образование порогов при их перерезании приводят к повышению плотности заблокированных дислокаций и увеличению внутреннего напряжения.
Упрочнение металлов приводит к изменению структуры, механических и физико-химических свойств: изменяется форма и ориентировка зерен, образуются полосы деформации, повышается химическая активность и электросопротивление металла [14, 15]. С упрочнением повышается уровень внутренней энергии в металле, а следовательно, и склонность упрочненного материала к процессам разупрочнения при нагреве.
При пластической деформации реальных металлов и сплавов наблюдается сложный характер напряженного состояния в отдельных зернах и фазовых составляющих, что приводит к большому многообразию механизмов деформирования и, как следствие, упрочнения. Часто встречающимися механизмами упрочнения реальных металлов и сплавов, согласно работам [14, 15], являются:
В работе [15] отмечено, что на начальной стадии пластической деформации в поликристаллах проявляются макронеоднородности распределения деформаций по объему металла, происходит формирование ячеистой структуры, препятствующей скольжению дислокаций. С ростом деформации дис-локации перераспределяются из-за общего повышения их плотности с созданием стенок, разбивающих поликристалл на объемы ячеистой структуры.
Особенности формирования ячеистых дислокационных структур зависят от условий деформации, среди которых определяющими является температура, степень и скорость деформации, а также схема напряженного состояния. Повышение температуры способствует формированию более равномерной ячеистой структуры с достаточно высокой (3-4) разориентацией ячеек [14].
Горячая деформация сопровождается не только интенсивной перестройкой всей дислокационной структуры поликристаллов и повышением её устойчивости, но и миграцией границ зерен и субзерен, связанной с развитием в металле разупрочняющих процессов. Поэтому при повышении температуры деформации изменяется характер кривых упрочнения деформируемых металлов [13, 14, 35].
Программы для управления пластометрической установкой и обработки экспериментальных данных
Термин динамический возврат был принят для обозначения частичного разупрочнения при деформации, вызванного скольжением дислокаций [14, 15]. Данный процесс является самым низкотемпературным, протекает при температурах холодной деформации и проявляется снижением скорости упрочнения. Динамический возврат протекает тем легче, чем легче осуществляется термически активируемый процесс скольжения, а следовательно, чем больше энергия дефектов упаковки и соответственно меньше ширина расщепленных дислокаций и чем выше температура деформации [41].
Поперечное скольжение тормозится высокодисперсными частицами вторых фаз и полями упругих напряжений, создаваемыми ими в решетке матрицы. Поэтому в гетерофазных и стареющих сплавах, состаренных перед деформацией, динамический возврат затруднен и тем сильнее, чем дисперс-нее выделившаяся фаза и выше напряжения, создаваемые ею [38].
Динамическая полигонизация При поперечном скольжении винтовых дислокаций усиливается взаимодействие дислокаций, движущихся в разных системах скольжения. Образуется дислокационная ячеистая структура, в которой дислокационными сплетениями являются стенки ячеек областей с малой плотностью дислокаций. Чем больше энергия дефектов упаковки и выше температура деформации, тем меньше толщина стенок ячеек. С повышением температуры деформации возникают условия для переползания дислокаций, трехмерные стенки «сплющиваются» до двухмерных субграниц, и наступает полигонизационная стадия динамического возврата. В работе [14] эта стадия называется «динамической полигонизацией», а в зарубежной литературе [42, 43, 44] чаще используется термин «динамический возврат» как совокупность процессов собственно возврата и полигоїгазации.
Считается общепринятым, что протеканию динамической полигониза-ции соответствует тип диаграммы горячей деформации сг — є без выраженного максимума или «пика» напряжения деформирования (см. рис. 1.1, кр. 2) [15, 45]. Авторы работ [13, 14] отмечают, что на самом деле можно лишь говорить о вероятности такого соответствия. Так например, при сжатии аусте-нитной стали 08Х18Н12Т в диапазоне температур 800...1200С и скоростей деформации 10 ... 5 с «пик» на диаграммах деформации не наблюдался, а механизм разупрочнения на установившейся стадии изменялся при повышении температуры деформации от динамической полигонизации до динамической рекристаллизации [13]. При аналогичных испытаниях в схожих условиях ферритной стали 08X18Т1 механизм разупрочнения изменялся при нагреве подобным образом, а тип зависимости а — г изменялся от диаграммы с «пиком» при низких температурах до диаграммы без пика при высоких температурах [13].
На начальной стадии деформации (см. рис 1.1, кр. 2) напряжение течения возрастает из-за генерирования дислокаций и их взаимодействия. При увеличении деформации образуются субзерна с малоугловыми границами. При достижении напряжения, соответствующего установившейся стадии деформации, плотность дислокаций, средний размер и равноосность субзерен остаются постоянными. Равноосность субзерна сохраняется за счет протекания процесса «реполигонизации», означающего многократную повторную полигонизацию, состоящую в рассыпании субзеренных границ и новом их формировании. Под действием напряжения разные малоугловые границы двигаются в различных направлениях, происходит частичная аннигиляция дислокаций в субграницах и взаимодействие субграниц в тройных стыках [14]. Не смотря на то, что средние параметры субзеренной структуры сохраняются приблизительно постоянными, тем не менее нельзя говорить об истинной установившейся стадии микроструктуры, так как исходные зерна постоянно вытягиваются в направлении течения в соответствии со степенью деформации [14]. Динамическая рекристаллизация
Под динамической рекристаллизацией понимают процессы рекристаллизации, совершающиеся в ходе пластической деформации [13, 14, 15, 35, 41, 45]. Для её начала необходимы следующие условия: достаточно высокая плотность дислокаций и высокая температура [13, 15, 35].
Выделяют несколько механизмов зарождения и протекания динамической рекристаллизации. Зарождение часто идет по границам исходных деформированных зерен (механизм Бейли-Хирша) [14, 35]. Из-за градиента плотности дислокаций по обе стороны от границы зерен во время деформации возникают «выступы», или «языки», которые при определенных обстоятельствах могут стать зародышами рекристаллизации. Как правило, такой процесс зарождения характерен для материалов с невысокой энергией упаковки. Это такие металлы как никель, медь, стали в аустенитом состоянии и др.
Для материалов с высокой энергией дефектов упаковки (алюминий и его сплавы, ферритные и аустенитно-ферритные стали и др.) высока вероятность внутризеренного зарождения по механизму Кана-Бюргерса через объединение (коалесценцию) субзерен [14]. Субзерна коалесцируют тем вероятнее, чем больше их размеры и угол разориентации. Когда разориентировка достигает значения -15, субзерно становится зародышем рекристаллизации. При продолжающейся пластической деформации коалесцирующие субзерна подвергаются деформации, и внутри них происходит динамическая полигониза-ция. В результате чего возникают комплексы субзерен с разориентировкой между собой 10... 12, внутри которых формируются более мелкие субзерна с разориентировкой субграниц 2...5. Такой процесс в ряде случаев называют непрерывной рекристаллизацией [46] или рекристаллизацией «in situ» [47]. Авторы работы [14] рекомендуют использовать термин «динамическая собирательная полигонизация», которая в зависимости от условий деформации может перейти в непрерывную рекристаллизацию, а может остаться на стадии динамической полигонизации.
Программное обеспечение для идентификации модели сопротивления деформации
В работах [1, 40] рекомендуется использовать первые три формулы для небольших по высоте образца деформаций (є 0,6 - 0,8). Для больших де формаций и наличия бочкообразования, т.е. при следует пользо ваться последней формулой. В случае, когда неизвестен коэффициент трения, сопротивление деформации можно рассчитать по формуле Е.П. Унксова.
В вышеприведенных формулах напряжение деформирования всегда делится на числовое значение. В связи с тем, что на начальном этапе деформирования сила трения почти не влияет на величину сопротивления деформации [1, 40], то использование этих формул приведет к занижению значений сопротивления деформации на начальном этапе нагружения.
Другой проблемой для введения поправок в определение сопротивления деформации является неопределенность в значении коэффициента трения. Существуют несколько способов определения коэффициента трения при осадке [34, 40, 88, 89]: 1) определение коэффициента трения по величине бочкообразности; 2) осаживание двух образцов; 3) осаживание одного образца; 4) метод конических бойков; 5) определение коэффициента трения через экспериментальное определение силы трения; 6) подбор коэффициента трения по результатам конечно-элементного моделирования.
В работе [88] дается краткий обзор первых четырех методов, где отмечается, что получаемые коэффициенты трения по этим методикам являются завышенными. Использование пятого метода является трудоемким, так как необходимо изготавливать специальные бойки со штифтами для замера сил трения [88]. В последние годы получил широкое распространение шестой метод, в котором коэффициент трения подбирается по результатам миними 50 зации отклонений расчетной формы боковой поверхности образца, полученной по результатам конечно-элементного моделирования, от опытных значений [34, 89].
Применение конечно-элементного моделирования позволило авторам работы [89] разработать методику уточнения кривой упрочнения металла по результатам испытаний на сжатие. Данный метод заключается в итерационном применении компьютерного моделирования процесса сжатия образца и корректировке кривой упрочнения, приводящей к уменьшению невязки расчетных и опытных значений силы сжатия и формы боковой поверхности образца. Как показано в статье [89], метод является эффективным для экспериментов на осадку при холодной деформации.
Методы построения диаграмм упрочнения Под диаграммой упрочнения понимается закон изменения сопротивления деформации Gs от степени деформации при постоянной скорости и температуре деформации [2, 3, 27, 29, 86].
Для построения диаграмм упрочнения имеется традиционная методика проведения пластометрических испытаний, в которой скорость деформации образца поддерживается постоянной. Изменяя скорость деформации от эксперимента к эксперименту, строятся диаграммы упрочнения при различных скоростях деформации. Затем полученный набор кривых упрочнения для фиксированной температуры аппроксимируется наиболее подходящей функциональной зависимостью os — Gs(s, є), то есть статической моделью.
Совершенно иной подход к построению диаграмм упрочнения реализуется с использованием динамических моделей. Автор работы [9] предложил на основании теории управления проводить эксперимент так, чтобы в нем скорость деформации была переменной, а идентификацию модели осуществлять при различных функциях нагружения. В работах [9, 31, 68] идентификация проводилась по различным законам нагружения, но скорость деформа 51 ции изменялась монотонно. В работе [12] было предложено в каждом опыте применять немонотонный закон изменения скорости деформации. Методика была реализована на пластометрической установке, созданной в лаборатории механики деформаций Института машиноведения УрО РАН.
Идентифицировав параметры модели, можно построить кривые упрочнения, задавая в модель любые скорости деформации, находящиеся в пределах, для которых были получены коэффициенты модели. Следует отметить тот факт, что для оценки параметров модели по такой методике в принципе достаточно одного опыта, а с учетом требования воспроизводимости эксперимента - трех-пяти экспериментов [9].
Типы испытательных машин Машины для кратковременных механических испытаний в зависимости от скоростных характеристик подразделяются на три группы [40]: - для статических и квазистатических испытаний (8 = 10 —10 с ); О 0 1 - для динамических испытаний (Є = 10 —10 с-); - для испытаний при сверхвысоких скоростях (Є 10 С ).
По характеру нагружения испытательные машины могут быть со ступенчатым или плавным регулированием скорости деформирования, с нагру-жением при условии постоянной скорости деформирования, со сложными законами нагружения по различным задаваемым программам. По характеру привода испытательные машины могут быть механические, гидравлические, пневматические, на энергии пружин, маховика, бойка, электроимпульсные и на энергии взрывчатых веществ. Силоизмерительные устройства испытательных машин могут быть рычажно-маятниковыми, пружинными, манометрическими, тензометрическими.
Обзор испытательных установок для проведения пластометрических исследований делается в работах [1, 29, 40, 72, 76]. Согласно этим обзорам на данный момент наиболее популярными пластометрами на растяжение-сжатие являются кулачковые, универсальные испытательные машины на базе механического привода и, в последние годы, на базе сервогидравлического привода.
Наиболее широкое применение для испытаний на растяжение-сжатие получили кулачковые пластометры [40, 72, 76]. Основным конструктивным элементом пластометра является нагружающее устройство, выполненное в виде профилированного кулачка. Профиль кулачка определяет закон развития деформации во времени в процессе обжатия и дает возможность проведения эксперимента, как с постоянной, так и с переменной скоростью. Первая испытательная машина такого типа была создана в начале 50-х годов 20-го века по проекту Орована и Лоза [40, 76].
К недостаткам использования кулачковых пластометров можно отнести большие габариты установки, а также достаточно большие временные и материальные затраты на установку и изготовление кулачков при изменении закона деформирования.
На момент создания преимущество таких установок было очевидно, так как имевшиеся на то время стандартные испытательные машины не позволяли воспроизводить скоростной диапазон нагружения 8 = 10 —10 с , а различные самодельные установки, способные работать в данном диапазоне, были не совершенны и не удовлетворяли требованиям, предъявляемым к надежности результатов испытаний и универсальности их использования [40].
С развитием автоматических систем управления удалось создать универсальные установки, позволяющие в реальном времени поддерживать заданные законы деформации. Примерами таких испытательных установок могут служить ряд электромеханических и сервогидравлических машин, созданных компанией Instron [90].
Результаты идентификации модели сопротивления деформации
Драйвер управляет контроллерами видеокамеры, датчиков усилий и линейных перемещений, электропривода и тиристорнои установки. Драйвер написан с использованием архитектуры WDM (Windows Driver Model), что позволяет использовать его в операционных системах Windows 98/Ме/2000/ХР.
Драйвер выполняет следующие операции: - инициализация устройств; - задание параметров опроса контроллера видеокамеры, датчиков усилий и линейных перемещений; - сохранение в оперативной памяти компьютера результатов опроса для последующей передачи приложению пользователя; - управление контроллером электропривода и тиристорнои установки; - поддерживание заданного закона перемещения захватов. Управление контроллерами осуществляется при помощи непосредствен ного обращения к портам ввода-вывода компьютера через ассемблерные ко манды типа inp/outp. При установке связи приложения пользователя с драй вером происходит инициализация устройств, по результатам которой прило жению передается код о наличии контроллеров в разъемах материнской пла ты. Опрос контроллеров происходит в виде постоянного опроса портов - ес ли данные готовы, то драйвер забирает их. При опросе блока измерения ли нейных перемещений и одного канала блока АЦП максимальная частота оп роса равна 300 Гц. Если дополнительно опрашивается контроллер видеока меры, то максимальная частота не превышает 7 Гц.
В драйвере используется два способа хранения результатов опроса контроллеров. Первый способ используется в случае отладочных и настроечных работ с установкой. При этом результаты опросов записываются в выделенное место в оперативной памяти компьютера таким образом, чтобы результаты следующего опроса записались бы в этот же сектор, заменив результаты текущего опроса.
Хранение по второму способу используется при проведении непосредственно экспериментов. В этом случае экспериментальные данные передаются последовательно в оперативную память компьютера и накапливаются для последующей передаче приложению пользователя. При обоих способах хранения результаты опроса контроллеров передаются приложению в режиме реального времени.
В случае удачной инициализации драйвер начинает передавать информацию с опрашиваемых контроллеров приложению пользователя. По пришедшей команде от приложения о начале накопления данных с контроллеров драйвер переходит в состояние проведения экспериментов и начинает опрос контроллеров по выбранному режиму, пришедшему от приложения пользователя. В этом же режиме драйвер управляет электроприводом и тиристор-ной установкой, подавая на каналы контроллера сигналы, соответствующие скорости перемещения захватов и силе тока, проходящего через нагреваемый образец. Используя информацию о перемещении захватов и усилии деформирования в каждый момент времени, драйвер управляет электродвигателями согласно заданной схеме эксперимента.
В драйвере реализована функция резкого останова работы двигателей и тиристорной установкой, которая вызывается из приложения пользователя. Приложение пользователя для управления установкой и обработки экспериментальных данных
Для решения задачи управления установкой и модулем Е14-140, а также анализа экспериментальных данных, связанных с реологией металлов, автором был написан специальный комплекс программного обеспечения. Данный комплекс состоит из двух программ: программа управления работой драйвера (далее - Direct Control) и программа обработки экспериментальных данных (далее - Mechanical Processor). Программа Direct Control
Программа Direct Control является единой программой для управления тремя контроллерами установки и модуля Е14-140. Программа позволяет: проводить автоматический эксперимент по изучению реологических свойств металла; проводить отладочные и настроечные работы в ручном и автоматизированном режимах; осуществлять сбор данных с модуля АЦП Е14-140; обрабатывать полученную в ходе эксперимента информацию и выводить результаты на монитор компьютера в наглядном виде; вести базу данных экспериментов.
Рабочая область Direct Control состоит из следующих элементов (рис. 2.5): 1 - строка меню, 2 - панель управления экспериментом, 3 - область просмотра экспериментальных данных, 4 - область графического отображения экспериментальной информации, 5 - область задания схемы эксперимента, 6 - окно видеоизображения.
Строка меню позволяет выбирать используемое оборудование и открывать рабочие окна для настройки управления контроллерами установки.
Панель управления экспериментом содержит функциональные кнопки и позволяет проводить эксперимент в автоматическом режиме согласно установленной схеме эксперимента, а также сохранять и просматривать экспериментальные данные.
Область просмотра экспериментальных данных содержит информацию в виде таблицы о перемещении захватов, силы деформирования и др.
Область графического отображения экспериментальной информации отображает на графике данные о перемещение захватов, силе деформирования и др.
Область задания схемы эксперимента содержит диалоговые списки, позволяющие подготавливать данные для проведения эксперимента в автоматическом режиме.
Окно видеоизображения отображает видеоинформацию с видеокамеры в режиме реального времени.
Выбор используемого оборудования производится при соответствующей установке пункта в главном меню (см. рис.2.5, поз. 1). Здесь же можно вызывать окно настройки модуля Е14-140 и окно настройки графического интерфейса программы. Управление контроллерами установки осуществляется программой при помощи специальных IOCTL - функций, с помощью которых программа соединяется с драйвером.
В связи со спецификой проведения исследований программа позволяет проводить эксперимент по двум схемам после окончания сжатия образца: 1) с резким отводом захватов для осуществления быстрого охлаждения образца; 2) без отвода захватов в течение заданного времени. Последнее сделано для исследования процесса релаксации металла после деформации. Выбор схемы эксперимента осуществляется при помощи включения/выключения опции «С реверсом» (см. рис. 2.5, поз. 5). Если данная опция включена, то после окончания сжатия образца захваты сразу отводятся.
Программа позволяет задать постоянную скорость перемещения захватов. Для этого в поз. 5 предусмотрены два поля, задающие режим работы двигателей.
Величину сжатия образца можно задать двумя способами, ограничив её максимальным усилием или максимальным перемещением захватов.
По кнопке «Пуск» захваты приводятся в движение. По кнопке «Стоп» двигатели останавливают свою работу. Кнопка «Сохранить» позволяет сохранить результаты эксперимента на жестком диске. Программа Mechanical Processor Программа Mechanical Processor используется для проведения анализа кривых нагружения, полученных при сжатии (растяжении) образцов. Программа позволяет: - строить кривые нагружения и диаграммы деформирования с учетом жесткости экспериментальной установки; - обрабатывать и проводить сравнительный анализ одновременно нескольких экспериментальных кривых нагружения;
