Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время возрастает роль моделирования сложных технологических процессов, которое позволяет значительно упростить и уменьшить объем экспериментальных исследований и опытно- конструкторских работ, необходимых для их разработки. При получении металлоизделий с применением установки горизонтального литья и деформации металла (УГЛДМ) реализуется совмещенный металлургический процесс, при котором в подвижном составном кристаллизаторе материал металлоизделия одновременно кристаллизуется и деформируется. Известно, что для реализации устойчивого процесса получения металлоизделий на УГЛДМ определяющее значение имеет четкое соблюдение требуемых температурных режимов, обеспечивающих наиболее благоприятные условия пластического деформирования материала металлоизделия. Эти условия определяются конструктивными параметрами металлоизделия и инструмента (подвижных частей кристаллизатора УГЛДМ), а также теплофизическими, физико-механическими и технологическими свойствами материалов металлоизделия и инструмента. Определение требуемых температурных режимов процесса и оценка их влияния на напряженно-деформированное состояние формирующегося металлоизделия и инструмента связано с большими трудностями, как из-за отсутствия критериев оценки предельных значений напряжений и деформаций в металлоизделии и инструменте с точки зрения их технологически приемлемых значений, так и из-за сложности расчета этих значений. Кроме того, отсутствует методика построения численной схемы для решения краевых задач с целью определения полей температур и напряженно-деформированного состояния в системе «формирующееся металлоизделие - инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия совмещенным методом литья и деформации металла. В этой связи описание и анализ процессов, протекающих в кристаллизаторе УГЛДМ на базе совокупности теоретических и экспериментальных исследований с учетом кинематики и области контакта инструмента с формирующимся металлоизделием, является актуальным направлением исследования.
Соответствие научному плану работ и целевым комплексным программам. Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований 11-01-98500 р_восток_а «Математическое моделирование процессов протекающих в многокомпонентных системах» (2011-2013 гг.), гранта 09-1-ОЭМПУ-07 «Моделирование и исследование процессов формирования заготовки на установке горизонтального литья и деформации металла» (2009-2011 гг.), реализованного в рамках Программы фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН № 13 «Трибологические и прочностные свойства структурированных материалов и поверхностных слоев», а также в соответствии с планом НИР ИМиМ ДВО РАН «Разработка, исследование и внедрение нетрадиционных методов обработки металлов давлением» (№ госрегистрации 01.2.006 11977).
Целью работы является построение адекватной модели, описывающей тепловые и деформационные процессы, протекающие в кристаллизаторе
УГЛДМ при формировании металлоизделия совмещенным методом литья и деформации металла.
Научная новизна обусловливается следующими положениями:
осуществлена постановка, разработана численная схема и решена пространственная краевая задача для определения напряженно-деформированного состояния в системе «формирующееся металлоизделие - инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия совмещенным методом литья и деформации металла;
осуществлена постановка, разработана численная схема и решена пространственная краевая задача для определения температур в системе «формирующееся металлоизделие - инструмент деформации» в процессе формирования металлоизделия;
установлена взаимосвязь между напряженно-деформированным состоянием формирующегося в кристаллизаторе УГЛДМ металлоизделия и технологическими режимами его получения.
Обоснованность и достоверность полученных результатов и выводов диссертации обеспечивается математической корректностью постановок решаемых задач, основанных на использовании фундаментальных уравнений механики деформируемого твердого тела, уравнений математической физики, апробированного численного метода расчета, подтверждается соответствием теоретических результатов экспериментальным данным, полученным с помощью поверенного комплекса контрольно-измерительного оборудования.
Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в системе «формирующееся металлоизделие - инструмент деформации», разработан пакет программ расчета значений температур, напряжений и деформаций, а также определены критерии их оценки с целью реализации устойчивого процесса получения металлоизделий совмещенным методом литья и деформации металла. Программы могут быть использованы в инженерной практике для определения основных параметров совмещенных процессов литья и деформации металла.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены автором на:
VIII-ой Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века». Пенза, 2010 г.;
XXXV-ой Дальневосточной Математической Школе-Семинаре имени академика Е.В. Золотова. Владивосток, 2010 г.;
всероссийской конференции «Школа по фундаментальным основам моделирования обработки материалов». Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.;
научно-технической конференции «Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем». Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.;
VI-ой международной заочной электронной научно-практической конференции «Технология». Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.;
научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИКОР». Екатеринбург, 2011 г.;
VII-ой Российской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». Екатеринбург, 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Из них 4 в ведущих рецензируемых журналах, 9 на конференциях, также имеются 2 свидетельства о Государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Личный вклад автора. В совместных работах [1-15] автор диссертационной работы принимал активное участие в теоретических и экспериментальных исследованиях, а также обработке и анализе полученных результатов. Работа [11] выполнена автором лично.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы (134 наименования). Общий объем работы - 140 страниц, в том числе 94 рисунка и 22 таблиц, включенных в текст.
