Введение к работе
Актуальность темы. Научно-технический прогресс неразрывно связан с появлением новых способов получения материалов и изделий с заданными или принципиально новыми свойствами, с созданием и внедрением прогрессивных ресурсосберегающих технологий и новой техники. К новым материалам в частности относят пористые материалы, композиты. Изделия из таких материалов применяются в авиационной и космической технике, теплоэнергетике, специальном машиностроении, автомобильной промышленности и т.д.
Основной стадией, предшествующей разработке новых технологических процессов и машин, является математическое моделирование. Заметим, что реальные металлические материалы обладают неоднородной структурой. При математическом моделировании процессов изготовления и эксплуатации материалов и изделий с заданными или новыми свойствами, разработке основ технологий их производства, традиционных подходов механики сплошной среды, в частности с привлечением гипотезы об однородности деформируемой среды, во многих случаях оказывается недостаточно. В этом случае необходимо использовать подходы механики структурно-неоднородных сред. Особенно это относится к процессам деформации пористых материалов, поскольку необходимо учитывать как неоднородность структуры материала, так и изменение соотношения составляющих при деформировании.
Многообразие и взаимовлияние эффектов неоднофазности приводит к некоторой разобщенности исследований в данной области (Р.И. Нигматулин). В настоящее время существует ряд работ, в которых рассмотрены и обобщены основные положения, используемые при решении задач механики гетерогенных материалов, построены замкнутые системы уравнений движения смесей при заданных физико-химических свойствах структурных составляющих. Однако проблема количественного описания всего многообразия процессов деформирования гетерогенных сред, не может считаться окончательно решенной.
Во многих случаях при исследовании процессов деформирования структурно-неоднородных материалов могут быть использованы модели сред с регулярной структурой. К материалам с упорядоченным расположением элементов можно отнести пористые материалы, представляющие собой типичную микронеоднородную среду. Получение заготовок и изделий непосредственно из порошкового сырья позволит отказаться от энерго- и трудоемких операций передела, интенсифицировать производства и снизить себестоимость продукции. Применение динамического формования позволяет отказаться от использования крупногабаритного и дорогостоящего оборудования, повысить производительность, получать заготовки с улучшенными или новыми свойствами.
Заметим, что модели сред с регулярной структурой могут быть применены не только к исследованию процессов деформирования собственно пористых материалов. Они могут быть использованы и для расчета многослойных конструкций в форме тел вращения или материалов, испытывающих фронтальные фазовые превращения в твердой фазе, являющихся элементами оборудования, предназначенного для горячего прессования пористых и композиционных ма-
териалов, синтеза новых материалов при высоких температурах и давлениях и т.д. Важным является вопрос исследования процессов деформирования и накопления повреждений в этих материалах с учетом неоднородности их свойств.
Цель диссертации:
Используя модель среды с регулярной структурой, соотношения на поверхности сильных разрывов, осуществить математическое и компьютерное моделирование процессов экструзии и динамического прессования пористых металлических материалов. На основе полученных результатов определить основные закономерности уплотнения и оптимальные условия деформирования в зависимости от характера неоднородности и условий нагружения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:
-
Для модели пластически сжимаемой среды при условии текучести цилиндрического типа и связанных с ней определяющих соотношений определить структурные параметры, учитывающие геометрию пор и ее эволюцию в процессе деформирования.
-
Определить скорость диссипации мощности на поверхности сильного разрыва в пластически сжимаемой среде с учетом скачка плотности при переходе среды через поверхность разрыва.
-
На основе математической модели с разрывными полями скоростей установить закономерности уплотнения и оптимальные условия процесса выдавливания пористого материала.
-
Построить математическую модель процесса динамического прессования пористого материала в цилиндрической пресс-форме, учитывающую ударно-волновой характер нагружения и неравномерность распределения остаточной пористости по высоте заготовки.
-
Построить математическую модель процесса ударного выдавливания заготовки из пористого и компактного металлического сырья.
Научная новизна работы.
-
Для модели пластически сжимаемой пористой среды при условии текучести цилиндрического типа и связанных с ней определяющих соотношений определены структурные параметры, позволяющие учесть разнообразную геометрию частиц и пор и ее изменение в процессе деформирования.
-
Для условий текучести цилиндрического и эллиптического типа получены выражения для скорости диссипации мощности на поверхности сильного разрыва в пластически сжимаемой среде с учетом изменения ее плотности при переходе через поверхность разрыва.
-
С применением введенных определяющих соотношений для пластически сжимаемой среды осуществлено математическое моделирование процесса выдавливания пористой заготовки в плоской и осесимметричной постановке с использованием схемы жестких блоков и установлены закономерности процесса уплотнения пористого материала при выдавливании.
-
Разработана математическая модель импульсного прессования пористой заготовки в цилиндрическом контейнере, позволяющая в зависимости от начальной пористости, размеров заготовки, массы и скорости инструмента, сил
трения определять величину и характер распределения остаточной пористости.
-
Построена математическая модель процесса ударного выдавливания несжимаемого материала через коническую матрицу, позволяющая определить начальную скорость ударника, необходимую для осуществления процесса при заданном соотношении масс заготовки и инструмента и силах трения.
-
Предложена математическая модель процесса ударного выдавливания некомпактной заготовки через коническую матрицу при условии, что плотности исходной заготовки и пресс-остатка различны. Модель базируется на суперпозиции решений задачи прессования порошка в цилиндрическом контейнере и задачи об ударном выдавливании несжимаемого материала.
Практическая значимость работы.
1. В результате математического моделирования процесса прямого вы
давливания пористой заготовки с использованием схемы жестких блоков пока
зано, что уплотнение материала происходит до входа материала в формующую
часть матрицы. Определено оптимальное значение угла конусности, обеспечи
вающее наиболее однородную деформацию частиц материала в зоне вблизи оси
прессования и зоне, прилегающей к формующей части матрицы. В зависимости
от редукции угол меняется от 30 до 40.
2. Установлены закономерности формирования остаточной пористости
заготовки при динамическом прессовании в цилиндрической пресс-форме.
Для схемы прессования массивным ударником показано, что при плотности близкой к теоретической остаточная пористость распределена по высоте практически равномерно независимо от условий деформирования. Для заготовок с остаточной пористостью 0,1 и более, величина скачка пористости по высоте, обусловленная динамикой процесса и/или трением достигает 0,06-^0,08.
При высоких скоростях инструмента остаточная пористость по высоте заготовки распределена неравномерно в силу волнового характера процесса. С увеличением начальной скорости инструмента зона с минимальной остаточной пористостью из области контакта заготовки с донной частью контейнера "смещается" в область контакта с инструментом.
3. Для процесса ударного выдавливания определено оптимальное значе
ние угла конусности матрицы, при котором скорость инструмента, необходи
мая для осуществления процесса минимальна. В зависимости от коэффициента
трения величина угла составляет25 -т- 40.
-
Для компьютерного моделирования процессов динамического прессования некомпактных материалов разработан программный комплекс DSPress-ing. Он позволяет выполнить расчет с одновременным замедленным просмотром процесса распространения ударной волны, графически отображает изменение во времени основных параметров процесса.
-
Методика и программа расчета энергосиловых параметров, величины и характера распределения остаточной пористости заготовок из порошкового сырья при динамическом прессовании используются в институте электрофизики УрО РАН в рамках работ по приоритетному направлению "Индустрия наноси-стем и материалов". Результаты внедрения указанных методик и программ на
000 "Полимет" (г. Екатеринбург) и на Опытном заводе огнеупоров (г. Верхняя Пышма Свердловской области) позволили получить суммарный экономический эффект более 3,3 млн. рублей, что подтверждается актами внедрения.
-
С применением феноменологической теории разрушения решена задача минимизации веса двухслойного цилиндра при обеспечении заданного числа рабочих циклов до его разрушения. Результаты моделирования используются при конструировании рабочей камеры устройства для одновременного компак-тирования и спекания заготовок из некомпактного металлического сырья.
-
Разработана методика определения остаточных напряжений и деформаций в многослойном цилиндре с кусочно-однородными свойствами, обусловленных различием свойств материала слоев или фронтальными фазовыми превращениями в твердой фазе. Результаты расчетов по данной методике, касающиеся выбора материала наплавочного слоя роликов машин непрерывного литья заготовок, внедрены при разработке технологии наплавки роликов выпускаемых ОАО "Уралмашзавод", позволяющей увеличить их изностостой-кость не менее чем на 30% по сравнению с существующими отечественными и зарубежными аналогами.
Работа выполнялась в рамках госбюджетных тем ИМАШ УрО РАН "Моделирование процессов совместной пластической деформации разнородных металлических материалов для разработки экологически безопасных ресурсосберегающих технологий изготовления тончайшей проволоки и композитов" (№ гос. per. 01.960.009412), "Разработка технологии изготовления микропроволоки для фильтров очистки агрессивных жидкостей и газов волочением ее в пучке с вязким пластическим наполнителем" (№ гос. per. 01.200.110669), по теме "Разработка теории и основ технологии интенсивной деформации микро- и нано-размерных композитов с сотовой структурой для создания новых материалов с уникальными свойствами" (госконтракт №10002-251/ОЭММПУ-13/079-351/270704-644 от 18.05.2004г. и госконтракт №10104-71/ОЭММПУ-12/079-351/190905-172 от 19.09.2005г.), гранту РФФИ-Урал №01-01-96465 "Разработка теоретических основ и параметров технологии процесса пластического деформирования композитов с сотовой структурой для изготовления тончайшей проволоки в пучке и фильтрующих элементов", гранту РФФИ №05-08-01464 "Системный анализ и компьютерное моделирование динамического взаимодействия деформируемых тел и создание новых образцов машин ударного действия", гранту РФФИ-Урал №07-01-96086-р_урал_а "Экспериментальное и теоретическое исследование прочности и разрушения пористых металлических материалов, подвергаемых деформации".
Основные результаты работы докладывались на EUROMECH Colloquium 418 "Fracture Aspects in Manufacturing" (Moscow, 2000); Всероссийской научно-практической конференции "Редкие металлы и порошковая металлургия" (Москва, 2001); Международных конференциях "Разрушение и мониторинг свойств металлов" (Екатеринбург, 2001, 2003); Всероссийском научном семинаре им. С.Д. Волкова "Механика микронеоднородных материалов и разрушение" (Екатеринбург, 2004, 2006); XVII Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (Екатеринбург, 2005), 1-ой России-
ской научно-технической конференции "Кузнецы Урала" (Верхняя Салда, 2005); Совещаниях-семинарах по программе ОЭММПУ РАН №12 (тема "Разработка теории и основ технологии интенсивной деформации микро- и нано-размерных композитов с сотовой структурой для создания новых материалов с уникальными свойствами", Москва, 2003-2005); III Российской научно-технической конференции "Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций" (Екатеринбург, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 20 статей в журналах из перечня ВАК, получен 1 патент РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов и заключения. Общий объем диссертации 317 страниц, включая 74 рисунка, 2 таблицы и 5 приложений. Список литературы состоит из 309 наименований.
