Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Технологические схемы синхронного формообразования зетгофра 9
1.2. Особенности гофрирования трансформируемым формообразующим узлом 15
1.3. Способы подвода усилий формообразования 19
1.4. Особенности получения заполнителя типа зет гофр из полимерных композиционных материалов 24
1.5. Постановка задач исследования 31
Глава 2. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНХРОННОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗЕТГОФРА 35
2.1. Постановка задач геометрического анализа 35
2.2. Векторная модель процесса 38
2.3. Влияние нарушения симметрии относительно пилообразных линий или асимметричного позиционирования матриц 43
2.4. Влияние взаимного смещения трансформируемых матриц на форму рельефа зетгофра 46
2.5. Определение параметров разметки и настройки трансформируемых матриц 50
2.6. Анализ влияния исполнительных и настроечных параметров оснастки на процесс формирования гофра 60
2.7. Одноматричная схема формообразования 67
Выводы к главе 68
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО УЗЛА НА ГЕОМЕТРИЮ РЕЛЬЕФА ЗЕТГОФРА 70
3.1. Зависимости образования размеров детали от радиуса скруглення в узловой зоне 72
3.2. Планирование эксперимента 75
3.2.1. Выбор существенных факторов. «Параметрический крест» 76
V 3.2.2. Области определения факторов. Построение плана эксперимента 83
3.3. Пятиэтапный эксперимент , 86
3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 97
3.5. Корректирование размеров трансформируемых матриц 105
Выводы к главе 108
Глава 4. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗЕТГОФРА 109
4.1. Модели механики деформирования заготовки 109
4.2. Расчетные исследования 116
4.3. Анализ результатов численного эксперимента 121
4.4. Расчет деформированного состояния заготовки с учетом пластических деформаций 130
Выводы к главе 137
Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ 139
5.1. Принципиальная схема установки 139
5.2. Описание конструкции установки 141
5.3. Работа установки 144
5.4. Внедрение результатов диссертационной работы 148
Выводы к главе 150
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 152
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 154
- Технологические схемы синхронного формообразования зетгофра
- Постановка задач геометрического анализа
- Зависимости образования размеров детали от радиуса скруглення в узловой зоне
- Модели механики деформирования заготовки
- Принципиальная схема установки
Введение к работе
Актуальность проблемы. В конструкции некоторых перспективных самолетов и вертолетов предусматривается значительный объем использования многослойных панелей с легким заполнителем. Возникают новые направления их применения, меняется акцент в отношении требований к конструктивно-технологическим характеристикам. Все это стимулирует поиск новых видов заполнителей, в том числе с новой нестандартной архитектурой и соответственно технологией их изготовления.
В этой связи значительными потенциальными возможностями обладают складчатые конструкции (СК). Они представляют собой рельефные структуры, разворачивающиеся на плоскость, и могут быть изготовлены с помощью операций гибки (складывания), без вытяжки и нарушения целостности материала.
Наиболее простой в структурном плане и близкой для практического применения является СК типа зигзагообразный гофр (зетгофр), методы изготовления которого из твердолистовых материалов можно разделить на две группы: синхронное и циклическое формообразование.
Настоящие исследования посвящены методу синхронного складывания. Этот метод заключается в одновременном (синхронном) формировании рельефа сразу по всей поверхности заготовки, чем и определяется его название. При таком процессе формообразования одновременно возникает очень большое количество очагов деформирования, включая изгиб по отрезкам зигзагообразных и пилообразных линий, а также узловых зон пересечения этих отрезков. К тому же зоны деформирования при трансформировании детали (увеличении густоты рельефа) перемещаются в пространстве по сложным траекториям. Следует отметить также, что гофрирование осуществляется с помощью трансформируемого формообразующего узла, так называемых трансформируемых матриц (ТМ). Трансформируемые матрицы являются многозвенным механизмом с большим количеством шарниров. Люфты в этих шарнирах могут вносить погрешность в настройку ТМ перед изготовлением детали. Естественно, что при реализации такого процесса ключевыми задачами является обеспечение точности зетгофра. Влияние многочисленных факторов на погрешность изготавливаемых деталей в настоящее время мало изучено. Поэтому исследования, направленные на повышение точности складчатого заполнителя являются актуальными.
Диссертация содержит комплекс теоретических и экспериментальных работ по созданию методик расчета, анализа и прогнозирования погрешностей, возникающих в процессе синхронного формообразования зетгофра, а также средств снижения этих погрешностей.
Цель работы заключается в создании средств и методов повышения точности изготовления зетгофра при синхронном складывании с использованием трансформируемого формообразующего узла.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
построение векторной модели совместного трансформирования заготовки и трансформируемого формообразующего узла (трансформируемых матриц);
исследование влияния на точность детали типа зетгофр отклонения размеров трансформируемых матриц от номинальных, а также их установки на заготовку;
- определение экспериментальным путем зависимости величин радиусов
гиба в узловых зонах заготовки от параметров рельефа детали и от жесткостных
параметров заготовки, а также накоплению статистических данных по стабиль
ности процесса; ' .
'; < расчетные исследования процесса деформирования заготовки с использованием современных вычислительных средств и анализ ее напряженно-деформированного состояния;
- разработка нового способа синхронного изготовления СК, с более высо
кими точностными характеристиками;
і- проектирование и изготовление экспериментального оборудования, реализующего способ гофрирования на одной трансформируемой матрице;
- выработка рекомендаций по технологическим ограничениям и назначе
нию рациональных параметров формообразующего узла.
Научная новизна работы заключается:
в разработке векторной модели процесса совместного трансформирования формообразующего узла и заготовки;
в разработке методики для расчета погрешностей рельефа детали в зависимости от неточного позиционирования элементов формообразующего узла, а также погрешностей его изготовления; . > ..
в экспериментально полученных зависимостях значений радиусов в узловых зонах детали от параметров формообразующего узла и жесткостных параметров заготовки;
в построении расчетной модели для определения радиусов в узловых зонах и установлении закономерностей влияния геометрии оснастки на значения радиусов;
в разработке новой технологической схемы, основанной на формообразовании зетгофра одноматричным трансформируемым узлом.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработана и из
готовлена экспериментальная установка, реализующая новую технологическую
схему гофрирования зетгофра; установлены закономерности, позволяющие
прогнозировать погрешности рельефа детали в зависимости от отклонений тех
нологических параметров процесса от номинальных; разработан расчетный
комплекс, позволяющий рассчитывать значения радиусов в узлах рельефа дета
ли. " ' '!.
Достоверность результатов работы обеспечивается точностью физического эксперимента, использованием проверенных численных методов и моделей механики деформирования упругих тел.
На зашиту выносятся:
1) математическая модель процесса формообразования зетгофра с помо-
' шью формообразующего узла в виде трансформируемых матриц;
-
зависимости между параметрами формообразующего оборудования и жесткостных параметров заготовки с одной стороны и величиной и стабильностью радиусов в узлах гофрированной детали с другой стороны;
-
расчетная модель для оценки радиусов гиба, возникающих в узловых зонахдетали;
-
результату численного эксперимента по определению границ области минимальной кривизны, по которым происходит формирование гребня деформирования в начальный момент формообразования;
5) расчетная схема деформирования заготовки с учетом несущей способности (предельного состояния материала), которая обусловлена последовательным образованием в процессе деформирования заготовки пластических шарниров в наиболее нагруженных сечениях.
Личный вклад соискателя.
Автору диссертации принадлежат все основные идеи и результаты исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (г.Казань, 2006), первой и второй Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г.Самара, 2004, 2005); на Всероссийских молодежных научных конференций "XI, XII Туполевские чтения" (г.Казань,2003, 2004); Международной конференции «XXVI Гагаринские чтения » (г.Москва, 2000); двенадцатой и тринадцатой конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи» (г.Самара, 2002, 2003); Всероссийской научно-технической конференции "Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве" (г.Казань, 1999); XV Всероссийской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г.Казань, 2003).
Опытные образцы заполнителя и разработанное оборудование экспонировались на выставках: «Авиакосмические технологии и оборудование» (г.Казань, 2006), «МАКС - 2005» (г.Москва, 2005), на 53 Всемирном салоне инноваций и научных исследований «Брюссель - Эврика» (г.Брюссель, 2003).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 18 работ, из них — 2 статьи в научных журналах, 1 - депонированная статья, I — положительное решение по заявке на патент.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Полный объем работы составляет 162 страниц, в том числе 112 стр. основного текста, 99 рисунков (41 стр.), список литературы (77 наим., 9 стр). -.-.
Технологические схемы синхронного формообразования зетгофра
Постановка задач геометрического анализа
В силу конструктивных особенностей зетгофра его формообразование характеризуется одновременным образованием большого количества очагов деформирования в виде узлов пересечения четырех расположенных в пространстве под разными углами сгибов. При этом, проблема обеспечения точности рельефа становится ключевой.
Наиболее характерными дефектами гофрированной конструкции являются: отклонение величины радиусов в узловых зонах от номинального значения; различие размеров граней по разные стороны пилообразных или зигзагообразных линий; отклонение номинальных размеров рельефа (высоты блока, шагов по пилообразным и зигзагообразным линиям, амплитуды зигзагообразных линий); искажение в плане блока зетгофра.
Вероятность появления и величина таких погрешностей зависит, в первую очередь, от способа формообразования, в этой главе рассматривается процесс синхронного складывания [42], который основывается на использовании формообразующего узла, основными элементами которого являются так называемые трансформируемые матрицы (ТМ) [48]. Принципиальная схема формообразования складыванием показана на рис. 2.1.
Образование зетгофра по несопряженным схемам осуществляется при наличии одной или двух (нижней и верхней) ТМ с одинаковыми конструктивными параметрами и заданным взаимным расположением. На рисунке 2.1 обозначены следующие позиции: грани 1 зетгофра, зигзагообразные линии 2 и 3 на его вершинах и впадинах, пилообразные линии 4, плоские элементы 5 матриц соединенные цилиндрическими шарнирами 6, заготовка 7. Нижняя матрица формирует зигзагообразные линии 2 зет гофра, а верхняя - зигзагообразные линии 3. Трансформирование матриц осуществляется различными силовыми приводами [34, 69].
Из накопленного опыта установлено, что основными причинами дефектов рельефа являются:
погрешности размеров формообразующего узла, т.е. трансформируемых матриц;
отклонение положения ТМ от номинального при установке;
проскальзывание матриц по поверхности заготовки в начале формообразования.
В главе рассматриваются вопросы, связанные с оценкой влияния на точность изготавливаемого Z-гофра следующих факторов:
1) отклонение параметров разметки трансформируемых матриц от номинальных значений;
2) погрешности установки матриц на заготовку перед формообразованием по несопряженным технологическим схемам:
- смещение верхней матрицы в направлении зигзагообразных линий;
- смещение верхней матрицы в направлении пилообразных линий;
- нарушение симметрии взаимного расположения матриц;
- отклонение высоты установки ТМ от расчетного значения;
3) взаимное влияние динамики изменения геометрических параметров матриц и гофра в процесса совместного трансформирования.
Влияние отмеченных факторов рассматривается при разном сочетании конструктивных параметров гофра.
Для определения качественного влияния перечисленных факторов на форму рельефа и количественной оценки ожидаемых погрешностей разработана математическая модель процесса совместного трансформирования матриц и зетгофра по несопряженной схеме.
Зависимости образования размеров детали от радиуса скруглення в узловой зоне
Попробуем оценить влияние радиуса р на точность конструктивных параметров детали. Явление удобнее всего наблюдать в сечениях по пилообразным линиям в сочетании с видом сверху.
Рассмотрим два варианта (рис.3.2,б,в) процесса. Первый (б) протекает с образованием радиуса гиба в узловой зоне. Второй (в) - без образования, т.е. дает номинальные размеры структуры.
Конструктивные параметры детали и матриц, относящиеся к первому варианту, обозначим с индексом "D", ко второму - без индексов. Размеры трансформируемых матриц отметим чертой над обозначением их параметров.
Считаем, что оба варианта процесса реализуются трансформируемыми матрицами 1, 2 одного размера. Причем в обоих случаях первоначальная установка матриц характеризуется одними и теми же параметрами 2L0, 2Я0, 2S0 и V0. На рис. 3.2,а показано сечение по пилообразным линиям в момент установки заготовки 3, между матрицами 1, 2. Зона образования р на заготовке отмечена знаком.
Теперь рассмотрим картину внедрения матриц в заготовку (рис.3.2,б,в). Если принять одинаковую степень трансформирования матриц то из этих схем вытекают следующие соотношения между размерами детали и номинальной структуры:
- шаг по зигзагообразным линиям 6 у детали и структуры 7 одинаков 2SD=2S;
- шаг по пилообразным линиям 4 детали и структуры 5 также одинаков, т.е. 2Lsf=2L, т.к. 2LD = 2L-AV + AV = 2L;
- высота детали HD и номинальной структуры Н также одинаковы.
В тоже время:
- плоскость зигзагообразных линий выступов детали приподнята над этой же плоскостью нижней ТМ на величину ДН. Плоскость зигзагообразных линий впадин детали располагается ниже этой же плоскости верхней ТМ также на величину АН. В результате, в процессе трансформирования, общая высота пакета матриц по первому варианту 2#D будет выше пакета ТМ во втором варианте 2Я на величину 2ДЯ;
- амплитуда зигзагообразных линий 6 детали VD меньше амплитуды номинальной структуры на величину 2ДК, т.е.
Модели механики деформирования заготовки
Из анализа геометрических параметров заготовки, схемы ее опирання и нагружения в качестве его расчетной модели может быть принята гибкая пластина, в которой действуют как изгибные, так и цепные (мембранные) напряжения [76].
Как известно, при малых прогибах справедливо допущение о том, что мембранные деформации не зависят от изгибных и наоборот. Тогда, задача изгиба и плоская задача являются линейными и их можно решать раздельно.
В результате, цепные напряжения и деформации могут быть определены из решения линейной плоской задачи равновесия или совместности деформаций.
После определения цепных напряжений они учитываются далее как составляющая часть нагрузки, входящая в правую часть уравнений равновесия задачи изгиба.
При больших прогибах изгибная и плоская задачи не разделяются и деформирование заготовки необходимо рассматривать с позиции геометрически нелинейной задачи. С учетом того, что при формообразовании в отдельных зонах гофра появляются пластические, исходная задача превращается еще и в физически нелинейную,
Кроме того, при изгибе на очень малые радиусы кривизны неопределенным становится положение нейтрального слоя в зоне деформирования заготовки. Таким образом, решение задачи формообразования зетгофра в строгой постановке от начала процесса до конечного рельефного состояния представляется чрезвычайно сложной многопараметрической задачей.
В связи с этим, в проведенных исследованиях при моделировании процесса формообразования использовалась методика, предложенная в работе [47]. В соответствии с этой методикой процесс формообразования зетгофра разбивается на два этапа. Первый этап характеризуется малыми деформациями - и для его описания используется линейная модель механики деформирования гибких пластин. Второй этап характеризуется большими перемещениями, однако при этом не рассматривается физически и геометрически нелинейная задача, а параметры рельефа определяются из геометрических соотношений.
Границей разделения этапов является момент появления первых пластических деформаций в зоне гиба, то есть в узловых зонах.
Алгоритм исследований базируется на допущении о том, что после того как появились первые пластические деформации в виде скругляющего гребня в узловой зоне, местоположение этого гребня при дальнейшем формообразовании зетгофра не меняется.
Это положение иллюстрируется рисунком 4.1. Этап зарождения гребня Уо с пластическими деформациями представлен на рис.4.1.а. На рис.4.1.6 Ill соответственно показаны подэтапы трансформирования, на которых местоположение гребня не меняется, а изменяется только его радиус.
Таким образом, для решения сформулированной задачи справедлив алгоритм, в соответствии с которым при малых прогибах определяется местоположение гребня и далее по простым геометрическим соотношениям рассчитывается величина радиуса гиба на любом этапе трансформирования.
Поскольку зетгофр представляет собой регулярную геометрическую структуру, в исследованиях достаточно рассмотреть деформирование его типового фрагмента в виде элементарного модуля (ЭМ), состоящего из четырех граней, группирующихся вокруг одного узла.
Рассмотрим два технологических варианта формообразования зетгофра: по двухматричной (рис.4.2) и по одноматричной (рис.4.3) схемам. В обоих вариантах виртуальный фрагмент заготовки в виде параллелограмма, опирается на гребни нижней ТМ, которые можно рассматривать в качестве опор в общем алгоритме исследований.
При двухматричной схеме заготовка нагружается усилиями (перемещениями), передающимися через ребра верхней ТМ, по линии МК (рис.4.2), равноудаленной от опор (погонная нагрузка Р).
При одноматричной схеме нагрузка q распределена по всей поверхности граней ЭМ (рис.4.3).
Если отвлечься от влияния свободных кромок заготовки на формообразование зетгофра, то есть рассматривать процесс на удалении от ее краев, то методику расчета НДС зетгофра можно существенно упростить.
Принципиальная схема установки
Установка имеет две основные части: устройство для гофрирования листового материала, состоящей из формообразующего узла, механизмов дожатая и растяжения, и раму с закрепленными на ней механизмами для обеспечения взаимодействия между ними.
Принципиальная схема устройства показана на рис. 5.2 - 5.4.
На рис.5.1 изображен фрагмент детали в виде зигзагообразного гофра, получаемого из плоской листовой заготовки с помощью данной установки. Он имеет зигзагообразные линии выступов 1, зигзагообразные линии впадин 2 и пилообразные линии 3, соединяющие вершины зигзагообразных линий выступов 1 и впадин 2.
Устройство состоит из формообразующего узла, образованного системой пуансонов 10 (рис.5.2) и разъемной вакуумной камерой из газонепроницаемого материала. С нижней стороны системы пуансонов 10 прикреплена нижняя часть разъемной вакуумной камеры 14, а с другой стороны к системе пуансонов 10 по зигзагообразным линиям выступов прикреплен фиксатор системы пуансонов 4 из газопроницаемой ткани. Прикрепление сделано таким образом, чтобы в момент растяжения фиксатора системы пуансонов 4 в плоское состояние система пуансонов 10 принимала начальное положение для установки заготовки. По кромкам, вдоль зигзагообразных линий система пуансонов соединена с пантографами 8, имеющими возможность перемещаться вдоль направляющих планок пантографов 9, которые, в свою очередь, имеют возможность перемещаться в направлении относительно пилообразных линий системы пуансонов 10. По сторонам системы пуансонов, вдоль пилообразных линий имеются параллельно расположенные две планки механизма дожатая 7 с возможностью их встречного плоско-параллельного перемещения в направлении зигзагообразных линий системы пуансонов 10. Пантографы 8 образуют механизм растяжения формообразующего узла, а планки механизма дожатия 7 образуют механизм дожатия. К вакуумной камере подходит вакуумная магистраль 13, предназначенная для создания вакуума в рабочей зоне формообразующего узла.
