Стебунов С.А., кандидат технических наук, ген. директор
Биба Н.В., кандидат технических наук, директор Власов А. В. Винниченко С.Е. (ООО «КванторФорм») Бочаров Ю.А., доктор технических наук, профессор
Гладков Ю.А., кандидат технических наук, доцент
(Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Лушников А.В., зам. ген. директор ООО «Научно-технический центр «Комплексные модели»
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ПРОГРАММЕ QFORM ДЛЯ СЕРТИФИКАЦИИ ПОКОВОК1
Рассматривается процесс моделирования в программе QForm для сертификации поковок.
Ключевые слова: поковка, сертификация, штамповка, моделирование.
MODELING OF PROCESSES IN THE QFORM PROGRAM FOR CERTIFICATION OF MATERIAL FORMING
Modeling process in the QForm program for certification of material forming is considered.
Keywords: material forming, certification, punching, modeling.
С целью повышения надежности авиационных, автомобильных двигателей и агрегатов, ответственных транспортных, энергетических и оборонных изделий, от изготовителей требуется проводить сертификацию поковок и предоставлять потребителям расчетную информацию по процессам штамповки.
Обеспечение сертификации поковок на основе моделирования процессов в Российском программном комплексе способствует значительному повышению конкурентоспособность отечественного кузнечно-штамповочного производства.
Цель моделирования операций ковки и штамповки и/или термообработки состоит в том, чтобы гарантировать теоретическую и цифровую обоснованность всех операций. Модель должна быть репрезентативной в отношении термомеханических режимов и воздействий, которым подвергается поковка в течение производственного цикла. Программа QForm полностью обеспечивает эти требования.
Рекомендуется на основе моделирования проводить два варианта расчета с учетом допусков производственного процесса и предоставлять для сертификации операционные карты технологического процесса при двух экстремальных условиях, например при самых низких и самых высоких температурах горячей объемной штамповки.
1
Работа выполнена по заказу Минобрнауки Российской Федерации в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы». ГК № 07.524.12.4021 от 29.06.2012 по теме «Разработка импортозамещающего программного комплекса для параллельных вычислений по математическому моделированию технологических процессов металлообработки (штамповки, литья и термообработки)».
Моделирование процессов горячей объемной ковки и штамповки может быть успешно реализовано исходя из предположений, что деформируемый материал описывается как жестко-пластический континуум а инструменты остаются абсолютно жесткими [1]. Для некоторых случаев технологических процессов штамповки упругая деформация штампового инструмента является существенной, и должна учитываться непрерывно в процессе моделирования. Моделирование процессов холодной штамповки, где необходимо оценивать упругую отдачу и остаточные напряжения в заготовке требует рассчитывать упругие составляющие деформации контактирующих тел непосредственно во время штамповки.
Несколько конечно-элементных коммерческих программ имеют возможности расчета связанных упруго-пластических и термических задач. Такие пакеты как ABAQUS, LS-Dyna, Pamstamp, Larstran, Forge и другие включают опции по расчету контактных задач. Для расширения возможностей новой версии программы QForm в нее была введена возможность рассматривать деформируемый материал как вязко-упруго пластический с возможностью моделирования связанных механических и термических задач на контактах заготовка-инструмент, составной инструмент, слоистые заготовки и т.д. В работе описаны особенности численной реализации упомянутых задач.
Полная система уравнений вязко-пластического неизотермического течения металла в эйлеровой системе координат применительно к задачам горячей обработки давлением включает в себя: уравнения движения без учета массовых сил, кинематические соотношения, уравнение несжимаемости, определяющие соотношения, связывающие девиаторы тензоров скоростей деформации и напряжений и замыкает систему реологическое уравнение.
Формоизмение металла рассчитывается инкрементальным методом. Может применяться как явная, так и неявная схемы интегрирования по времени. Применение неявной схемы интегрирования увеличивает устойчивость [2], но требует предварительного задания времени шага по времени до решения каревой задачи.
Для учета упругих деформаций математическая модель (1-5) модифицируется с учетом уравнений описания упругого состояния на основе закона Гука в терминах напряжения-деформации.
Деформация инструмента появляется вследствие высоких контактных давлений со стороны заготовки. Деформированный инструмент в текущий момент времени может быть использована для расчета формоизменения заготовки в следующий момент времени.
Для моделирования совместной деформации составного инструмента, например предварительно напряженного инструмента, а также деформации нескольких заготовок, необходимо учитывать дополнительные граничные и контактные условия между деформируемыми телами.
Модель деформирования пластических, упругих и термических свойств заготовки и инструментов по разработанной модели была проверена для различных условий[3,4].
Для сертификации поковок следует выполнить определенные требования к моделированию штамповки и термообработки. Все процессы штамповки и термообработки должны включать математическую трассировку темплетов деталей внутри поковок. Перед запуском продукции в производство, технология штамповки должна быть смоделирована и просмотрена представителем заказчика и технологами производителя. Технология должна быть проинспектирована и одобрена специалистами заказчика перед началом изготовления инструментальной оснастки.
Производители поковок должны предоставить примерно следующую информацию по картине течения металла в конечной стадии штамповки:
1. Компоненты тензора конечных деформаций и интенсивность деформаций в виде изолиний в поперечных сечениях поковок.
2. Изолинии накопленной степени деформации в конце каждой штамповочной операции.
3. Распределение в виде изолиний максимально достигнутой температуры в течение технологической операции.
4. Распределение в виде изолиний минимально достигнутой температуры в течение технологической операции.
5. Графики функций для штамповочных операций: деформирующую силу в зависимости от перемещения и от времени операции, скорость верхнего штампа (пуансона) в зависимости от времени и перемещения, объем заготовки в зависимости от времени операции.
Согласно имеющемуся опыту, точность результатов и их представление в программном комплексе QForm полностью отвечают требованиям изготовителей авиационных двигателей GE (USA) и SNECMA (Франция) и поэтому он успешно может быть использован для сертификации технологии изготовления ответственных деталей для авиации и энергетического машиностроения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Biba N., Stebunov S., Lishny A., Vlasov A. New approach to 3D finite-element simulation of material flow and its application to bulk metal forming, 7th International Conference on Technology of Plasticity, 27 October - 1 November, 2002, Yokohama, p. 829-834.
2. Osakada, K., Nakano, J., Mori, K. Finite element method for rigid-plastic analysis of metal forming - formulation for finite deformation, Int. J. Mech. Sci., 1982, N 8, p. 459-468.
3. Biba N., Stebunov S., Vlasov A. Material forming simulation environment based on QForm 3D software system. 12th International Conference Metal Forming 2008, 21-24 September, 2008. Vol. 2, p. 611-616.
4. Biba N., Stebunov S. QForm3D - cost effective simulation tool for metal forming technology. Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference, 15th Forging Symposium, 10-11 June, 2010, Changwon, South Korea, p. 77-80.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.