Диссертация (1026057), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Результаты верификации подтвердили адекватность разработанноймодели деформирования материала, учитывающей морфологию и фазовыйсостав стали.128Глава 5.Численное моделирование поведения материала привысокотемпературном деформировании с учетом морфологии ифазового состава сталиУравнениясостояния,полученныевпредыдущейглаве,былииспользованы для численного моделирования поведения материала привысокотемпературном деформировании с учетом морфологии и фазовогосостава стали. Численный анализ позволяет прогнозировать поведениематериала в процессе горячего деформирования, что дает возможностьопределять рациональные параметры процесса формовки без натурныхэкспериментов.
В настоящее время существует ряд работ [129 - 131], в которыхприведены методики моделирования напряженно-деформированного состоянияс использованием различных уравнений состояния методами конечныхэлементов и конечных разностей.В данной главе представлено численное моделирование трехточечногоизгиба широкой полосы в конечно-элементном программном комплексеANSYS 14.5. Проанализированы и определены параметры деформирования(температура и скорость перемещения пуансона), которые позволяют получитьнеобходимый угол заготовки. Также показано численное моделированиеформовки заготовки лопатки гидравлической турбины.5.1 Модель деформирования материала при сложном напряженном состоянииГорячаяформовкаявляетсязадачеймногоосногонагружения,следовательно, ранее представленное уравнение должно быть обобщено наслучай сложного напряженного состояния.
Экспериментальные результатыпоказали [70], что зависимость скорости деформации от напряжения имеетаналогичную тенденцию для всех направлений. Поэтому уравнение состояние,129определенное с помощью экспериментов на одноосное растяжение,можноиспользовать для моделирования процесса формовки.Для случая многоосного нагружения компоненты тензора деформацийможно разложить по методу суперпозиции на упругие, температурные,пластические деформации и деформации ползучести: = + + + (5.1)Дифференцируя уравнения (5.1) и учитывая, что мгновенные пластическиедеформации малы, а скорость температурных деформаций равна 0, так какдеформация осуществляется при постоянной температуре, можно записать: = + (5.2)Девиаторная составляющая тензора упругих скоростей деформаций можетбыть записана, как: = /21где G – модуль сдвига; = − (5.3)- компонента девиаторной3составляющей тензора напряжений.Используя критерий ползучести Мизеса, зависимость компоненты тензораскоростей деформаций от компоненты девиатора тензора напряженийследующая: =3 2 (5.4)где – компонента тензора скоростей деформации, – эффективная скоростьдеформаций: =2 3 (5.5) – эффективное напряжение: =и = ( )материала.–экспериментально3 2 определенное(5.6)уравнениесостояния1305.2 Моделирование трехточечного изгибаЛопатки гидротурбин имеют сложную форму, которая постоянносовершенствуется с целью повышения их производительности.
Одной изперпективныхоперацийизготовлениялопатокгидротурбинявляетсядеформирование в условиях пластичности (или сверхпластичности). Основныедеформации при формовке связаны с изгибом. Для упрощения соединенийдеталей необходимо формирование заготовок сложной формы, в которыхмаксимальный угол изгиба составляет 90°. В связи с этим трехточечный изгиб –этосамыйпростойспособопределениявозможностиформированиянеобходимого угла заготовки.
Поэтому, для моделирования была выбранаданная задача. Целью моделирования является определение возможностиизгиба заготовок на угол 90° и оптимизация параметров деформирования(уменьшения силы и температуры формовки).Схема трехточечного изгиба показана на Рис. 5.1. Заготовка имеет длину L= 2 м, ширину b = 0,6 м и толщину h = 0,06 м. Она лежит на двух круглыхцилиндрических роликах с радиусом r1 = 0,45 м расположенных на расстоянииrd, и изгибается пуансоном радиусом R2 , который варьируется в пределах от0,06м до 0,1м.Таблица 5.1Геометрические характеристики модели.длина (l),ширинатолщинам(b), м(h), м20,60,06расстояниерадиусрадиусмежду опорами опор (r1), пуансона(rd), ммr1+R2+0,10,15(R2) , м0,06, 0,1или 0,15131YперемещениеR2hr1Or1bXrdαРис.
5.1. Схема трехточечного изгиба.Моделирование было выполнено с постоянной скоростью перемещенияпуансона. Опорные ролики и пуансон принимались абсолютно жесткимителами. Коэффициент трением между ними и заготовкой считался равным 0.Также учитывалась масса заготовки. Температура в течение всего процессадеформирования считалась постоянной.Для расчета был использован квадратичный трехмерный элементSOLID185, который содержит восемь узлов [132]. Каждый узел имеет тристепени: перемещения по осям X, Y, и Z. Этот элемент позволяет моделироватьпластические деформации и описывать большие перемещения.Учитывая, что модель имеет две оси симметрии, для конечно-элементногорасчета была построена симметричная четверть, как показано на Рис.
5.2.Граничные условия показаны на Рис. 5.2 и были заданы следующимобразом:- плоскость Х = 0:перемещения по оси X не допускается;- плоскость Z = 0: перемещение по оси Z не допускается;132- опора жестко закреплена;- пуансон: Х и Z перемещения не допускается, в узлах в плоскости у = R2задается перемещение по оси 0Y;- заготовка находится в контакте с опорой и пуансоном.XY перемещение -UYg OМ1М2М2T, KZРис. 5.2. КЭ модель и граничные условия для расчета.Размер конечно–элементной сетки выбирался равным 12 мм, Рис. 5.2, дляобеспечения максимальной точности при условии приемлемого временирасчета.В модели были использованы два различных материала: M1 – материалстальной заготовки, который описывается экспериментально определеннымиуравнениями состояниями, и М2 - материал роликов, который учитывает, чтоони не должны деформироваться в процессе изгиба заготовки.Как было отмечено выше, целью моделирования трехточечного изгибаявляется определение усилия, которое возникает при сгибе прямоугольнойширокой полосы на угол 90° при заданной температуре в зависимости отскорости перемещения и радиус пуансона.По результатам главы 3, можно выделить несколько характерныхтемператур:- 800°С - высокая деформации до разрушения (при скорости деформации0,0004 с-1);- 730°С -при этой температуре отсутствует упрочнение.133Дополнительно,былавыбранатемпература750°Свкачествепромежуточной температуры между 730°С - 800°С.
Скорость перемещенияпуансона была выбрана в соответствии с результатами экспериментов нарастяжение и технологической целесообразностью, в интервале от 0,01 мм /с до0,0001мм/с.Моделирование было выполнено с постоянной скоростью перемещенияпуансона.
Сравнение скорости перемещения пуансона и максимальнойскорости деформации при 800°С показано в Таблице 5.2.Таблица 5.2Сравнение скорости перемещения пуансона и максимальной скоростидеформации при 800°С.Время деформирования, сек25Скорость перемещения пуансона, 1,6·10-22505001,6·10-38·10-41,3·10-36·10-4мм/сМаксимальнаяскорость 1,3·10-2деформации, с-1Изменение максимальной скорости деформации при изгибе при 800°С ивремени деформации 250 секунд показана на Рис.
5.3скорость перемещения, мм/с0,0020,0016скорость деформации, с-10,00120,00080,000400Рис.5.3.50Изменение100150200t, сек250максимальнойдеформации при изгибе при 800°С.скорости134Из Рис. 5.3 видно, что вначале скорость деформации возрастает донекоторого максимального значения, а затем постепенно уменьшается.Увеличение скорости деформации в начале соответствует упругой деформации,при установившемся режим деформации),последующеедеформации ползучести (плато скоростиуменьшениескоростидеформацииможнообъяснить смещением контакта между пуансоном и заготовкой вследствиесвободного течения материала, как это показано на Рис.
5.4. Смещение точкиконтакта приводит к снижению нагрузок на узел, в котором регистрироваласьскорость деформации.t=100st=150st=250sРис. 5.4. Смещение точки контакта.Можно отметить, что максимальная скорость деформации имеет тот жепорядок, что и скорость перемещения пуансона. Таким образом, максимальнодопустимая деформация при изгибе может быть оценена в соответствии смаксимальной деформацией (в зоне однородной деформации) при растяжении,соответствующей заданной скорости деформации.Усилие, необходимое для изгиба на заданный угол может быть найденокак суммарная реакция на пуансоне.
Можно отметить, что представленныеусилия должны быть умножены на четыре для определения полного усилия, таккак моделировалась симметричная четверть.Как было замечено ранее, вследствие смещения точки контакта междупуансоном и заготовкой, усилие изгиба уменьшается после некоторого угла,135как показано на Рис.
5.5. Максимальное усилие соответствует углу изгиба 90 °100 ° .F, кН250α,180200150150120100905000усилие деформирования60угол сгиба3050100 150t, сек200250Рис. 5.5. Зависимость усилия и угла изгиба от временипри 800°С и скорости 0,0016 мм/сек.Результаты расчета изгиба заготовки с радиусом пуансона R2=0,06 м искоростью перемещения 0,0016мм/с при 800°С показаны на Рис. 5.6.Рис. 5.6. Распределение эквивалентного напряжения при 800°С искорости перемещения 0,0016мм/с, угол сгиба 90°.136Рис. 5.7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
