7 - 2014

Исследование процесса изгиба трубной заготовки проталкиванием с помощью конечно-элементного анализа

Константин Николенко
К.т.н., доцент кафедры обработки металлов давлением Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет).
Валентин Мисюра
Студент 5-го курса инженерно-технологического факультета Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет).

С использованием программного обеспечения ANSYS­LS/DYNA выполнен конечно­элементный анализ процесса изгиба трубной заготовки проталкиванием. Определено напряженно­деформированное состояние заготовки в процессе формоизменения и установлены основные особенности процесса изгиба трубной заготовки. Результаты анализа подтверждены экспериментальными исследованиями.

Тонкостенные крутоизогнутые отводы находят широкое применение в авиационно­космической технике, а также в трубопроводах предприятий перерабатывающих отраслей. Для повышения жесткости и улучшения компоновки трубопроводов требуются отводы, имеющие минимально возможные радиусы изгибаемых изделий [1]. Геометрические параметры используемых крутоизогнутых отводов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры крутоизогнутого отвода

Типоразмер

трубы (мм)

Материал

изделия

Длина прямолинейного участка l (мм)

при величине угла a

15О

30О

45О

60О

75О

90О

36×0,8

ПТ­7М

110

95

80

65

45

20

42×0,8

Х18Н10

120

105

85

70

45

20

50×0,8

ПТ­7М

135

115

95

75

50

20

50×1,0

Х18Н10

63×0,8

ПТ­7М

160

135

115

90

55

20

63×1,0

Х18Н10

80×0,8

ПТ­7М

195

165

135

100

60

20

80×1,0

Х18Н10

Изготавливать отводы с минимально возможной величиной радиуса кривизны позволяет метод проталкивания трубной заготовки в канал матрицы с криволинейной осью [2]. Схема устройства для формообразования крутоизогнутых отводов приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства для формообразования отводов

Рис. 1. Схема устройства для формообразования отводов

Для разработки методики проектирования процесса формообразования отводов необходимо выполнить анализ и определить напряженно­деформированное состояние заготовки, а также определить особенности деформирования заготовки в данном процессе.

Очаг деформации при проталкивании трубной заготовки имеет сложный нестационарный характер. Изменяются его границы и граничные условия. Напряженно­деформированное состояние заготовки изменяется как во времени, так и при переходе от точки к точке. Большинство существующих до настоящего времени методик анализа формообразования элементов трубопроводов в основном направлены на определение энергосиловых параметров процесса [3]. Они не позволяют установить особенности деформирования заготовки без грубой схематизации процесса.

В настоящей работе выполнен анализ процесса формообразования крутоизогнутых деталей из трубных заготовок проталкиванием заготовки на основе моделирования данного процесса при помощи метода конечных элементов.

С целью получения достоверных результатов анализа весь процесс формообразования разбивается на достаточно малые стадии и в пределах каждой стадии выполняется определение напряженно­деформированного состояния по всему объему заготовки. При переходе от стадии к стадии накопленные деформации и интенсивность деформации сохраняются для расчета на последующей стадии. На рис. 2 показано условное разделение на стадии процесса формоизменения.

Рис. 2. Постадийное формообразование крутоизогнутого отвода

Рис. 2. Постадийное формообразование крутоизогнутого отвода

Для моделирования процесса формообразования в выполняемых исследованиях используется конечно­элементный программный продукт — ANSYS­LS/DYNA [4]. Поведение материала заготовки описывается билинейной кривой упрочнения. Модель материала оснастки — пуансона 12, внутренней оправки 8 и полуматриц 3 и 9 — Rigid Material (твердое тело).

Для моделирования деформируемой заготовки выбран элемент SHELL 163 — оболочечный элемент с четырьмя узлами, возможностью изгиба и пружинения, имеющий 12 степеней свободы в каждом узле. Геометрия оснастки и заготовки построена с использованием программного обеспечения SIEMENS NX8 с последующим импортированием в ANSYS/ LS­DYNA. Построение сетки конечных элементов деформируемой заготовки и оснастки показано на рис. 3.

Рис. 3. Построение сетки конечных элементов

Рис. 3. Построение сетки конечных элементов

В результате анализа установлено напряженно­деформированное состояние заготовки в процессе формообразования. Изменение толщины деформируемой заготовки и интенсивности деформаций по стадиям формообразования определено с помощью цветовой шкалы и представлено на рис. 4.

Стадии процесса
формообразования

Относительный радиус гиба   = 1

Угол гиба 300

Угол гиба 600

Угол гиба 900

Рис. 4. Результаты моделирования процесса

В качестве примера выполнено моделирование процесса формообразования тонкостенных крутоизогнутых отводов, выполненных из стали 12Х18Н10 на различные радиусы гиба.

Параметры расчета процесса формообразования:

  • материал — 12Х18Н10;
  • зазор (z) — 0,3 мм;
  • геометрия — = 1,5, D = 53 мм, S = 1,5 мм;
  • трение — 0,08.

Обработка результатов анализа, в частности изменение толщины деформируемой заготовки, приведено на рис. 5. Там же, для подтверждения достоверности результатов анализа, приведены и экспериментальные данные, полученные в процессе исследования деформированного состояния деталей штампованных отводов (доверительный интервал значений изменения толщины заготовки).

Анализ процесса формообразования тонкостенных крутоизогнутых отводов с применением программного обеспечения ANSYS/ LS­DYNA позволил установить ранее неизвестные особенности деформирования заготовки в процессе формоизменения.

Установлено, что этот процесс осуществляется по более сложным закономерностям, чем процесс обычной гибки. Наличие сдвиговых деформаций, развивающихся в осевом направлении трубной заготовки, изменяет картину деформированного состояния заготовки.

Рис. 5. Изменение толщины заготовки по образующей

Рис. 5. Изменение толщины заготовки по образующей

В результате анализа установлено, что образующая, расположенная по максимальному радиусу заготовки, утоняется не вся равномерно, как это принято считать при чистом изгибе. На рис. 6 показано изменение толщины заготовки с начальной толщиной 1,5 мм при формообразовании крутоизогнутого отвода с относительным радиусом кривизны, равном 1,0. Из рисунка видно, что максимальное утонение наблюдается в центральных областях образующей, имеющей максимальный радиус. При рассмотрении участков этой образующей, расположенных ближе к переднему и заднему торцу, величина утонения начинает снижаться и переходит в увеличение толщины на самих торцах.

Также отличаются от традиционного изменения толщины элементы заготовки на образующей с минимальным радиусом кривизны. Центральная зона заготовки по этой образующей увеличивается, в то время как по мере перемещения к торцам заготовки толщина заготовки уменьшается и начинает утоняться на самих торцах.

В результате анализа установлено, что величина радиуса гиба не влияет на величину утонения заготовки в опасных сечениях. Установлено, что величина минимально допустимого радиуса гиба ограничивается не пластичностью деформируемого материала, а лишь геометрией самой детали.

Таблица 2. Влияние кривизны изгибаемого отвода на величину утонения материала

Относительный

радиус гиба

Математическая модель отвода

Минимальная толщина заготовки S (мм) и величина деформации утонения (es)

1

RГ = 0,6

S = 1,378

es = –0,0848

2

RГ = 1,0

S = 1,375

es = –0,0871

3

RГ = 1,5

S = 1,381

es = –0,0826

4

RГ = 2,0

S = 1,385

es = –0,0797

Из табл. 2 видно, что при уменьшении относительного радиуса кривизны изготавливаемого отвода от величины = 2 до величины  = 0,6 утонение заготовки в зоне максимальной деформации утонения практически не изменяется. Величина логарифмической деформации утонения заготовки во всем интервале изменения относительного радиуса гиба находится в пределах от es = –0,082 до es = –0,087, то есть практически не изменяется.

Результаты моделирования процесса формообразования отвода вталкиванием в матрицу и разработанная конструкция устройства для формообразования прошли лабораторно­промышленное апробирование и позволили изготовить партию деталей высокого качества. Внешний вид деталей приведен на рис. 6. 

Список используемой литературы

  1. Попов И.П. Формообразование тонкостенных крутоизогнутых отводов в жестких инструментальных штампах [Текст]/ И.П. Попов, В.Д. Маслов, К.А. Николенко // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 1. С. 23­26.
  2. Патент 130241 Российская Федерация МКП B21C 37/29.Устройство для формообразования крутоизогнутых отводов [Текст]/Маслов В.Д., Николенко К.А., Мисюра В.Д.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. аэрокосмич. университет. — № 2013105307/02, заявл. 07.02.13; опубл. 20.07.13, Бюл. № 23. 3 с.
  3. Давыдов О.Ю. Штамповка неравнопроходных тройников из трубных заготовок в разъемных матрицах [Текст]/Давыдов О.Ю., Егоров В.Г., Невструев Ю.А. // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. № 6. С. 40­44.
  4. LS­DYNA [Электронный ресурс]. URL: http://www.cadfem.ru (дата обращения 14.10.2013).

САПР и графика 7`2014