Главная / Галерея / LS-Dyna / Математическое моделирование процесса высокотемпературной термомеханической обработки винтовым обжатием

Математическое моделирование процесса высокотемпературной термомеханической обработки винтовым обжатием

( 0 Голосов )
А.Ю. Муйземнек, К.Н. Жеков, А.А. Богач 14.10.2009

Одном из высокоэффективных способов упрочнения трубных заготовок является высокотемпературная термомеханическая обработка винтовым обжатием (ВТМО ВО). Процесс ВТМО ВО основан на совмещении горячей калибровки трубных заготовок путем их обжатия в трех гладких неприводных деформирующих валках, расположенных под углом 120 градусов, и последующей закалки [1]. На рис. 1 показана схема процесса ВТМО ВО. В процессе обработки установленная в захватах 5 трубная заготовка 1 с помощью индуктора 2 нагревается токами высокой частоты (ТВЧ), обжимается валками 3 и охлаждается наружным и внутренним спрейерном 4.

 

схема обжатие

Рис. 1. Схема процесса ВТМО ВО:
1 - трубная заготовка; 2 - индуктор; 3 - валки; 4 - спрейер
5 - захваты; 6 - оправка

 

Назначение рациональных технологических параметров процесса ВТМО ВО позволяет обеспечить получение трубных заготовок с более жесткими допусками на геометрические размеры, форму, расположение и качество поверхностей, более высокими характеристиками механических свойств материала и благоприятным распределением остаточных напряжений по толщине стенки.

Технологическими параметрами процессе ВТМО ВО, влияющими на качество трубных заготовок, являются:
- при индукционном нагреве - частота тока, мощность и скорость осевого перемещения трубной заготовки;
- при деформировании заготовки - угол разворота валков, скорость вращения и осевого перемещения трубной заготовки;
- при спрейерном охлаждения - схема охлаждения (наружная, внутренняя или комбинированная), интенсивность охлаждения.

Опыт разработки и оптимизации технологий, основанных на ВТМО, свидетельствует о том, что выбор оптимальных параметров подобных процессов невозможен без проведения математического моделирования теплового и напряженно-деформированного состояния заготовки, расчета силовых параметров процесса [2]. Решение данных задач возможно с использованием существующих систем автоматизированного инженерного анализа, таких как программы LS-DYNA и ANSYS [3, 4]. Так, программы LS-DYNA и ANSYS были использованы для математического моделирования процесса ВТМО ВО толстостенной трубной заготовки из стали 38ХН3МФА на трехвалковой обжимной машине c удерживаемой оправкой.

Распределение температуры в движущейся и деформируемой трубной заготовке при ее нагреве ТВЧ и спрейерном охлаждении определялось путем решения несвязанной тепловой задачи с использованием модуля ANSYS/FLOTRAN.

При моделировании был учтен конвективный теплообмена между воздухом и заготовкой, водо-воздушной средой, создаваемой спрейером, и заготовкой, а также теплообмен между деформирующими роликами и заготовкой, оправкой и заготовкой.

Индукционный нагрев моделировался объемными источниками тепла. Глубина объемных источников тепла соответствовала толщине скин-слоя. Необходимые для моделирования характеристики теплофизических свойств стали 38ХН3МФА были взяты из справочника [5] и заданы как функции температуры.

Распределения температуры по осевому сечению трубной заготовки в различные моменты времени показаны на рис. 2. Распределение температуры, показанное на рис. 2,д, близко к стационарному.

 

Распределение температуры по осевому сечению заготовк

Рис. 2. Распределение температуры по осевому сечению заготовки, градусов С:
а - t = 1.5 c; б - t = 3.0 c; в - t = 4.5 c; г - t = 6.0 c; д - t = 10.0 c

 

Расчет напряженно-деформированного состояния трубной заготовки проводился с использованием программы LS-DYNA. Используемые при расчете геометрическая модель процесса и конечно-элементные сетка показаны на рис. 3 и 4 (индуктор и спрейер на рисунках не показаны).

 

геометрическая модель

Рис. 3. Геометрическая модель процесса

 

Конечно-элементная модель процесса

Рис. 4. Конечно-элементная модель процесса

 

По результатам предварительно проведенных испытаний цилиндрических образцов на растяжение при различных температурах была выбрана модель пластичности с билинейным изотропным, зависящим от температуры, упрочнением (4-я модель материала в LS-DYNA), а также определены ее параметры. При расчете напряженно-деформированного состояния трубной заготовки считалось, что обжатие осуществляется при неравномерно распределенной по объему заготовки температуре. Задача решалась на кластере фирмы CAE-Services. Время решения составило 280 мин. Некоторые результаты решения представлены на рис. 5 и 6.

 

Распределение интенсивности напряжений в заготовке

Рис. 5. Распределение интенсивности напряжений в заготовке, Па

 

Распределение интенсивности напряжений в поперечном и продольном сечениях заготовки

Рис. 6. Распределение интенсивности напряжений в поперечном и продольном сечениях заготовки, Па

 

При оценке накопленной в процессе обжатия поврежденности материала была использована феноменологическая модель [6]. Расчет накопленной поврежденности проводился в программе ANSYS. По результатам предварительно проведенных испытаний гладких и надрезанных образцов на растяжение и кручение были определены параметры феноменологической модели накопления поврежденности. В результате расчета были определены зависимости показателя напряженного состояния , накопленной степени деформации сдвига и накопленной поврежденности в характерных точках заготовки от времени. При определении данных зависимостей и построении соответствующих графиков был использован макрос, написанный на языке параметрического программирования программы ANSYS APDL. Результаты расчета кинетики накопления поврежденности в элементе, расположенном на наружной поверхности заготовки, представлены на рис. 7.

 

График зависимости накопления поврежденности в материале заготовки от времени

Рис. 7. График зависимости накопления поврежденности
в материале заготовки от времени

Разработанная математическая процесса ВТМО ВО была использована при проведении вычислительного эксперимента, целью которого являлся поиск значений технологических параметров, обеспечивающих максимальные значения характеристик конструктивной прочности трубной заготовки.

 

Список литературы

1. Шаврин О.И. Технология и оборудование термомеханической обработки деталей машин. -М.: Машиностроение, 1983.

2. Четкарев В.А., Дементьев В.Б., Шаврин О.И. Анализ и оптимизация технологий упрочнения металлопродукции методом

ВТМО. Ижевск, ИПМ УрО АН РФ, 1996

3. Hallquist J. LS-DYNA Theoretical Manual, May 1998.

4. Kohnke P. ANSYS. Theory Reference. - Southpointe, ANSYS, inc. 1998.

5. Марочник сталей и сплавов./ Под ред. В.Г. Сорокина. -М.: Машиностроение, 1989.

6. Колмогоров В.Л., Мигачев Б.А., Бурдуковский В.Г. Феноменологическая модель накопления повреждений и разрушения при различных условиях нагружения. -Екатеринбург: УрО РАН, Институт Машиноведения, 1994.


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

© ProCae.ru 2007-2010 При полной или частичной перепечатке редакционных и авторских материалов гиперссылка на «ProCae.ru» обязательна