CC BY
48
УДК 621.774
A. В. Козлов, канд. техн. наук, доц., зав. каф., (3513) 63-43-78, ко2Іоу@2Ь-бши.ги, (Россия, Златоуст, филиал ЮУрГУ),
B. Г. Шеркунов, д-р теж. наук, проф., зав. каф., (351) 267-92-24, [email protected]. (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИБКИ ТРУБ С РАСКАТЫВАНИЕМ
Рассмотрены результаты компьютерного моделирования процесса холодной гибки труб с раскатыванием. Получены графические изображения полей напряжений я деформаций и их количественные оценки. Приведены результаты экспериментальных исследований распределения напряжений.
Ключевые слова: гибка труб, распределение напряжений, компьютерное моделирование, раскатывание.
При гибке труб, раработанным в ЮУрГУ методом с дополнительным воздействием на изгибаемую трубу вращающимся раскатником (рис. 1) [1,2], возникает достаточно сложна картина распределени напряжений и деформаций в различных участках изгибаемой трубы.
Рис. 1. Схема гибки труб с раскатыванием
В связи с этим представляется достаточно важным осуществить компьютерное моделирование процесса гибки, выполнить анализ напряженно-деформированного состояния и оценить напряжения и деформации, имеющие место в стенках изгибаемой трубы как в очаге деформации, так и за его пределами. Моделирование выполнено с использованием лицензионного комплекта МБС.Ма^ для условий, экспериментально реализованных на опытно-промышленной установке для гибки труб с раскатыванием. Это в итоге позволило выполнить сравнение полученных теоретических и опытных данных.
Моделирование осуществлено для следующих исходных данных:
диаметр трубы, мм.......................................60;
толщина, стенки трубы1, мм.............................3,5;
материал трубьы...................................сталь 10;
радиус гибл, мм........................................100;
угол гиба, град.......................................0-45;
диаметр раскатных шариков, мм...........................16;
количество раскатных шариков............................3;
натяг (обжатие), мм.....................................1;
скорость вращения раскатника, об/мин...................500;
скорость подачи, мм/об.................................0,1.
Результаты моделирования позволили получить графические изображения полей напряжений и деформаций и их количественные оценки. Анализ позволяет сделать ряд выводов и заключений.
В деформируемой трубе возникает достаточно сложное и неоднородное по сечению напряженно-деформированное состояние. В верхней части заготовки преобладают растягивающие тангенциальные и продольные напряжения, а в нижней — сжимающие.
Радиальные напряжения (рис. 2) носят циклический характер и зависят от положения деформирующих элементов. Поскольку в качестве последних используются шаржи, то и площадь контакта заготовки и инструмента локализируется в небольшое пятно, постоянно перемещающееся по внутренней поверхности трубы со скоростью, определяемой частотой вращения раскатника. При этом в месте контакта возникают сжимающие радиальные напряжения, а в стенках трубы, где контакта нет, появляются растягивающие напряжения. Таким образом, в радиальном направлении металл подвергается чередующимся сжимающим и растягивающим напряжениям.
ino: чоьи Time; 5.Q78e*QQQ Angle: О.ОООе+ООО
СоГЛр 11 of S Bees ICvlindrical ITN Лгда21
Рис. 2. Радиальные напряжения (продольное сечение)
Также можно предположить, что в этом случае при описании реологического поведения деформируемой среды1 следует учитывать эффект Баушингера. Характерной особенностью процесса является наличие протяженной зоны1 внеконтактной деформации. Этот факт объясняется тем, что помимо локального воздействия на стенки трубы1 со стороны1 деформирующих элементов, происходит и продольный изгиб трубы1 на гибочный ролик, приводящий к тому, что толщина наружной (относительно гибочного ролика) стенки трубы1 существенно уменьшается, а у прилегающей к ролику стенки толщи а увеличивается. При этом, если судить по общей интенсивности деформации, наружные слои трубы1 испытывают существенно (в несколько раз) превосходящую деформацию по сравнению со слоями, прилегающими к гибочному ролику.
Был выполнен более подробный анализ результатов компьютерного моделирования радиальных напряжений.
Определим пощади участков изгибаемой трубы1, оказывающих незначительное сопротивление изгибу. По графику распределения (рис. 3) радиальных напряжений общая площадь сечения трубы! составляет около
2200-2300 мм .
Я17
Л13
19М
ти
■&ШШ
<7(7
<»85
7110»
та
Рис. 3. Распределение радиальных напряжений (поперечное сечение — различные положения раскатного инструмента)
Выделим отдельно участки, находящиеся в напряженном состоянии, близком к пределу текучести (рис. 4), т. е. не оказывающие сопротивление изгибу. По расчетам они составляют 810-850 мм2, а это около 3540 % от общей площади сечения. Примерно 20 % пощади сечения также находится в частично напряженном состоянии — до 50 от предела текучести. Таким образом, расчетное сопротивление изгибу не превышает половины: пощади поперечного сечения трубыг
Представляется интересным сравнить результаты: моделирования с данными натурного эксперимента.
Экспериментальная проверка характера распределения напряжений выполнена с использованием поляризационно-оптического метода. В качестве материала для изготовления кольцевых образцов была взята оптически активная эпоксидная смола ЭД-6, отверженная фталевым отвердите-
лем и пластифицированная дибутилфталатом (температура размягчения от 3 до 5 °С).
не оказывающего сопротивления изгибу
В олытж был использован специальный проекционный аппарат (рис. 5), состоящий из источника света 1, поляризатора 2, раскатника с исследуемым образцом 3, анализатора 4 и рукоятки для настройки 5.
5 4 3 2 1
Рис. 5. Универсальный проекционный аппарат, применяемый для исследований поляризационно-оптическим методом
Было произведено последовательное нагружение раличными силами, имитирующими радиаьные усилия раскатника, действующего на внутреннюю стенку обраца.
Все изображения были сфотографированы. Результаты представлены на рис. 6.
Исследуемый образец без нагрузки, помещенный в поляризатор и просвеченный поляризованным светом, был прозрачным и имел равномерный светло-желтый цвет.
і і
Рис. 6. Нагружение кольцевого образца различными по величине силами
Раскатник помещался в обраец без соприкосновения с деформирующими элементами. Затем перемещением деформирующих элементов осуществлялось нагружение обраца раличными силами. По мере увеличения деформаций и напряжений происходит изменение цвета обраца на экране полярископа. Из рис. 6 видно, каким образом распределяются поля напряжений при увеличении нагрузки.
Ашлизируя фотограф и обрацов, можно сделать вывод об очевидно сходном характер распределения напряжений по сечению обрацов с данными, полученными в ходе компьютерного моделировани.
Выделяя участки с наибольшими напряжениями и рассчитывая их площадь, можно определить, какую часть поперечного сечения он составляют (рис. 7).
Рис. 7. Определение площадей нагруженных участков поперечного сечения кольцевого образца
л
Обща площадь сечения трубы - 4500 мм . Площади участков, не окаывающих сопротивление, обозначены: на рисунке темным цветом и составляют от 900 у первого обраца до 1100 мм у второго, т. е. 19-25 % от общей пощади.
Площади участков, окаывающих частичное сопротивление, обо-значенньк на рисунке штриховкой (будем приближенно считать, что 1/2 этой площади также не окаывает сопротивления), составляют от 1100 у
первого обраца до 1600 мм у второго, т. е. 25-36 % от общей площади поперечного сечения обраца.
Итого, обща площадь участков, не окаывающих сопротивление, -от 1500 до 1900 мм , что составляет 33-43 % .
При этом следует отметить, что с ростом радиальных сил площадь образцов, окаываюшая сопротивление, уменьшается, а характер расположения и форма этих участков сходны с полученными в ходе компьютерного расчета.
Результаты компьютерного моделирования вполне соответствуют приеденным нами ранее в раде работ [2, 3] выводам о том, что при воздействии на изгибаемую трубу вращающимся раскатником лишь часть поперечного сечения трубы окаывает сопротивление изгибу. В частности же отмечалось, что по самым минимаьным оценкам, она составляет не более половины всей площади поперечного сечения.
В заключение необходимо отметить, что полное исследование на-пряженно-дсформированного состояния, возникающего в очаге деформации предлагаемого процесса гибки трубы, сопряжено с определенными техническими трудностями, связанными с большими затратами машинного времени ЭВМ. Так, на реаизацию настоящей задачи было потрачено более 200 часов машинного времени ЭВМ. По нашему мнению, для решения тех задач, которые поставлены в настоящей работе, необходимо использовать раработанную и описанную в [2, 3] инженерную математическую модель, котора с минимальными затратами, но с приемлемой для практического использования точностью позволила бы определить основные технологические параметра процесса гибки.
Библиографический список
1. Пат. 818707 РФ. Способ гибки труб: МКИ В 21 D 9/14. № 2713945/25; опубл. 07.04.81, Бюл. № 13.
2. Козлов, А. В., Хилькевич Я. М. Оценка натягов и усилий при гибке труб с раскатыванием // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2004. № 5 (34).
3. Козлов, А В., Шеркунов В. Г., Хилькевич Я. М. Опыт гибки тонкостенных труб в холодном состоянии // Технология машиностроения. 2008. № 10.
A.V. Kozlov, V.G. Sherkunov.
Simulating the process of tube bending under expanding.
The paper introduces the results of simulating the process of cold tube bending by expanding. The stress field curves and deformation graphs have been constructed and analyzed. Stress distribution has been investigated experimentally.
Получено 05.08.09
