Расчет поврежденности металла при радиальном обжатии толстостенной трубы

Материал с сайта: http://www.cae-services.ru/

В работе представлены результаты расчета напряженно-деформированного состояния, а также поврежденности металла при радиальном обжатии толстостенной трубы. При проведении расчетов использованы процедуры для расчета накопленной поврежденности и построения образа упругопластического процесса, реализованные в виде пользовательского макроса в программе ANSYS.

Формулировка задачи. Рассматривается процесс радиального обжатия толстостенной трубы на четырехбойко-вой радиально-обжимной машине. Процесс обжатия осуществляется на неподвижной оправке, при постоянной тем-пературе. Материал трубы - сталь 40. В силу симметрии заготовки, ковочного блока и оправки рассматривается 1/8 их часть. Схема поковки показана на рис. 1. Требуется произвести расчет НДС заготовки и накопленной поврежден-ности при одном ходе радиусного бойка и заданном перемещении заготовки в зону обжима. Для расчета накоплен-ной поврежденности выбрана феноменологическая модель накопления поврежденности, разработанная В. Л. Колмогоровым и сотрудниками.

Исходные данные для моделирования. Гео-метрическая модель процесса полностью пара-метризована, т.е. определена следующими па-раметрами: d1 - начальный внутренний диа-метр заготовки; d2 - начальный наружный диа-метр заготовки; d3 - диаметр оправки; d4 - ко-нечный наружный диаметр заготовки; l1 - дли-на цилиндрической части бойка; l2 - длина конической части бойка; l3, l4 - характерные длины оправки; l5, l6 - характерные длины заготовки; Del - параметр (см. рис. 1); del1 - перемещение бойка за один ход; del2 - перемещение заготовки в зону обжима за один ход бойка; R - радиус цилиндрической части бойка.

Рис. 2. Конечно-элементная модель обжатия

Испытания материала, выбор модели и идентификация ее параметров. Моделированию предшествовали ис-пытания механических свойств материала. По результатам данных исследований:

- была выбрана модель материала - модель пластичности с билинейным изотропным упрочнением, а также определены ее параметры МПа, МПа;

- получены параметры в выражении для определения пластичности;

- определен коэффициент кинетического уравнения обобщенной модели накопления повреждений ;

- определены значения параметров.

Значения коэффициентов трения между заготовкой и оправкой, заготовкой и бойками были приняты равными.

Рис. 3. Распределение приведенных напряжений по Мизесу

Характеристика конечно-элементной модели. Конечно-элементная модель показана на рис. 2. При ее создании использованы следующие типы элемен-тов:

- для создания заготовки - SOLID92;

- для создания контактной пары «заготовка-боек» - TARGET170 и CONTA174;

- для создания контактной пары «заготовка-оправка» - TARGET170 и CONTA174.

Для создания модели потребовалось 11092 эле-мента и 23541 узел.

При моделировании использован полный метод Ньютона-Рафсона с опцией автоматического выбора шага. Для решения соответствующей системы урав-нений использован метод сопряженных градиентов. При проведении расчетов использовался ANSYS вер-сии 5.5.1, установленный на двухпроцессорном ком-пьютере Pentium III, с тактовой частотой 500 МГц, оперативной памятью 512 М. Операционная система Windows NT 4.0 (Sp5). Время решения - 12 минут

Результаты расчета. Постпроцессорная обработка дан-ных включала:

1. Построение распределения приведенных напряжений по Мизесу в заготовке в момент, соответствующий максимальному сближению бойков (см. рис. 3);

2. Построение распределения значений показателя k1, накопленной степени деформации сдвига, предельной пластичности и накопленной поврежденности в заготовке в тот же момент времени (TIME=1). При построении данных графиков использован макрос, написанный на языке APDL. Соответствующие распределения представлены на рис. 4 и 5;

3. Построение графика зависимости параметра кривизны от длины траектории. При построении данных графиков применялся пользовательский макрос. Соответствующий график представлен на рис. 6.
Заключение. Разработана ANSYS-модель процесса ради-ального обжатия толстостенной трубы, произведен расчет напряженно-деформированного состояния, а также накоп-ленной поврежденности металла. При проведении расчетов применялись пользовательские процедуры для расчета на-копленной поврежденности и построения образа упругопла-стического процесса, реализованные в виде макросов.

Рис. 6. График зависимости параметра кривизны от длины траектории