Моделирование процесса деформирования неоднородных листовых материалов в CAE
|
Введение 3
1 Анализ и обзор литературы по штампосварным изделиям в
машиностроении 7
1.1 Конструкции штампосварных изделий в машиностроении 7
1.2 Технология штамповки сварных листовых заготовок 14
1.3 Описание методов расчета и проектирования процессов штамповки
сварных заготовок 16
2 Экспериментальное исследование механических испытаний сварных
заготовок 23
2.1 Разработка методики исследования 23
2.2 Исследование деформации штампосварных заготовок 26
2.3 Построение кривых упрочнения однородной и сварной заготовок .... 29
2.4 Сравнительные исследования испытаний механических свойств
однородных и сварных образцов 38
3. Моделирование процессов механических испытаний однородных и сварных образцов в CAE 51
3.1 Описание электронных моделей однородного и сварного образцов .. 51
3.2 Построение сетки конечных элементов для, однородного и сварного,
образцов 52
3.3 Исследования кинематики и деформации однородного и сварного
образцов 64
3.4 Исследование напряженного состояния при моделировании
однородного и сварного образцов 80
4 Разработка процессов штамповки сварных заготовок в Autoform 85
4.1 Определение размеров заготовки 86
4.2 Назначение параметров технологического процесса 87
4.3 Анализ штампуемости сварных изделий 89
Заключение 93
Список используемой литературы и источников 94
1 Анализ и обзор литературы по штампосварным изделиям в
машиностроении 7
1.1 Конструкции штампосварных изделий в машиностроении 7
1.2 Технология штамповки сварных листовых заготовок 14
1.3 Описание методов расчета и проектирования процессов штамповки
сварных заготовок 16
2 Экспериментальное исследование механических испытаний сварных
заготовок 23
2.1 Разработка методики исследования 23
2.2 Исследование деформации штампосварных заготовок 26
2.3 Построение кривых упрочнения однородной и сварной заготовок .... 29
2.4 Сравнительные исследования испытаний механических свойств
однородных и сварных образцов 38
3. Моделирование процессов механических испытаний однородных и сварных образцов в CAE 51
3.1 Описание электронных моделей однородного и сварного образцов .. 51
3.2 Построение сетки конечных элементов для, однородного и сварного,
образцов 52
3.3 Исследования кинематики и деформации однородного и сварного
образцов 64
3.4 Исследование напряженного состояния при моделировании
однородного и сварного образцов 80
4 Разработка процессов штамповки сварных заготовок в Autoform 85
4.1 Определение размеров заготовки 86
4.2 Назначение параметров технологического процесса 87
4.3 Анализ штампуемости сварных изделий 89
Заключение 93
Список используемой литературы и источников 94
Автомобильная промышленность имеет глобальный и конкурентный рынок, который заставляет производителей постоянно улучшать конструкцию автомобилей и технологию их производства. Покупатели требуют мощные, качественные и безопасные автомобили за минимальную цену, что может приводить к противоречиям с ожесточающимися экологическими требованиями к транспортным средствам и сохранению окружающей среды. Для разрешения возникающих проблем дизайнеры, технологи разрабатывают новые конструкции автомобилей более совершенные технологии их изготовления, которые позволяют сократить производственные затраты, улучшить качество и уменьшить вес автомобиля.
Одним из таких методов разрешения возникающих противоречий является применение сварных листовых заготовок (СЛЗ) в штампованных деталях автомобиля. Один из самых распространённых способов сварки при изготовлении СЛЗ это лазерная сварка, когда сваркой соединяются две и более заготовок, которые могут иметь различные толщину, форму и материал.
Применение СЛЗ позволяет создавать более совершенные кузова автомобиля, обеспечивая требуемую жесткость и прочность при снижении веса транспортного средства. Использование таких автомобилей ведет к повышению эффективности расхода топлива и улучшению экологии. Изготовление деталей автомобиля из СЛЗ создает более простые конструкции кузовов, с меньшим количеством деталей, что упрощает производственный цикл. Изготовления изделий из СЛЗ приводит к сокращению количества операций и повышает коэффициент использования производственных площадей.
Актуальность работы. Разработка новых технологических процессов из СЛЗ и методик совершенствования технологических и функциональных свойств сварных швов листовых заготовок в САПР является актуальной проблемой современного автомобилестроения.
Целью работы является повышение качества деталей кузова легкового автомобиля из сварных листовых заготовок за счет разработки методики моделирования и оценки деформации неоднородных сварных заготовок в системах инженерного анализа САПР.
Задачи работы, поставленные в диссертации:
1. Анализ научной и технической литературы;
2. Проведение экспериментальных исследований механических свойств СЛЗ;
3. Моделирование процессов деформирования неоднородных материалов (СЛЗ) в CAE;
4. Анализ результатов экспериментальных данных и результатов моделирования;
5. Моделирования процесса деформирования СЛЗ в CAE.
Научная новизна заключается в разработке методики анализа неоднородности материалов сварных листовых заготовок (СЛЗ) в системах инженерного анализа для возможности прогнозирования поведения изделий включающих сварные соединения и повышения эффективности функциональных показателей автомобиля и технологических процессов его изготовления.
Объектом исследования является процесс изготовления изделий автомобилестроения из сварных листовых заготовок, имеющих локальную неоднородность в виде сварного шва и околошовной зоны.
Предмет исследования- неоднородность механических свойств образцов для испытания на растяжение из двух одинаковых, симметричных, стальных частей, соединенных посередине сварным швом.
Методы проведения исследования: В магистерской диссертации использованы экспериментальные методы испытаний механических свойств образцов на растяжение на разрывной машине, с последующим построением кривой упрочнения и анализом полученных результатов. По полученным результатам строились электронные модели и задавались параметры проведения моделирования в САЕ. Выполнялся анализ на базе метода конечных элементов напряженно- деформированного состояния СЛЗ в программах инженерного анализа LS-DYNA, Autoform, Siemens NX.
Теоретическая значимость заключается в разработанных алгоритмах методики создания сетки конечных элементов и анализа механических свойств неоднородных сварных швов СЛЗ.
Практическая значимость состоит в повышении качества изделий из СЛЗ за счет использования на практике моделирования и оценки деформации неоднородных сварных заготовок в системах инженерного анализа САПР.
Апробация результатов: результаты диссертационной работы были предоставлены и рассматривались на заседаниях кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» Тольяттинского государственного университета.
Результаты докладывались на следующих конференциях:
- VI Международная научно-практическая конференция (школы-семинара) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук»;
- Всероссийская студенческая научно-практическая междисциплинарная конференция «Молодежь. Наука. Общество».
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии при проведении экспериментов на разрывной машине, обработке полученных результатов, проведения расчетов и построении кривых упрочнения, построении электронных моделей, анализа результатов моделирования и в разработке методики моделирования и оценки деформации неоднородных сварных заготовок в системах инженерного анализа САПР.
Магистерская диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем - 99 страниц. В данной работе содержатся 92 иллюстрации, 7 таблиц, 33 использованных источника.
Одним из таких методов разрешения возникающих противоречий является применение сварных листовых заготовок (СЛЗ) в штампованных деталях автомобиля. Один из самых распространённых способов сварки при изготовлении СЛЗ это лазерная сварка, когда сваркой соединяются две и более заготовок, которые могут иметь различные толщину, форму и материал.
Применение СЛЗ позволяет создавать более совершенные кузова автомобиля, обеспечивая требуемую жесткость и прочность при снижении веса транспортного средства. Использование таких автомобилей ведет к повышению эффективности расхода топлива и улучшению экологии. Изготовление деталей автомобиля из СЛЗ создает более простые конструкции кузовов, с меньшим количеством деталей, что упрощает производственный цикл. Изготовления изделий из СЛЗ приводит к сокращению количества операций и повышает коэффициент использования производственных площадей.
Актуальность работы. Разработка новых технологических процессов из СЛЗ и методик совершенствования технологических и функциональных свойств сварных швов листовых заготовок в САПР является актуальной проблемой современного автомобилестроения.
Целью работы является повышение качества деталей кузова легкового автомобиля из сварных листовых заготовок за счет разработки методики моделирования и оценки деформации неоднородных сварных заготовок в системах инженерного анализа САПР.
Задачи работы, поставленные в диссертации:
1. Анализ научной и технической литературы;
2. Проведение экспериментальных исследований механических свойств СЛЗ;
3. Моделирование процессов деформирования неоднородных материалов (СЛЗ) в CAE;
4. Анализ результатов экспериментальных данных и результатов моделирования;
5. Моделирования процесса деформирования СЛЗ в CAE.
Научная новизна заключается в разработке методики анализа неоднородности материалов сварных листовых заготовок (СЛЗ) в системах инженерного анализа для возможности прогнозирования поведения изделий включающих сварные соединения и повышения эффективности функциональных показателей автомобиля и технологических процессов его изготовления.
Объектом исследования является процесс изготовления изделий автомобилестроения из сварных листовых заготовок, имеющих локальную неоднородность в виде сварного шва и околошовной зоны.
Предмет исследования- неоднородность механических свойств образцов для испытания на растяжение из двух одинаковых, симметричных, стальных частей, соединенных посередине сварным швом.
Методы проведения исследования: В магистерской диссертации использованы экспериментальные методы испытаний механических свойств образцов на растяжение на разрывной машине, с последующим построением кривой упрочнения и анализом полученных результатов. По полученным результатам строились электронные модели и задавались параметры проведения моделирования в САЕ. Выполнялся анализ на базе метода конечных элементов напряженно- деформированного состояния СЛЗ в программах инженерного анализа LS-DYNA, Autoform, Siemens NX.
Теоретическая значимость заключается в разработанных алгоритмах методики создания сетки конечных элементов и анализа механических свойств неоднородных сварных швов СЛЗ.
Практическая значимость состоит в повышении качества изделий из СЛЗ за счет использования на практике моделирования и оценки деформации неоднородных сварных заготовок в системах инженерного анализа САПР.
Апробация результатов: результаты диссертационной работы были предоставлены и рассматривались на заседаниях кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» Тольяттинского государственного университета.
Результаты докладывались на следующих конференциях:
- VI Международная научно-практическая конференция (школы-семинара) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук»;
- Всероссийская студенческая научно-практическая междисциплинарная конференция «Молодежь. Наука. Общество».
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии при проведении экспериментов на разрывной машине, обработке полученных результатов, проведения расчетов и построении кривых упрочнения, построении электронных моделей, анализа результатов моделирования и в разработке методики моделирования и оценки деформации неоднородных сварных заготовок в системах инженерного анализа САПР.
Магистерская диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем - 99 страниц. В данной работе содержатся 92 иллюстрации, 7 таблиц, 33 использованных источника.
По результатам проделанной работы были отмечены следующие результаты:
1. Анализ и обзор литературы показал, что применение СЛЗ является перспективным направлением и имеет ряд функциональных преимуществ (снижение веса, надежность конструкции и др.) в сравнении с обычными заготовками. Но, существуют и проблемы связанные со способами изготовления (лазерная сварка) и штамповки таких заготовок, и требованиями к оснастке штампов (наличие переходных поверхностей, использование нескольких прижимов).
2. Было установлено, что кривая упрочнения для образцов, включающих сварку, располагается немного ниже кривой упрочнения образцов без сварки. Это объясняется малыми локальными деформациями и остаточными сварочными напряжениями, в результате быстрого нагрева и остывания, в области сварного шва.
3. В процессе моделирования был предложен один из методов задания неоднородности изделий включающих сварку, путем разбиения КЭ сетки не несколько частей, с сохранением связи в узлах. Так же было отмечено, что в процессе растяжения образца со сваркой деформация и напряжения в зоне шва минимальны.
4. Методом моделирования процесса штамповки было продемонстрировано, что заготовки из СЛЗ имеют хорошую штампуемость, но при этом присутствует движение линии сварки в процессе штамповки, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов и оснастки оборудования.
5. Разработаны методика экспериментальных исследований механических свойств на растяжение образцов со сварными швами и методика численного моделирования упругопластического деформирования неоднородных материалов со сварными швами в процессе одноосного растяжения, которые показывают незначительную разницу результатов, не превышающую 10 %.
1. Анализ и обзор литературы показал, что применение СЛЗ является перспективным направлением и имеет ряд функциональных преимуществ (снижение веса, надежность конструкции и др.) в сравнении с обычными заготовками. Но, существуют и проблемы связанные со способами изготовления (лазерная сварка) и штамповки таких заготовок, и требованиями к оснастке штампов (наличие переходных поверхностей, использование нескольких прижимов).
2. Было установлено, что кривая упрочнения для образцов, включающих сварку, располагается немного ниже кривой упрочнения образцов без сварки. Это объясняется малыми локальными деформациями и остаточными сварочными напряжениями, в результате быстрого нагрева и остывания, в области сварного шва.
3. В процессе моделирования был предложен один из методов задания неоднородности изделий включающих сварку, путем разбиения КЭ сетки не несколько частей, с сохранением связи в узлах. Так же было отмечено, что в процессе растяжения образца со сваркой деформация и напряжения в зоне шва минимальны.
4. Методом моделирования процесса штамповки было продемонстрировано, что заготовки из СЛЗ имеют хорошую штампуемость, но при этом присутствует движение линии сварки в процессе штамповки, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов и оснастки оборудования.
5. Разработаны методика экспериментальных исследований механических свойств на растяжение образцов со сварными швами и методика численного моделирования упругопластического деформирования неоднородных материалов со сварными швами в процессе одноосного растяжения, которые показывают незначительную разницу результатов, не превышающую 10 %.