ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМОСИЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

​USING FINITE ELEMENT METHOD TO MODEL THE PROCCESS OF THERMO-MECHANICAL MACHINING

Denis Sizykh

student, department "Equipment and technologies of machine-building production», Togliatti State University,

Russia, Tolyatti

Dmitry Voronov

scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Equipment and Technologies of Machine-Building Production, Togliatti State University,

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается влияние температурных деформаций и напряжений при одновременном осевом нагружении. Задача решается с помощью использования метода конечных элементов с использованием ANSYS. Получена методика, при которой можно смоделировать поведение остаточных при термосиловой обработке.

ABSTRACT

The article considers the influence of temperature deformations and stresses under simultaneous axial loading. The problem is solved by using the finite element method using ANSYS. A technique has been obtained in which it is possible to simulate the behavior of residues during thermal power treatment.

Ключевые слова: маложесткий вал, термосиловая обработка, метод конечных элементов, CAE расчет.

Keywords: low-rigidity shaft, thermo-mechanical machining, finite element method, CAE calculation.

Термосиловая обработка - процесс термического и механического воздействия на деталь, который предназначен для минимизации технологической наследственности, передаваемой от операции, необходимо создать равномерное напряженное состояние по всей длине заготовки и снизить уровень остаточных напряжений, результатом чего станет релаксация напряжений и минимизация коробления готовых деталей при их эксплуатации.

Трудность данного процесса заключается в том, что физико-механические свойства материала, из которого изготавливаются детали, настолько разнообразны, а их поведение зависит от внешних условий, что найти единый закон управления просто невозможно.

Цель данной работы заключается в том, чтобы предоставить оптимизированный метод определения напряженно-деформированного состояния при термосиловой обработке. Метод включает в себя использование программного комплекса ANSYS, который предназначен для моделирования процессов.

Схема процесса термосиловой обработки показана на рис. 1. Деталь 1 устанавливается в стапеле 2 и фиксируется зажимами 3 по сферическим шайбам 4. Суть ТСО заключается в том, что осевое усилие возникает за счет термической пластической деформации, в результате которой стапель удлиняется больше изделия пропорционально разности коэффициентов линейного расширения, а при остывании его скорость охлаждения в 1,5…2,3 раза меньше скорости охлаждения вала.

Рисунок 1. Схема установки для ТСО.

Всё это позволяет стабилизировать осевую нагрузку и плавно провести разгрузку. Следовательно, основным параметром ТСО является осевая нагрузка, которая происходит за счет удлинения стапеля, которая находится по формуле (1):

,                                        (1)

где E- модуль нормальной упругости, Па;

F- площадь поперечного сечения, м²;

L_тр- длинна трубы, мм;

L_в- длинна вала, мм;

α_тр- коэффициент линейного расширения трубы, 10^-6 1/°C

α_в- коэффициент линейного расширения вала, 10^-6 1/°C

∆T- разница между конечной и начальной температурой ТСО, °С

Но у этой силы P есть два ограничения:

- напряжения, создаваемые осевой нагрузкой, должны превышать предел текучести при заданной температуре, чтобы был положительный эффект от обработки

- также напряжения, создаваемые силой P, не должны превышать предел прочности.

Для данного вида обработки, чтобы достичь эффективности необходимо регулировать температуру обработки. Данная и другие зависимости будут показаны в работе.

Для моделирования ТСО в ANSYS были построены электронные модели в виде трех цилиндров: торсионного, гладкого, ступенчатого. Остаточное удлинение не должно превышать 2% от длины вала. Другие ограничения были определены выше. Анализ разбивается на десять шагов, чтобы можно было примерно отследить поведение напряжений во время термосиловой обработки.

Дерево проекта показано ниже на рис. 3. В основе его структуры лежит сдвоенный анализ, с помощью которого можно учесть термические напряжения и деформации, а также отразить как они изменяются со временем при приложении осевой нагрузки. Для того, чтобы показать наглядность изменения деформаций и напряжений будем проводить моделирование для трех валов с длинной 300 мм., 500 мм., 700 мм.

Рисунок 3. Дерево проекта

Свойства материала, заданные в ANSYS. Важным параметром для термической обработки является коэффициент термического расширения.

Рисунок 4. Заданные свойства для материала 12х18н10т

Далее в таб. 1 и таб. 2 приведены экспериментальные данные для моделирования процесса экспериментальные данные. Также в данных таблицах приведены результаты моделирования. Также на рисунке 5 показано распределение напряжений в плоскости вала на разных шагах. Также для процесса используются, чтобы наглядно было видно, как меняются напряжение при изменении температуры и соответственно усилия.

Таблица 1.

Зависимость остаточных деформаций и напряжений от температуры на пятом шагу.

Таблица 2.

Зависимость остаточных напряжений и деформаций от длины вала на пятом шагу

Рисунок 5. Картина напряжений при длине вала 500 мм. и температуре 500 ˚C. а- 1-й шаг, б- 5-й шаг, в- 7-й шаг

Видно, что установленная методика проведения испытаний ТСО в программе ANSYS, которая показывает примерный характер напряжений при термосиловой обработке на разных этапах этой обработки. В основу методики лег сдвоенный анализ, который может учитывать изменение термических деформаций и напряжений, при этом соблюдая режим осевой нагрузки. Она подтверждает зависимость от температуры вала и от длинны вала, которые приведены в формуле. Также установлена благоприятная схема остаточных напряжений, при которой они монотонно уменьшаются от поверхности цилиндра к его центру.

Список литературы:

1. Пути снижения коробления маложестких валов, путем применения термосиловой обработки. Журнал «Машиностроитель» № 6, 2001 год Воронов Д.Ю., Драчев О.И.
2. Басов К.А. Ansys в примерах и задачах / под общ. ред. Д.Г. Красковского. М: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.