Аннотация

Аннотация

Рассматривается трехмерное численное моделирование напряженного и деформированного состояний заготовки из стали марки 30 ХГСА в процессе осадки и при разгрузке. Расчет осуществлен на базе конечно-элементного программного комплекса SIMULIA/Abaqus.

Полный текст

Обработкой давлением получают как слитки, так и уже готовые изделия и детали путем изменения формы и размеров заготовки за счет способности материала при определенных условиях пластически деформироваться. К числу технологических процессов обработки давлением относится операция осадки. Она может применяться в качестве основной для получения заданной формы изделия или предварительной операции для проработки структуры поковок. В некоторых случаях необходимо знание деформированного (по нему можно судить о степени проработанности структуры металла) и напряженного состояний заготовки. В данной работе проводится трехмерное численное моделирование напряженно-деформированного состояния слитка массой 9300 кг из высококачественной легированной стали марки 30 ХГСА в процессе осадки и при разгрузке. Эскиз слитка изображен на рис. 1. Рис. 1. Чертеж заготовки с нанесенными геометрическими размерами Технологический процесс осадки стального слитка состоит из следующих основных этапов. Сначала заготовка помещается в печь и нагревается до температуры При этой же температуре в течение нескольких часов заготовка прогревается в печи до однородного состояния. Далее заготовка устанавливается вертикально и с помощью штампа осаживается с высоты (длины) 1740 мм до высоты 1230 мм, что соответствует деформации При этом на поверхности контакта стальной заготовки с деформирующим инструментом (штампом) действуют силы трения, за счет которых возникает неравномерная (бочкообразная) деформация, порождающая в материале неоднородное напряженно-деформированное состояние [1, 2]. Исследование напряженно-деформированного состояния стальной заготовки при осадке проводилось с помощью конечно-элементного программного комплекса SIMULIA/Abaqus. В вычислительном эксперименте напряженно-деформированное состояние осаживаемой заготовки определялось с учетом геометрической (большие перемещения и деформации) и физической (нелинейное поведение материала) нелинейности. Для численного моделирования в SIMULIA/Abaqus были заданы следующие условия. Температура нагрева стального слитка принималась равной [3, 4]. Деформирование слитка происходило в изотермических условиях. Механические характеристики заготовки соответствовали значениям для стали марки 30 ХГСА: модуль Юнга ГПа, условный предел текучести МПа, предел прочности МПа, предел пропорциональности = 608 МПа, остаточное удлинение после разрыва По этим механическим характеристикам стали с помощью нелинейного уравнения Ромберга-Осгуда [5, 6] , построена кривая деформирования, которая представлена на рис. 2. Геометрия исследуемой области представлена на рис. 3, а. Для построения равномерной конечно-элементной сетки использованы тетраэдральные элементы. Аппроксимация компонент вектора перемещений осуществлялась с помощью линейной функции формы. Вид конечно-элементной (дискретной) модели рассматриваемого тела приведен на рис. 3, б. Количество элементов в дискретной модели при расчетах принималось равным 275 125. а б Рис. 3. Геометрия расчетной области (а) и конечно-элементная модель (б), построенные с помощью SIMULIA/Abaqus Нелинейная задача осадки заготовки решалась в перемещениях. Полагалось, что нижний торец заготовки жестко скреплен с недеформируемым основанием, а верхний торец осаживается на заданную величину 510 мм. В зонах контакта на верхней поверхности учтено условие прилипания для компонент вектора перемещений вдоль осей и Формоизменение стального слитка после осадки представлено на рис. 4. Из рис. 4 видно, что при деформации стальной заготовки на величину имеет место одинарное бочкообразование с выпуклой формой боковой поверхности. На рис. 5 и 6 приведены результаты моделирования операции осадки в сечении слитка вертикальной плоскостью, проходящей через центральную его ось, и прилегающей к нему поверхности. а б Рис. 5. Поле перемещений вдоль оси z (а) и распределение интенсивности напряжений (б) в сечении слитка и прилегающей к нему поверхности после осадки а б Рис. 6. Поля максимальных главных деформаций (а) и максимальных главных пластических деформаций (б) в сечении стального слитка и прилегающей к нему поверхности после операции осадки Результаты вычислительного эксперимента после разгрузки (снятия ограничений, налагаемых при осадке) приведены на рис. 7, 8. а б Рис. 7. Поле перемещений вдоль оси z (а) и распределение интенсивности напряжений (б) в сечении слитка и прилегающей к нему поверхности после разгрузки а б Рис. 8. Поля максимальных главных деформаций (а) и максимальных главных пластических деформаций (б) в сечении слитка и прилегающей к нему поверхности после разгрузки На рис. 5-8 красному цвету соответствует максимальное значение вычисленных величин, а синему - минимальное. Из рис. 6, б и 8, б видно, что величина максимальной упругой деформации составляет десятые доли процентов по сравнению с максимальными пластическими деформациями. С помощью серии численных экспериментов исследована сходимость и точность полученных результатов при различном разбиении расчетной области. На рис. 9 приведена зависимость изменения величины максимальной главной пластической деформации от числа элементов. Рис. 9. Зависимость величины максимальной главной пластической деформации в центральной точке на оси от количества элементов Установлено, что погрешность в вычислении максимальной главной пластической деформации, рассчитанной в центральной точке на оси области для 275 125 и 850 935 элементов, составляет около 0,01 %. Поэтому, с целью снижения времени компьютерного счета, результаты решения рассмотренных задач (см. рис. 5-8) приведены для 275 125 элементов. Кроме того, значение максимальной главной пластической деформации, вычисленной в центральной точке на оси расчетной области, становится неизменной и достигает значения 0,2826 (рис. 9).