Осесимметричная деформация пластически сжимаемых сред в условиях неоднородного напряженного состояния тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ОСЕСИММЕТРИЧНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКИ СЖИМАЕМЫХ СРЕД В УСЛОВИЯХ НЕОДНОРОДНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел-2004

Работа выполнена в Московской государственной академии приборостроения и информатики

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент,

Головешкин Василий Адамович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Ивченко Наталья Константиновна

доктор физико-математических наук, профессор, Шоркин Владимир Сергеевич

Ведущая организация: Институт прикладной механики РАН

Защита состоится « / 0 » 2004 г. в /у часов на заседании

диссертационного совета Д 212.182.03 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Орловского государственного технического университета

Автореферат разослан «_ ее» 01- 2004 г .

Ученый секретарь диссертационного совета

М.И.Борзенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многие проблемы современной техники требуют изделий, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, такими как прочность, возможность работать в агрессивных средах, износостойкость. Материалы, изготавливаемые методами порошковой металлургии, часто дают такую возможность. Особенностью подобных изделий являются их высокие прочностные свойства. Но, вместе с тем, с этим связана трудность их последующей обработки. Поэтому к изделиям, изготовленным методом порошковой металлургии, предъявляются высокие требования по соответствию геометрическим размерам.

Традиционным процессом изготовления порошковых изделий является процесс горячего изостатического прессования (ГИП) порошковых материалов - процесс высокотемпературного уплотнения (температуры порядка 1000 градусов по Цельсию) порошковых материалов под действием высокого внешнего давления (порядка 1000 атмосфер).

Задача математического моделирования процесса ГИП состоит в том, чтобы спроектировать капсулу таким образом, чтобы конечная форма порошкового монолита имела проектную геометрию.

Но, поскольку данная задача является физически и геометрически нелинейной, то подобная точность трудно достижима в силу: во-первых, чисто математических трудностей; во-вторых, и это главное, трудностей построения соотношений, точно описывающих данный процесс.

Реально процесс налаживания производства порошковых изделий представляет собой следующие этапы. На первом этапе разрабатывается математическая модель. На основании этой модели проводится расчет и изготавливается изделие. Параметры полученного изделия сравниваются с требуемыми и на основании этого вносятся коррективы в параметры модели и процесс повторяется снова. Обычно для запуска в производство необходимы две-три экспериментальные итерации. Реальной задачей, стоящей перед математическим моделированием процесса ГИП в настоящее время, является задача стабильного получения нужного результата на второй экспериментальной итерации. Для этого, как показывает опыт, первая итерация должна давать погрешность, не превышающую 10%. Поэтому к математической модели процесса ГИП предъявляются следующие требования: 1. Она должна давать удовлетворительное первое приближение; 2. Правильно учитывать зависимость конечной формы от параметров задачи; 3. Позволять вносить необходимые изменения.

Из опыта исследования процесса ГИП известно, что многие трудноустранимые дефекты закладываются на начальной стадии процесса. Известны также трудности моделирования изделий, содержащих закладные элементы с большой радиальной жесткостью. Это связано с развитием неоднородности напряженного состояния, вызванного наличием закладных элементов с большой радиальной жесткостью. Математическое моделирование этого приобретает особую актуальность. Ввиду слабой изученности процесса особую роль должно играть аналитическое решение проблемы в целом или ее отдельных элементов, так как только оно позволяет исчерпывающе ответить на вопрос о роли тех или иных особенностей, способных влиять на

реальный процесс.

Цель работы — исследование особенностей деформированного состояния порошкового материала в условиях неоднородного напряженного состояния, которые проявляются вблизи закладных элементов с большой радиальной жесткостью. Это необходимо для прогнозирования возникающих в процессе ГИП поверхностных не-однородностей.

Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:

- аналитическое решение задачи о начальном этапе прессования трубы;

- исследование полученного решения для выявления зависимости различных режимов деформирования от геометрических параметров;

- исследование условий появления разрывного решения и получение аналитической зависимости, характеризующей напряженно-деформированное состояние вблизи неподвижной границы при осесимметричном процессе;

- проведение качественного анализа возможных причин искажений формы в задачах о прессовании цилиндра и тороидальной оболочки.

На защиту выносятся:

- решение технической задачи о начальном этапе прессования труб и результаты его исследования;

- результаты исследования характера напряженно-деформированного состояния вблизи закладных элементов с большой радиальной жесткостью, что важно для прогноза поверхностных неоднородностей и их влияния на конечную конфигурацию;

- качественное решение задачи об устойчивости процесса прессования цилиндрического образца и тороидальной оболочки.

Достоверность полученных результатов следует из аналитического характера решения задачи в рамках модели Грина, которая традиционно используется для описания процесса ГИП, а также подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических исследований с экспериментами данными, известными из литературы. Достоверность результатов о возможной причине искажения круглой формы сечения подтверждается также актом внедрения.

Научная новизна работы:

- получено аналитическое решение задачи о начальном этапе прессования трубы, проведено его исследование, и выявлены различные режимы напряженно-деформированного состояния;

- исследовано напряженно-деформированное состояние в осесимметричной задаче вблизи закладного элемента с большой радиальной жесткостью.

- дано качественное объяснение возможных причин искажения круглой формы сечения при прессовании цилиндрического образца и тороидальной оболочки.

Практическая ценность работы состоит:

- в решении актуальной технической задачи выявления особенностей напряженно-деформированного состояния вблизи элементов с большой радиальной жесткостью, что необходимо для экспресс анализа при разработке новых деталей и для прогнозирования возникающих поверхностных неоднородностей и их влияния на конечную конфигурацию (подтверждено актом внедрения);

- качественного объяснения причин искажения круглого контура в задаче прессования тороидальной оболочки, что позволило оптимизировать конструкцию тех-

нологического инструмента для некоторых деталей авиационной техники (это также подтверждается актом внедрения).

Реализация работы. Работа внедрена в «Лаборатории Новых Технологий» (ЛНТ, Москва) в работах при разработке новых деталей для прогнозирования поверхностных неоднородностей и для оптимизации конструкций технологического инструмента для деталей авиационной техники.

Апробация работы. Положения диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:

1. International Conference On Hot Isostatic Pressing. HIP'02. May 20-22, 2002. Moscow, Russia.

2. Международная научно-техническая конференция «Авиакосмические технологии. АКТ-2003». 24-26 сентября 2003 г., г. Воронеж.

3. Международная научно-техническая конференция «Приборминформ-2003», г. Севастополь.

4. The 4th International Conference on Physical and Numerical Simulation of Materials Processing (ICPNS), May 17-20,2004 г., China.

Результаты также докладывались на научных семинарах Орловского государственного технического университета и Института прикладной механики РАН.

Публикации. По материалам данной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 102 наименований, 2 приложений, и содержит 183 страницы, в том числе 161 страницу основного текста, в котором 20 рисунков и 22 страниц приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулирована практическая значимость.

В первой главе изложено состояние вопроса. Показано, что особенностью математического моделирования процесса ГИП является необходимость учета больших объемных пластических деформаций. Это приводит к существенным трудностям, связанным с геометрической и физической нелинейностью задачи.

Общие принципы построения определяющих соотношений поведения материала за пределом упругости изложены в работах Ильюшина А.А., Хилла Р., Соколовского В.В. и других.

Модели для пластически сжимаемых сред разработаны в работах Бальшина М.Ю., Скорохода В.В., Штерна М.Б., Самарова В.Н., Друянова Б.А., Перельмана В.Е., Александрова С.Е., Raisson G., Green R.J. и других.

Отмечается, что для описания свойств порошковых материалов в процессе ГИП традиционно используется условие текучести Грина.

Проводится анализ численных методов, используемых при математическом моделировании данного процесса.

Отмечается, что на основании опыта процесса ГИП многие трудноустранимые дефекты закладываются на начальной стадии процесса. Указывается на трудности математического моделирования систем, содержащих закладные элементы с большой радиальной жесткостью.

Во второй главе решается задача о напряженно-деформированном состоянии при прессовании трубы из порошкового материала. Данная задача интересна в двух аспектах. Первое - это как самостоятельная задача, второе - на ее примере выявляются характерные особенности поведения порошкового материала вблизи границы закладных элементов с большой радиальной жесткостью.

Общая математическая постановка задачи исследования процесса ГИП включает: Уравнение равновесия <И\а = О,

где - тензор напряжений.

Для описания поведения порошкового материала используется эллиптическое условие текучести, называемое еще условием Грина

где сг = ^сг11 — первый инвариант тензора напряжений, =сгч -сгд^, з1

и - экспериментально определяемые функции относительной плотности порошкового материала р.

Связь тензора скоростей деформаций с тензором напряжений определяется ассоциированным законом течения:

где ев - тензор скоростей деформации, 0(0;,) = 0 - уравнение поверхности текучести.

Для описания поведения материала капсулы и закладного элемента используется условие идеальной пластичности

и условие несжимаемости.

Значения - пределы текучести монолитов, предполагаются известными

функциями температуры.

Задача рассматривается в квазистатической постановке. Процесс нагревания предполагается достаточно медленным, и температура считается величиной, не зависящей от координат. Температурным расширением материала пренебрегаем. Для определения плотности используется уравнение неразрывности.

рсИгй = 0, где-скорость перемещений.

ш

На внешней границе предполагается заданное давление. На границе раздела порошок-капсула предполагается условие непрерывности поля перемещений.

Математическая постановка задачи прессования труб из порошковых материалов формулируется в следующем виде. Задача рассматривается в осесимметричной постановке в цилиндрической системе координат.

6

Область К1<г<Я2, (капсула) занята пластически несжимаемым

материалом, область пластически сжимаемым порошковым материа-

лом (см. рис. 1).

Предполагается, что скорость деформации е, постоянна по всему объему. и(г) - скорость перемещений, аг, (Гг, ег, ег - соответствующие компоненты тензора напряжений и тензора скоростей деформаций, зависящие только от г . Тогда полная постановка задачи включает следующие соотношения:

уравнения равновесия

Л- г

&

=о;

уравнение поверхности текучести для порошкового материала

(<Х,+<7,+<Т,) _ 1

9//

+~6/№а' +(2£7.-<г' +(2ст'-сг' =7-1 •

Для описания пластической деформации используется теория течения. Ассоциированный закона течения в рассматриваемом случае принимает вид:

„ _ з 'г{<г,+<г9+<т.) ш{Ът,-о.-<т,)'

ег - л

/,г

Аналогичные формулы имеем для ег, Ег

Поверхность текучести для пластически несжимаемого материала:

±[(2<Г,-ст,-<7,)! +(2<Т,-о,-О,)\{2О,-0г -а,)2] = Т*.

ХЛъ яггпттиипгтяннпгп чякгтя телте/иист р.тте.ттл/е.т'

ег=Л(2а,-<т,-стг), е,=А(2аг-а,-<тж), £г=Л(2<тж-стг-<тг).

На внешней границе предполагается заданным постоянное внешнее давление Р . Граничные условия запишутся в виде: (Гг = —Р при /• = /?;, г — К^

Уравнение равновесия относительно оси г удовлетворяется интегральным соотношением:

Используя это соотношение, мы, конечно, пренебрегаем краевым эффектом, возникающим на концах труб. Фактически используется принцип Сен-Венана. Полученное решение будет верно вдали от торцов. Предполагается, что на торцы трубы действует то же самое давление, что и на боковые стенки.

На границах порошок-капсула г = г = Я.) предполагается условие непрерывности перемещений и равенства напряжений

Рассматривается начальный момент прессования, когда плотность р постоянна по объёму. Конечная цель работы - определение направления движения границ.

Связь тензора скоростей деформации со скоростью перемещений и(г) определяется соотношениями:

Л? г

Ич игттгтист несжимаемости в областях < г < , < г < Я4 следует: с!и и . —+—+£, =0. Ыг г '

Его решение позволяет определить функцию и(г) вида: а = —,

где - произвольная постоянная.

Решение для капсулы (при ) получено в виде:

В области Л, <г<Д, решение имеет аналогичный вид с заменой С, на Сг

ег = Л[л<7г+В<7г + Вог}, Ег = Л{Всгг +Асгг + В<т,} ,е, = ¿{Ва, +Всгг+Ааг},

. _ 18/22+2/,2 д _ -9// +2// следует:

где

2 г 2

?////

$>////

V, = \{с£,+ Оег + Ог,}, <х, = | {Ягг +Се, +£*,}, а, =^{Оег+Ое,+Сег),

Л1

Л-Я Л+2Д 18* >' А-В А+2В ■" '

6Т

____... .. _ ________ _ _.следует выражение для X:

Л Г.о„/ г . .г . г\ . _ . . _ _ \Т7

корости пере-

Данное уравнение является нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка. Удалось найти его аналитическое решение, и оно может быть представлено в следующем параметрическом виде, где роль параметра играет у/:

Параметры а и у соответственно равны: ^ — — 1 — уг

Параметр у/ изменяется в интервале .

Выражения для напряжений в порошковом материале соответственно имеют вид: аг = —¡2СТБту/, а = —¡2СТБту/

, = -ЛсТИту

где 5 =

2 V

5+1

.г^и

Зг + 1 5+1

2 5у

{б2 + \)сЬ5(у-чга)

9/г+/

з/2

Целью третьей главы является исследование характера напряженно-деформированного состояния в зависимости от геометрических параметров задачи. Эта задача представляет не чисто математический интерес, а имеет важное практическое значение, поскольку разному характеру деформирования соответствует различная конечная форма изделия.

Вводятся безразмерные неизвестные величины: Р С,

Яст

=г>» =^ )»=^ (л.);

а также безразмерные параметры

В результате исследования показано, что в области геометрических параметров существуют четыре различные зоны, которые соответствуют различным процессам

деформирования. Схематично эти зоны в области геометрических параметров

,

Я,

показаны на рис.2.

Рис. 2. Расположение зон деформаций

Зона I - это зона непрерывного поля скоростей перемещений. В этой зоне решение определяется следующей системой уравнений относительных неизвестных Уг> ¥г> У о' р. Система уравнений для определения указанных неизвестных определяется из условий:

Условия непрерывности напряжений при г = Йг, г = Л, соответственно

Из патаметпического задания палггеса eSr'sin(9>+V/,)-/3les'''sin(<p+^2)

П~2 5П е"*" sin (<¡>-y,)-Д e'0*1 sm(p-|r2)'

Из условий непрерывности скоростей при г = Я,, г = R,:

1 + а& = 2 l + ¿>/3=2

ys Щщ-Уо)* yshS(yj-r„) +

S2-\ IS1 ó2-I IS1

Условие равновесия относительно оси г после некоторых преобразований может быть представлено в виде:

+Д [^--^l (sin fishS (vj - Го)+<5 cos Vich5 {ч>2 - j -

-[sinjl-(siny/jsfiS(у/, -(/„)+¿cosV)clt5(у/,-))j = 0.

Зона II соответствует разрыву скоростей на границе r = R¡. Границу этой зоны

АВ определяем из вышеуказанной системы уравнений, полагая

В зоне II решение определяется системой уравнений относительно параметров а, Ь, :

Зона III соответствует плоскому деформированному состоянию с неподвижной внутренней границей. Зона IV соответствует плоскому деформированному состоянию с неподвижной внешней границей и локализацией деформации на внутренней границе. Уравнение границы зоны III DE определяется системой уравнений:

Уравнение границы СБ определяется системой уравнений:

е'*" + р^е *со5р = 0;

а + л/1 + а1

+ г 1л й>, = 0;

(-эл у, -г!п-

+ оЧ'

В. - Г Г Г-г П Г

= 0.

В качестве примера приведены результаты расчета поля скоростей перемещений в задаче о прессовании цилиндрических изделий. Для расчета были выбраны следующие значения параметров: (Эти параметры соответствуют

стальной капсуле и порошку TA6V). Ниже приведены поля скоростей перемещений нормированные на

Непрерывное поле скоростей: у(Л1)=-0,37; у(Д,)=-0,24; у(Д,)=-3,08;

Разрывное поле скоростей:

Геометрические размеры:

Д,=19; Л2=21; Л, =40; ^=42.

Геометрические размеры:

Я,=18; /^=21; Л, =40; Я, =42. у(Л,)=-0,34; у^-О) =-0,131976;

у(Я,+0)=-0,14012; у(Я3)=-3,37; у(/?,)=-3,1 Геометрические размеры: Разрывное поле скоростей: Л,=18; Л, =21; Л, =40; Я. =45. у(Я;)=0,57; у(/?2-0)=0)64; У(Я,+0)=-1,09;

У(Д,)=-7; У(Д4)=-5,99. Геометрические размеры: Разрывное поле скоростей: Л,=16; Л2=21; Л3=40; Д,=51. у(^)=1,19; У(/^-0)=1,18; У(^ + 0)=-3,91;

У(^)=-19,57; V(л,) =-14,74. Плоская деформация с неподвижной внутренней стенкой:

Д1=15; Л, =21; Д,=40; Д„=51.

Плоская деформация, локализованная на внутренней стенке: 16; Л, =21; Л, =40; Л4=59.

Примеры графиков, характеризующих распределение поля скоростей для неко-

Рис. 3. Распределение скоростей перемещений в порошковом слое: а) при ^=19; «¡=21; Д,=40; Я4=42; б) при Я,=18; Л, =21; Л, =40; /?,=42.

Полученное аналитическое решение и его исследование в зависимости от геометрических параметров позволяет сделать следующие выводы:

- для задачи процесса прессования труб из порошковых материалов выявлены следующие режимы: а) непрерывное поле скоростей во всей системе; б) разрывное поле скоростей на внутренней границе; в) плоская деформация с неподвижной внутренней границей; г) плоская деформация с локализацией процесса в окрестности внутренней стенки;

— возможность создания плоского деформированного состояния показывает принципиальную возможность решения важной технической проблемы осесиммет-ричного процесса ГИП - создание капсулы радиальной направленной усадки, что существенно упрощает задачу проектирования капсулы и математического моделирования процесса.

В четвертой главе исследуется развитие разрывного решения с учетом возможного изменения плотности. Вблизи закладного элемента с большой радиальной жесткостью возможно появление зоны больших градиентов скоростей. Цель этой главы - исследовать напряженно-деформированное состояние в такой зоне. Это важно для более точного прогноза поверхностных неоднородностей, возникающих в

процессе ГИП на границе закладных элементов. Рассматривались две задачи: задача о наружном прессовании при неподвижной внутренней границе и задача о внутреннем прессовании при неподвижной внешней границе.

В плоской осесимметричной задаче процесса ГИП уравнение поверхности текучести может быть записано в виде:

(оу+ст,)' (оу-сг,)' 4Аг 4В1 "

Тогда <г„ аг представляются в виде: а, =-Асо$<р-В%ш(р,

Согласно ассоциированному закону течения следует, что

Если обозначить символом V - скорость перемещений, то ег =

ду

V

Напомним, что А и В являются функциями плотности р.

Для определения плотности используется закон сохранения массы:

Используя уравнение равновесия в полярной системе координат, ассоциированный закон течения и закон сохранения массы, полную систему уравнений для определе-

представим в виде:

В задаче о наружном прессовании на неподвижной границе полагалось . Плотность р в начальный момент времени полагалась постоянной по всему объему.

Исследование решения этой системы проводится аналогично применяемой в теории пограничного слоя в гидромеханике. Показано, что в задаче о прессовании с неподвижной внутренней границей вблизи неподвижной границы имеется пограничный слой толщины , внутри которого решение представляется в виде:

Внутри пограничного слоя имеем следующее распределение параметров:

где Я = 1п—, у„ - некоторая характерная скорость движения внешней границы, а

й „ г-^,

параметр, определяемый свойствами среды, г =-—,

Ко

р0 - начальная плотность по-

рошковой среды.

Аналогичные результаты получены и в задаче о прессовании изнутри при неподвижной внешней границе. При этом деформации локализуются в пограничном слое вблизи подвижной границы.

Данная работа проводилась совместно с «Лабораторией новых технологий» (ЛНТ). (Руководитель ЛНТ - д.т.н. Самаров В.Н.). Расчеты проводились на базе имеющейся в ЛНТ программы.

Рассмотрим результаты расчета конкретных экспериментов.

Для того чтобы обнаружить зону больших градиентов скорости, и как следствие этого, увеличение относительной плотности, процесс ГИП необходимо прервать до окончания полного уплотнения. Этот эксперимент осуществляется редко, в основном при изготовлении образцов для механических испытаний и выявления характера зависимости свойств от относительной плотности. Но можно предположить косвенную проверку (Механика композиционных материалов и конструкций. Всероссийский научный журнал. Том 8- № 2 - 2003.).

Рассмотрен эксперимент, разработанный в ЛНТ и проведенный J. Resson. В этом эксперименте капсула имела начальный внутренний размер по высоте 50 мм. Внутренний радиус 190 мм, толщину стенок 5 мм. На расстоянии 50 мм от центра находился закладной элемент толщиной 20 мм. Высота элемента совпадала с внутренней высотой капсулы.

В эксперименте замерялись величины: Я,, Нг, Н,,^, Я,т, Л^ (рис.4.).

Рис. 4. Схема измерений

Для испытаний использовался следующий материал: для капсулы - сталь ХС18; для закладного элемента - 18СД4 (хромистая сталь); порошок - TA6V с начальной плотностью 0,66 от плотности монолита.

Для качественного анализа проведен расчет с различными сетками, имеющими одинаковое число конечных элементов. В первом случае зона за закладным элементом делится на 4 части равномерно. Во втором случае перед закладным элементом имеется пограничный слой толщиной 3 мм, который создается соответствующим разбиением. Оставшаяся зона делится равномерно.

В эксперименте получены следующие результаты, мм: Я, =16,39; Я,= 23,71; Я3 = 24,35; Я,„ =47,57; =47,79; =68,65; Д2„=68,32.

При расчете по схеме без учета влияния пограничного слоя получены следующие результаты, мм:

И, =20,34; Я2 =21,92; Я, =21,98; Я;„ =44,69; R,v =44,88; Я„ =69,67; =66,51.

При расчете по схеме с учетом влияния пограничного слоя получены следующие результаты, мм:

Я, =18,61; Я,= 23,19; Я, =23,35; Я,„ =46,34; Л1., =46,84; Л,. =69,71; ^ =68,04.

Заметим, что уже при грубой сетке разбиения учет влияния зоны больших градиентов приводит к существенному улучшению результатов по сравнению с результатами эксперимента. Отметим, что не ставилась цель получить точный результат.

Рассмотрим также аналогичный эксперимент Власова A.M. и Селиверстова Д.Г. (Власов А.В. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н.- М.: МГТУ им. Баумана, 2000). В этом эксперименте толщина боковой стенки капсулы была 5 мм, верхней и нижней стенки 6 мм, внутренняя высота 10 мм, внутренний радиус 40 мм, толщина закладного элемента 7 мм. В эксперименте исследовались три образца закладного элемента с внешним радиусом I - 35 м, II - 30 мм, III - 25 мм. Измерялись следующие величины: (рис.5.).

Материал капсулы, аналогичный материалу в предыдущем эксперименте, материал порошка - жаропрочная сталь (предел текучести существенно выше, чем в предыдущем эксперименте), материал закладного элемента совпадал с материалом капсулы. Результаты I эксперимента, мм:

Лц,=27; Л^=34,3; Я,^ =38,5; Я;. = 26,9; /^,=34,6; Я,. =38. Результаты расчета, мм:

^„ = 26,9; Я^ =34,12; Я,„ = 39,19; Я,. =26,72; Я,. =34,63; Яз. =38,69. Эксперимент 2, мм:

Я,, =22,3; Я^ =29,7; Я,„ =38,8; Я,. =21,5; Я,. =30; Я,„=38,1. Расчет, мм:

я1ч,=22,00; Я^ =29,45; Я)ч>=38,95; ^. = 21,68; £„.=30,21; Я,„=38,46. Эксперимент 3, мм:

Я,„=17,4; Я^ 24,8; Я^ =38,6; Я1.=17; /^=25,2; Я,. =38,1. Расчет, мм:

Я,„ = 17,12; £^=24,57; Л^ =38,93; Я;„ =16,63; Я,. =25,3; Я,. =38,37.

Расчеты проводились без корректировки параметров по результатам эксперимента. Фактически это было первое приближение. Расчеты показали в целом приемлемую точность модели.

Рис. 5. Схема измерений

Поскольку основной технической задачей математического моделирования процесса ГИП является наиболее точное предсказание конечных размеров изделия, то результаты данной главы позволяют сделать следующие выводы:

1. При использовании для расчета метода конечных элементов в окрестности закладных элементов с большой радиальной жесткостью для разбиения должна быть выбрана более мелкая сетка, что позволяет учесть значительные градиенты скорости перемещений.

2. Полученное решение позволяет анализировать решение в зоне значительных градиентов.

3. В зоне значительных градиентов может возникнуть значительная деформационная анизотропия.

В пятой главе исследуется устойчивость процесса ГИП для цилиндрического образца и тороидальной оболочки. Целью является возможность качественного объяснения с позиции теории устойчивости некоторых дефектов конечной формы, возникших при изготовлении подобных изделий.

Целью первого параграфа данной главы является качественное исследование устойчивости осесимметричного процесса прессования цилиндрического образца. Задача исследования процесса рассматривается в предположении отсутствия осевых перемещений, то есть в плоской постановке.

Для описания свойств порошкового материала используется условие текучести Грина. Поведение цилиндрической капсулы рассматривается в рамках классической теории упругих оболочек. На границе капсулы и порошкового материала предполагается условие равенства перемещений.

Предполагается, что на внешней границе капсулы давление задано в виде Р(?>) ="/>(>+Л «И"Р.

где - некоторая малая величина, вносящая искажение в осесимметричный характер процесса деформации.

Исследуется влияние величины на искажение осесимметричного характера процесса. Решение для скоростей перемещений в порошковом материале ищется в виде: V, =~r+/(r)cosmp, V, = g(r)sinnp,

где - малые величины.

Перемещения упругой оболочки представляются в виде: =Uro+ur\<x>smp, uf = urismn<p,

где - малые величины.

С точностью до малых первого порядка при п - 2 (что соответствует эллиптической форме искажения круглого контура) для получено уравнение:

d»n . «(ор-а).

da %

4.=/».

где в качестве параметра выбрано осесимметричное перемещение оболочки;

D =

Ч!

2 Eh

- толщина оболочки, - начальный радиус, <t,R„ ЗВ a, 95 *

l-v:

j, E - модуль Юнга, v - коэффициент Пуассона, a, - предел текучести мо-

нолита порошкового материала, А, В выражаются через У[ И ^, входящих в условие текучести Грина.

Полагая и,, = 0 при а = О, получено следующее решение: "(е-*»)'.

«» = /?' * [е * dx. о

Заметим, что при а>а, влияние параметра рх, возмущающего осесимметрич-ную картину процесса, существенно усиливается. Следовательно, существует критическое значение радиальной усадки, по достижению которого возможна потеря устойчивости осесимметричного характера процесса. Целью исследования было проведение качественного анализа возможности потери устойчивости осесиммет-ричного процесса деформации. Большие радиальные усадки характерны в случае малой начальной относительной плотности порошка. Отметим, что количественный анализ требует учета пластических свойств оболочки и возможный неоднородный характер распределения относительной плотности.

Во второй задаче, рассмотренной в данной главе, исследуются некоторые особенности процесса ГИП тороидальной оболочки, которые могут привести к искажению круглого контура. При исследовании порошковый материал рассматривался как пластически сжимаемый газ. Тороидальная капсула рассматривалась в рамках классической теории упругих оболочек. Использовано следующее параметрическое задание поверхности (рис. 6):

x = flcosy+a(I+£)cosp cosí/,

где Е«1 - параметр, характеризующий искажение круглого контура.

Рис. 6. Параметрическое задание тороидальной поверхности

Разлагая решение по параметру = а с точностью до слагаемых порядка а2 и, полагая £ = /п,а2 для внутренней оболочки й=/да2л я внешней оболочки, получены

следующие результаты: 1 1 ^

т, = —+-е 8 8

2V

1 1 -

т, =—+-е * 8 8

где - начальный радиус внутренней оболочки, - конечный радиус внутренней оболочки, - начальный радиус внешней оболочки, - конечный радиус внешней оболочки, - толщина внутренней и внешней оболочки, соответственно.

Поскольку , то . Из этого следует, что начальная круглая форма се-

чения искажается в форму, близкую к эллипсу, малая ось которого параллельна оси 2 . С развитием процесса деформации искажение усиливается. Для внутреннего контура характерно также искажение в форму близкую к эллипсу, большая ось которого параллельна оси г . Однако, с развитием процесса деформации скорость роста искажения замедляется. Поэтому при прессовании тороидальной порошковой оболочки могут возникать значительные искажения круглой формы на внешнем контуре. Форма после деформации близка к эллиптической. На внешнем контуре большая полуось эллипса направлена по радиальной оси.

Проведенное исследование выявило еще одну особенность поведения тороидальных оболочек, которую надо учитывать при их изготовлении.

Если коэффициент Пуассона значительно отличается от то в этом случае

под действием давления главное слагаемое для перемещений - в направлении угла - нормальных имеет вид:

Фактически это означает движение контура как жесткого по оси симметрии. При этом внутренний контур перемещается в направлении возрастания радиуса (р>0), наружный в направлении его уменьшения . Тогда в процессе деформации

центры внешнего и внутренних контуров смещаются друг относительно друга. Следовательно, конечное порошковое изделие может иметь различную толщину стенок.

Исследование устойчивости процесса ГИП для конкретных технических задач позволяет сделать следующие качественные выводы:

1. Показано, что при осесимметричном прессовании порошковых изделий существует критическое значение радиальной усадки, после которой может происходить потеря устойчивости осесимметричного процесса сжатия.

2. При прессовании тороидальной оболочки возможно сжатие относительно оси внешней оболочки, что приводит к искажению круглой формы сечения.

3. Возможно смещение центров внешней и внутренней оболочки друг относительно друга, что может привести к разной толщине стенок конечного изделия.

В приложении приведены доказательства некоторых математических фактов, используемых в работе, а также акт о внедрении результатов.

Работа выполнялась при сотрудничестве с ЛНТ и Орловским государственным техническим университетом (ОрелГТУ).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получено аналитическое решение технической задачи математического моделирования начальной стадии процесса ГИП труб из порошковых материалов, которое может быть использовано для отладки программ и экспресс-анализа различных начальных форм при проектировании капсул.

2. Проведенное аналитическое исследование полученного решения показало, что возможны следующие режимы деформирования: непрерывное поле скоростей во всей системе; разрыв поля скоростей на внутренней границе; плоская деформация с неподвижной внутренней границей; плоская деформация с локализацией процесса на внутренней границе.

3. Возможность создания плоского деформированного состояния путем изменения геометрических размеров капсулы открывает принципиальную возможность исследования важной технической проблемы - создания капсулы с направленной радиальной усадкой, что привело бы к существенному упрощению задачи проектирования для широкого класса изделий.

4. Показано, что в окрестности закладных элементов с большой радиальной жесткостью при использовании МКЭ для моделирования процесса ГИП целесообразно использовать более мелкую сетку разбиения, что подтверждено опытом внедрения данной работы.

5. Исследованы особенности, возникающие в зоне высоких градиентов скорости. Полученные асимптотические оценки характера распределения плотности и скорости позволяют более точно решить техническую проблему математического моделирования процесса ГИП. Выявлена сильная анизотропия процесса деформации в окрестности закладного элемента с большой радиальной жесткостью.

6. Исследована устойчивость процесса деформации цилиндрического образца. Показано, что существуют критические значения радиальной усадки, после достижения которых, осесимметричный процесс может потерять устойчивость.

7. Исследованы особенности процесса прессовании тороидальной оболочки. Показано, что возможны смещения центров внешней и внутренней оболочки друг относительно друга. Последнее может привести к разной толщине стенок в конечном изделии. Кроме того, сам характер процесса деформирования внешней оболочки приводит к тому, что она более сильно сжимается в осевом направлении. Это также приводит к разной толщине стенок в конечном изделии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Головешкин В.А., Ковалев В.А., Пирумов А.Р., Флакс М.Я. О возможности потери устойчивости осесимметричного процесса горячего изостатического прессования// Авиакосмические технологии «АКТ-2003»: Труды четвертой научно-технической конференции (часть 1).- Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 2003.- С. 54-60.

Р 1 3 5 4 3

2. Анохина А.В., Флакс М.Я. О влиянии условий эксперимента на поведение порошковых материалов // Новые информационные технологии. Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции.- М.: МГАПИ, 2001.- С. 8-11.

3. Анохина А.В., Головешкин В.А., Пирумов А.Р., Флакс М.Я. Исследование начального процесса прессования труб из порошковых материалов с учетом вертикальной усадки // Механика композиционных материалов и конструкций. Всероссийский научный журнал. Том 9,- №2.- 2003- С. 123-132.

4. Головешкин В.А., Дмитриев В.А., Флакс МЛ., Холин Н.Н. Устойчивость процесса деформации полого цилиндра // Вопросы исследования деталей машин. Выпуск 7- Москва, 2002.- С. 19-24.

5. Anohina A.V., Goloveshkin V.A., Pirumov A.R., Flaks M.J. Modeling of HIP of Hollow Cylindric Parts With One Fixed Board. Proceedings of International Conference on Hot Isostatic Pressing. HIP'02. VILS, 2003- p. 229-233.

6. Флакс МЛ. Исследование начального этапа процесса прессования труб из порошковых материалов // Математическое моделирование и управление в сложных системах. Выпуск 5.-М.: МГАПИ,2002-С.90-94.

7. Флакс М.Я. Напряженно деформированное состояние на начальном этапе прессования трубы из порошкового материала // Вопросы исследования прочности деталей машин. Выпуск 8- М.: МГАПИ, 2003- С. 56-59.

8. Головешкин В.А., Пирумов А.Р., Флакс МЛ. Особенности поведения поля скоростей в осесимметричной задаче горячего изостатического прессования // Моделирование и исследование сложных систем. Сборник трудов. Том 1- М.: МГАПИ, 2003.-С. 52-56.

9. Goloveshkin V.A., Pirumov A.R., Anochina A.V., Flax M J. Research of Initial Stage of Tubes Pressing from Powder Material // The Fourth International Conference on Phisical and Numerical Simulation of Materials Processing (ICPNS'2004). May 17-20, 2004. Shanghai, China.

Подписано к печати 06.07.2004 Объем 1 п.л. Тираж. 100 экз. Заказ №1425

Отпечатано на полиграфической базе Орловского государственного технического университета

Адрес: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

Введение.

1. Обзор литературы.

2. Аналитическое решение задачи о начальном этапе прессования труб из порошковых материалов.

2.1. Математическая постановка задачи

2.2. Аналитическое решение для исследования поведения капсулы.

2.3. Аналитическое решение для исследования поведения порошкового материала.

2.4. Система уравнений для определения произвольных постоянных интегрирования.

3. Исследование характера решения в зависимости от геометрических и механических параметров.

3.1. Поведение системы при отсутствии капсулы на внешней границе (со2 -1) и больших значениях радиуса.

3.2. Поведение системы при отсутствии капсулы на внешней границе и конечной толщине порошкового слоя.

3.3. Влияние параметра eoz на поведение решения.

3.4. Расчет деформированного состояния на начальном этапе процесса прессования.

4. Исследование особенностей процесса Г ИИ на начальной стадии.

4.1. О распределении плотности у неподвижных границ в плоской осесимметричной задаче процесса ГИП.

4.2. Исследование начальной стадии процесса ГИП при неподвижной наружной границы цилиндрического слоя.

4.3. Исследование влияния зон градиентов плотности при математическом моделировании процесса ГИП с использованием МКЭ.

5. Устойчивость процесса ГИП.

5.1. Устойчивость осесимметричного процесса ГИП цилиндрического образца.

5.2. Исследование особенностей процесса ГИП тороидальной оболочки.

Выводы

Различные области современной техники испытывают потребность в изделиях с высокими эксплуатационными характеристиками (прочность, износостойкость, возможность работы в агрессивных средах). Материалы, изготавливаемые методами порошковой металлургии, часто позволяют удовлетворить таким требованиям. Особенность изделий, изготавливаемых методом порошковой металлургии, состоит в высоких прочностных свойствах. Но обратной стороной этого является трудность их последующей обработки, а иногда просто и невозможность из-за специфического характера изделия.

Для изготовления изделий методом порошковой металлургии традиционно используется процесс горячего изостатического прессования (ТИП) порошковых материалов. Процесс ГИП - это процесс высокотемпературного уплотнения (температура порядка 1000° по Цельсию) порошковых материалов под действием внешнего давления (порядка 1000 атмосфер).

В самой общей постановке задачу математического моделирования процесса ГИП можно сформулировать следующим образом: требуется спроектировать капсулу таким образом, чтобы конечная форма порошкового монолита, полученного после удаления капсулы, удовлетворяла требуемой геометрии. Отметим, что в силу специфики использования таких изделий, эти требования бывают достаточно жесткими.

Однако в силу принципиальных причин, об этом будет сказано в обзоре, подобная точность математического моделирования вряд ли достижима.

Практический опыт показывает, что многие трудноустранимые дефекты закладываются на начальной стадии процесса ГИП, поэтому основной целью работы является аналитическое исследование этой стадии. Преимущество аналитического исследования состоит в том, что оно дает более ясное представление о характере процесса и о его протекании при изменении определяющих параметров.

Во второй главе работы получено аналитическое решение важной технической задачи о напряженно-деформированном состоянии среды на начальном этапе процесса ГИП при изготовлении труб из порошковых материалов, Данная задача известна трудностью предсказания конечных размеров внутренней границы. Исследование этой задачи имеет более широкий технический аспект, поскольку в ней выявляются трудности математического моделирования процесса ГИП порошковых изделий, содержащих закладные элементы с большой радиальной жесткостью.

В третьей главе проводится аналитическое исследование полученного решения. В зависимости от определяющих параметров задачи исследуется возможность возникновения разрыва поля скоростей, возможность перехода в плоское деформированное состояние и как частный результат показана возможность усадки вала при нанесении порошковых покрытий. Возможность создания плоского деформированного состояния путем изменения геометрических размеров капсулы имеет значение для практически важной технической проблемы создания капсулы с направленной радиальной усадкой. Возможность создания такой капсулы существенно упрощает математическое моделирование процесса.

В ряде предыдущих работ показана возможность возникновения разрыва нормальной составляющей скорости перемещений в начальный момент осесимметричного процесса ГИП при наличии неподвижных границ. Учет этого явления при математическом моделировании с использованием метода конечных элементов приводит к более точному значению конечных размеров изделия.

В связи с этим в четвертой главе исследуется дальнейшее поведение порошкового материала у неподвижных границ. Получены аналитические выражения для определения возникающей неоднородности плотности материала.

Одной из важных технических задач процесса ГИП является создание устойчивой формы капсулы. Это подразумевает создание такой формы капсулы, при использовании которой, конечные размеры изделия изменялись бы незначительно при изменении параметров определяющих соотношений. Это требует исследования устойчивости самого процесса ГИП.

В пятой главе исследуется устойчивость процесса ГИП цилиндрического образца и тороидальной оболочки. Показано, что при определенных условиях осесимметричный процесс ГИП порошкового цилиндра может терять устойчивость, что приводит к искажению осесимметричности контура. Для тороидальной оболочки показана возможность искажения круглого поперечного сечения (его превращения в эллиптическое) 4 а также показана возможность смещения центров внутреннего и внешнего контура, что приводит к неравномерной толщине конечной оболочки. Это исследование позволяет качественно объяснить некоторые дефекты конечной формы, возникающие при изготовлении подобных изделий.

Работа выполнялась при сотрудничестве с лабораторией новых технологий (ЛИТ) - руководитель д.т.н. Самаров В.Н. - Москва и Орловским государственным техническим университетом (ОГТУ).

1. Обзор литературы

Как сказано, во введении, в идеале задачей математического моделирования процесса ГИП является следующая: требуется спроектировать такую капсулу и закладные элементы, чтобы по завершению процесса монолитное порошковое изделие приняло необходимую геометрическую форму.

Отметим, что под капсулой понимается некоторый металлический контейнер, в который помещается порошковый материал. В процессе ГИП капсула деформируется вместе с порошковым материалом. После окончания процесса капсула удаляется химическим или механическим путем. Фактически, капсулу можно рассматривать как инструмент одноразового использования.

Под закладным элементом понимается некоторый сплошной (как правило металлический или керамический) образец, помещенный в порошковый материал. Он также деформируется вместе с порошковой средой. После ГИП он удаляется тем или иным путем. Его назначение состоит в том, чтобы после удаления в монолите образовалась полость нужной формы.

Проблемы, возникающие при математическом моделировании процесса ГИП, подробно, например, изложены в [1], перечислим эти проблемы.

Первая: для процесса ГИП характерны большие деформации (начальная плотность порошка примерно 65% от плотности монолита), математически это означает, что определяющие соотношения будут нелинейными, а граничные условия ставятся на переменной во времени границе. Эти требования порождают известные трудности математического моделирования процесса.

Вторая проблема более принципиальная: это трудность построения определяющих соотношений (под определяющими соотношениями мы понимаем соотношения, определяющие связь тензора напряжений в среде с параметрами, характеризующими состояние среды).

Эта проблема характерна для всех задач механики деформируемого твердого тела, исследующих его поведение за пределом упругости [2-5]. Поскольку любые определяющие соотношения будут приближенными, тогда даже если исключить математические проблемы, любой расчет будет носить приближенный характер. Поэтому реальный процесс изготовления порошковых изделий должен быть итерационным процессом, схема которого изложена в [6]. Его суть состоит в следующем: строится математическая модель, на основании этой модели проектируется капсула, изготавливается изделие. Его параметры сравниваются с требуемыми, на основании этого сопоставления проводится уточнение математической модели. Этот метод является некоторым аналогом метода СН-ЭВМ, предложенный А.А. Ильюшиным в [2]. Поэтому приемлемой математической моделью процесса ГИП считается модель удовлетворяющая следующим требованиям:

1. Она дает близкое первое приближение;

2. Правильно учитывает влияние параметров;

3. Позволяет вносить изменения в параметры модели на основании результатов эксперимента, и в случае необходимости вводить дополнительные параметры.

Обычно для запуска изделия в производство требуется 2-3 экспериментальные итерации [6].

Существуют различные подходы по описанию поведения порошковой среды, некоторые из них (см., например, [12]) рассматривают среду как дискретную. При таких подходах, рассматривая взаимодействие отдельных частиц, необходимо учитывать эффекты, возникающие на поверхности их взаимодействия [13-15]. Чаще порошковый материал рассматривается как единый континуум, поскольку в процессе ГИП нас интересуют кинематические аспекты поведения, а как показано в [16-19], кинематические аспекты поведения порошковых материалов не отличаются существенно от поведения сплошных сред.

Используемые определяющие соотношения для порошковых материалов обладают одним существенным отличием от используемых в классических теориях пластичности [2-5] или используемых в работах по обработке металлов давлением [7], поскольку эти работы исходят, как правило, из малых объемных деформаций или равенства их нулю. Для порошковых материалов объемная деформация (или эквивалентные параметры: относительная плотность, пористость) является важным параметром, характеризующим состояние среды. Вместе с тем, необходимо отметить, что реальный интерес при описании процесса ГИП представляет как раз сдвиговая часть тензора деформаций. Поскольку целью ГИП является получение монолитного изделия, а начальную плотность можно определить с высокой степенью точности, то объемную составляющую тензора деформации можно считать известной. Время процесса уплотнения достаточно точно (при известной температуре и давлении) может быть определено по диаграммам уплотнения [8-11] (диаграмма Эшби).

Различные модели, описывающие поведение пластически сжимаемых сред представлены в работах Друянова Б.А. [20], Грина Р. Дж [21], Штерна М.Б. [22-23], Перельмана В.Е. [24], Александрова С.Е. [25] и других.

В большинстве моделей для построения определяющих соотношений используется ассоциированный закон течения. Для описания уравнения поверхности текучести обычно используется уравнение вида: /(ст, s\Mk) = Q>, здесь а - это первый инвариант тензора напряжений а = a s2 - обычно второй инвариант девиатора тензора напряжений: s2 = -SySy, (sff = <7&.-oy5&.),

Мк - некоторые другие параметры.

Различные, уравнения поверхности текучести для порошковых материалов представлены в [20], [22-23], [24], [26-31].

Для учета возникающей в процессе ГИП анизотропии свойств используются уравнения поверхности текучести, приведенные в [32-33]. Отметим, что анизотропию процесса деформации на начальном этапе определяет форма капсулы. Для изотропных пористых тел, при отсутствии влияния деформационной анизотропии, используется условие текучести Грина или эллиптическое условие текучести [20-22], которое записывается в виде: <т2 + as2 = Scr2, где а - первый инвариант тензора напряжений, / - второй инвариант девиатора тензора напряжений, а, 5 - экспериментальные или теоретические функции относительной плотности р, <у3 - предел текучести монолита. значение предела текучести пористой среды как функцию плотности. Подобное разделение вызвано тем, что функции 5(р) и а(р) являются функциями геометрии гранул и для одних и тех же типов гранул их с достаточной степенью точности можно считать универсальными функциями.

Отметим, что исторически первым это условие было предложено в работах В.Р. Скорохода [34-35].

Во многих работах [36-44] это уравнение записывается в эквивалентном виде: где а - первый инвариант тензора напряжений, s2 - интенсивность девиатора тензора напряжений, fx,f2 - функции относительной плотности р. Характерный вид функций fx(p) и /2(р) представлен на рисунке. Введением функций fx{p) и f2(p) некоторым образом разделяются объемные и сдвиговые свойства порошковой среды. можно интерпретировать как текущее

Рис. 1.

Функция fi(p) возрастает с ростом относительной плотности р и стремится к 1 при р стремящемся к единице. Функция f2{p) также возрастающая функция. Она стремится к бесконечности при р, стремящейся к единице.

Эксперименты и методики для определения вида функций f[{p) и f2{p) или им эквивалентных приведены в работах [45-50]. Влияние капсулы на результаты эксперимента исследовано в [51].

Анализ литературных источников показывает, что единой точной зависимости для всех типов порошков, которая точно описывала бы их поведение, не существует. Используемые единые зависимости соответствующих функций от относительной плотности позволяют анализировать качественные аспекты поведения и в ряде случаев могут быть использованы для построения первых приближений модели.

В работах [38-44] уравнение поверхности текучести используется в виде: где /j - первый инвариант тензора напряжений, J2 - интенсивность девиатора тензора напряжений, у - аналог коэффициента Пуассона, (н считается известной функцией р). Ф(р) - называется «Stress intensification factor».

На основании экспериментальных данных в этих работах показано, что с некоторой степенью точности v(p) может быть представлена в виде

M'jS.

Относительно Ф(р) существуют теоретические представления, которые приведены в работах [59-60].

Анализ, проведенный в работах [38-44], показывает, что истинное значение функции Ф (р) лежит между теоретическими кривыми.

В некоторых из указанных работ исследуется анизотропия свойств материала, возникающая в процессе деформации. Авторы этих работ вводят понятие «areal density». Формально оно вводится следующим образом: на срезе берется отношение площади пор к общему размеру сечения, разница между единицей и полученной величиной называется «areal density». Авторы на основании экспериментальных данных делают вывод о существовании универсальной зависимости Ф(р), если в качестве р принимать значение areal density». Хотя такое определение вызывает ряд вопросов, здесь важен скорее вывод о том, что существует некоторая интегральная характеристика деформации каждого сечения, с помощью которой может быть описана картина анизотропии свойств.

Отметим, что для описания процесса ГИП в неоднородном температурном поле существенную роль играет зависимость предела текучести от температуры, а также сильная зависимость коэффициента теплопроводности от плотности. В таких условиях в порошковой среде возникает своеобразный фронт уплотнения, отмеченный в работах Самарова В.Н. и Друянова Б.А. [61].

В настоящей работе для построения определяющих соотношений принято эллиптическое условие текучести без учета влияния реологических свойств.

Причины возможности такого подхода изложены в работах [1, 6]. Суть состоит в следующем. В большинстве задач исследования процесса ГИП целью является получение конечного монолитного изделия нужной геометрической формы. Промежуточные этапы процесса представляют меньший интерес. Как показывает практический опыт (об этом указано в [1, 62]), основные неоднородности поля деформаций и трудноустранимые дефекты конечной формы закладываются на начальной стадии процесса, то есть при относительно низких температурах, когда влияние эффектов диффузии и ползучести проявляется слабо.

Общие подходы к математическому моделированию процесса ГИП изложены в [63-67, 1].

Фактически ключевыми в математическом моделировании являются две задачи. Условно их можно назвать первая и вторая обратные задачи ГИП.

Первая задача - это по заданной форме конечного изделия спроектировать капсулу.

Вторая - на основании экспериментальной итерации и известных погрешностей конечной формы внести такие изменения в форму капсулы, которые приведут к более точной конечной форме изделия.

Ввиду трудностей аналитического решения задач подобного рода задач для их решения используются численные методы. Основными численными методами решения подобных задач являются разностные методы, метод конечных элементов, метод крупных частиц [68 - 76].

Большинство численных методов построены по схеме, аналогичной методу упругих решений [77]. Суть применяемых методов состоит в следующем. Весь процесс разбивается на шаги, напряженно -деформированное состояние на каждом шаге определяется путем некоторого итерационного процесса. При этом на каждом шаге итерации решается некоторая упругая задача. После ее решения уточняются некоторые упругие параметры. Решение повторяется до сходимости. Примеры решения задач подобного рода и схемы алгоритма приведены в [76-83], [83-85], [86-87].

Отметим, что интересный способ «размазывания» закланных элементов и рассмотрения среды в целом с другой плотностью предложен в [88, 1,6].

Как уже отмечалось, основные дефекты конечной формы закладываются на начальной стадии процесса. Целью настоящей работы является аналитическое исследование начального этапа ГИП.

Во второй главе работы получено аналитическое решение о напряженно-деформированном состоянии трубы при учете вертикальной усадки. Принципиальные трудности, возникающие при численном математическом моделировании такой задачи и некоторые ее аспекты изложены в [76].

В третьей главе проводится подробное математическое исследование как определяющее параметры задачи влияют на ее решение. При этом показана возможность возникновения разрывного поля скоростей. Для плоских задач существование подобных разрывов выявлено в работах [90, 91]. Кроме того, показано, что при определенных условиях деформация становится плоской, что важно для создания осесимметричной капсулы направленного действия.

В четвертой главе исследуется поведение решения вблизи возникшего в начальный момент разрыва поля скоростей. Исследуется влияние учета этого разрыва на конечную форму при использовании для математического моделирования метода конечных элементов (МКЭ).

В пятой главе исследуется устойчивость некоторых процессов ГИП. Причиной того, что основные дефекты конечной формы закладываются на начальной стадии процесса может быть неустойчивость процесса ГИП. Устойчивость процесса деформации пластически сжимаемых сред изучена слабо. Остается открытым вопрос, является ли неустойчивость неустойчивостью самого процесса деформирования порошка или неустойчивость вносится капсулой.

Как известно, при исследовании вопроса устойчивости за пределом упругости существуют два подхода Кармана Т. [92] и Шенли Ф. [93], которые в дальнейшем получили развитие в работах Зубчанинова В.Г. [94] и ЬСлюшникова В.Д. [95]. Порошковый материал в настоящей работе рассматривается как пластически сжимаемая среда, с использованием условия текучести Грина. Поскольку в процессе ГИП внешнее давление нарастает, то используется концепция продолжающегося нагружения.

Первый пример - исследование устойчивости осесимметричной формы при деформировании цилиндрического образца. Показано, что существуют критические значения радиальной усадки, по достижении которых потеря устойчивости капсулы приводит к искажению осесимметричной формы. Второй пример - деформация тороидальной оболочки. Показано, что характер поля деформаций приводит к искажению круглого поперечного сечения, и это явление усиливается под влиянием внешнего давления.

Выводы

1. Получено аналитическое решение технической задачи математического моделирования начальной стадии процесса ГИП труб из порошковых материалов, которое может быть использовано для отладки программ и экспресс-анализа различных начальных форм при проектировании капсул.

2. Проведенное аналитическое исследование полученного решения показало, что возможны следующие режимы деформирования:

- непрерывное поле скоростей во всей системе;

- разрыв поля скоростей на внутренней границе;

- плоская деформация с неподвижной внутренней границей;

- плоская деформация с локализацией процесса на внутренней границе.

3. Возможность создания плоского деформированного состояния путем изменения геометрических размеров капсулы открывает принципиальную возможность исследования важной технической проблемы - создания капсулы с направленной радиальной усадкой, что привело бы к существенному упрощению задачи проектирования для широкого класса изделий.

4. Показано, что в окрестности закладных элементов с большой радиальной жесткостью при использовании МКЭ для моделирования процесса ГИП целесообразно использовать более межую сетку разбиения, что подтверждено опытом внедрения данной работы.

5. Исследованы особенности, возникающие в зоне высоких градиентов скорости. Полученные асимптотические оценки характера распределения плотности и скорости позволяют более точно решить техническую проблему математического моделирования процесса ГИП.

6. Исследована устойчивость процесса деформации цилиндрического образца. Показано, что существуют критические значения радиальной усадки, после достижения которых, осесимметричный процесс может потерять устойчивость.

7. Исследованы особенности процесса прессовании тороидальной оболочки. Показано, что возможны смещения центров внешней и внутренней оболочки друг относительно друга. Последнее может привести к разной толщине стенок в конечном изделии. Кроме того, сам , характер процесса деформирования внешней оболочки приводит к тому, что она более сильно сжимается в осевом направлении. Это также приводит к разной толщине стенок в конечном изделии.

1. Ильюшин А.А. Пластичность. Изд. АНСССР. 1963.

2. Хилл Р. Математическая теория пластичности. ГНТЛ. 1956.

3. Соколовский В.В. Теория пластичности. 1969. Высшая школа.

4. Качалов JI.M. Основы теории пластичности. Изд. Наука. М. 1960.

5. Голенков B.A., Радченко С.Ю. «Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружением заготовки». М.: Машиностроение. 1997г.

6. Arzt Е., Ashby M.F., Easterling К.Е. Practical application of Hot Isostatic Pressing diagrams: four case stadies. Metall. Trans. 1983, V.14A, p 211-221.

7. Ashby M.F. A first report of sintering diagrams. Acta Metall. 1974. v. 22- p. 275-284.

8. Helle A.S., Easterling K.E., Ashby M.F. Hot Isostatic Pressing diagrams: New development. Acta Metall. 1985. v.33. p. 2163-2174.

9. Фрост Г., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформаций. Челябинск. Металлургия. 1989. 328 с.

10. Cundall Р.А,, Strack O.D.L. A discrete numerical model for granular assemblies.// Geotechnique.- 1979. v.29, p.47-65.

11. Шоркин B.C. Теория упругости поверхностных слоев твердых тел //Известия. ТулГУ. 1995. -т.1. -В.2.

12. Гордон В.А., Шоркин B.C. Нелокальная теория приповерхностного слоя твердого тела. // Итоги развития механики в Туле. Международная конференция. Тезисы докладов. Тула, ТулГУ. 12-15 сентября 1998.

13. Гордон В.А., Шоркин B.C. Нелолкальная теория приповерхностного слоя твердого тела // Известия ТулГУ. т.4. - Тула, 1998.

14. Федоренко И.М., Андриевский В.А. Основы порошковой металлургии. Киев. изд. АНЦССР. 1963, 420 с.

15. Болынин М.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии М.: Металлургия, 1978, 184 с.

16. Болыпин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. М. Металлургия. 1972. 336 с.

17. Болыпин М.Ю. Порошковое металловедение М. Металлургиздат. 1948. 332 с.

18. Друянов Б.А. Прикладная теория пластичности пористых тел. М.: Машиностроение, 1989.

19. Грин Р.Дж. Теория пластичности пористых тел. 1 сб. переводов. «Механика». 1973. №4. 109-120 сс.

20. Штерн М.Б. К теории пластичности пористых тел уплотняемых порошков. Реологические модели и процессы деформирования пористых, порошковых и композиционных материалов. Киев. Наукова Думка. 1985.

21. Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко JI.A., и др. Феноменологические теории прессования порошков. Киев. Наукова думка. 1982. 140 с.

22. Перельман В.Е. Формирование порошковых материалов. М. Металлургия. 1979. 232 с.

23. Александров С.Е. Поверхности текучести пористых тел и моделирование технологических процессов в порошковой металлургии. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. д.ф.м.н. Минск. 1996.

24. Г.М. Волкогон, A.M. Дмитриев, Е.П. Добряков и др. Под общ. ред. A.M. Дмитриева, А.Г. Овчинникова. Прогрессивные технологические процессы штамповки деталей из порошков и оборудование. М.: Машиностроение. 1991. 320 с.

25. Лаптев A.M. Критерий пластичности пористых материалов. Порошковая металлургия -1982. № 7. 12-17 сс.

26. Suh N.P. A yield criterion for plastic, frictional work hardening granular materials. Int. J.Powder Met, 1969, № 1 69-76 pp.

27. Tabata Т., Masani S., Abe Y., A yield criterion for porous material and analysis of axi-symmetric compression of porous disks, Tap. Soc. Technol. Prast., 1977, № 196 pp 373-380.

28. Kuhn H.A., Downey C.L. Deformation characteristics and Plastisity theory of Sintered powder material Int J. Powder Met, 1971, № 1 15-25 pp.

29. П.А. Витязь, В.А. Шеког, B.M. Капцевич и др. Условие пластичности анизотропных высокопористых порошковых материалов. Порошковая металлургия. 1984. №9 1-5 сс.

30. Друянов БА. Вишняков JI.P., Александров С.Е. О расчетах процессов деформирования сжимаемых анизотропных тел. «Технологическая и конструкционная пластичность порошковых материалов» Киев. Наукова думка. 1988. 21-33 сс.

31. Скороход В.В. Реологические основы теории спекания. Киев. Наукова думка. 1972. 152 с.

32. Скороход В .В., Мартынова И.Ф., Штерн М.Б. Теория нелинейного вязкого и пластического поведения пористых материалов «Порошковая металлургия». 1987. №8 с. 23-30.

33. S. Shima and М. Oyane. "Plasticity Theory for Porous Metals". Inter. J.Mech. Sci, 18 (1976), 285-291.

34. R.E. Dutton, S. Shamasundar and S.L. Semilatin. "Modeling the Hot Consolidation of Ceramic and Metal Powders", Metall. Trans. A. 26A (1995).

35. D.P. Delo, R.E. Dutton, S.L. Semilatin, H.R. Pichler, Modeling of Hot Isostatic Pressing and Hot Triaxial Compaction of Ti-6AC-4V Powder. Acta mater. Vol 47. No 9. pp 2841-2852. 1999.

36. H.R. Semilatin, R.E. Dutton, S. Shamasundar. Material Modeling of Hot Consolidation Metal, Processing and Fabrication of advensed material. IV. TMS. P.A. 1996. pp. 39-56.

37. R.E. Dutton, S.L. Semilatin. The Effect of Density Anisotropy on the Yielding and Flow behavior of Partically Consolidated Powder Compacts. Metallurgical and material transaction V29A. May 1998. pp 1471 1475.

38. R.E. Dutton, S. Shamasundar and S.L. Semilatin. "Modeling the Hot Consolidating of Ceramic and Metal Powders". Metall. Trans. A. 26A (1995). pp. 2041-2051.

39. Semilatin H.R., R.E. Dutton, S. Shamasundar. Material modeling for Hot fabrication of Advanced Materials IV Edited by T.S. Srivatsan and J.J. More. The Minerals. Metals&Materials Society, 1996.

40. R.E. Dutton, R.L. Goetz, S. Shamasundar, Semilatin S.L. "The Ring Test for P/M Materials". 1998. November. Vol 120. pp. 764-769. Journal of Manufacturing S ciena and Engineering.

41. V. Seetharaman, S.M. Doraivelu and H.L. Gegel. "Plastic Deformation Behavior of Compressible Solids". J.Mat. Shaping Techn. 8 (1990) 239-248.

42. Kuhn H.A., Downey C.L. Deformation characteristics and Plastisity theory of Sintered powder material hit J. Powder Met. 1971, №1 15-25 pp.

43. Zienkievich O.C., Taylor R.L. The finite elements method. New York. Nc Graw Hill. 1977. p. 376.

44. S. Shima and M. Oyane "Plasticity Theory for Porous Metals". Inter. J. Mech. Sci, 18 (1976). 285-291.

45. R.E. Dutton, S. Shamasundar and S.L. Semilatin. "Modeling the Hot Consolidation of Ceramic and Metal Powders", Metall. Trans. A. 26A (1995).

46. Власов A.B., Селиверстов Д.Г. Определение функций пластичности порошковых материалов, применяемых при ГИП, «Исследование в области теории, технологии и оборудования штамповочного производства». Сб. научных трудов. Тул. ГУ, Тула, 1998, с. 46-49.

47. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.: Наука, 1966.

48. Понтрягин JI. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1974.

49. Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1966.

50. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Наука. М., 1973 г., 832 стр.

51. Г.Шлихтинг. Теория пограничного слоя. «Наука», Москва, 1969.

52. R.L. Coble, Appl. Phys, 1961, Vol 32, pp 787-792.

53. Scima and M. Oyane Int. J. Mech Sci: 1976, Vol 18, pp. 285-291.

54. Друянов Б.А., Самаров B.H. Уплотнение порошкового материала в неоднородном температурном поле. «Порошковая металлургия». 1989. №3.

55. V. Samarov, D. Seliverstov, Е. Kratt, G. Raisson. HIP of Complex shape parts -the way to industrial technology through modeling, capsule design and demonstrators. Proceeding of International Conference on HIP. China, 1999.

56. Самаров B.H., Крат E.H., Селиверстов Д.Г. ГИП деталей сложной формы -ключ к созданию критических узлов и компонентов из перспективных труднодеформируемых материалов. Технология легких сплавов. №3. 1996. с. 54-59.

57. Ерманюк М.З., Казберович A.M., Рыжова Н.А., и др. Проектирование и изготовление оснастки для получения порошковых никелевых крыльчаток с закрытым рабочим трактом сложной формы. Технология легких сплавов №2. 1997. с. 31-34.

58. Самаров В.Н., Селиверстов Д.Г. Эволюция и место процесса ГИП в системе представлений обработки металлов давлением. Технология легких сплавов. №4. 1999. с. 31-34.

59. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М. Металлургия. 1983. 352 с.

60. Власов А.В. Теория формоизменения и уплотнения порошковых материалов и создание на ее основе методик проектирования технологии ГИП. Дисс. на соискание ученой степени д.т.н. МГТУ им. Н.Э. Баумана. М. 2000 г.

61. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука. 1971.

62. Дьяченко В.Ф. Основные понятия вычислительной математики. М. Наука. 1972.

63. Андрущенко В.А., Холин Н.Н. Расчеты на прочность в условиях интенсивных импульсных воздействий. Расчеты на прочность. Машиностроение. 31. 1990.

64. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1975.

65. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир. 1976.

66. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М. 1982.

67. Рихтмайер Р.Д., Мортон Н. Разностные методы решения краевых задач. М. Мир. 1973.

68. Уилкин С., Френч С., Сорем М. Конечно разностная схема для решения задач, зависящих от трех пространственных координат и времени. Численные методы в механике жидкостей. М. Мир. 1975.

69. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М. Мир. 1977.

70. Ильюшин А. Л., Пластичность. Гостехиздат. 1948,

71. Goloveshkon V.A., Kazberovich A.M., Samarov V.N., Seliverstov D.G., New Regularities of the Shape-Changing of Hollow Parts During HIP, Hot Isostatic Pressing Theory and Applications ESP. London, 1992.

72. Alexandrov S.A., Extrom P., Samarov V.N., Seliverstov D.G. Capsule Design for Hot Isostatic Pressing of Complex Shape Parts, Hot Isostatic Pressing'93 Elsvier, 1994 pp 555-561.

73. Samarov V.N., Seliverstov D.G. HIP Modeling of Complex Shape Parts: Experience. Trends and Perspectives. 1994. Powder Metallurgy World Congress. Proceedings.

74. Samarov V.N. Seliverstov D.G., Kratt E. Development and manufacturing of "net shape" critical rotating parts from Ni-base superalloy. Proceedings of International Conference on Hot Isostatic Pressing. Beijing, China. 1999.

75. S.M. Doraivelu, H.L. Gegel, J.S. Cunasekera, J.C. Malas, J.N. Morgan ans J.F. Thomas, Jr., "A new Yield Functionfor Complessible P/M Materials", Inter. J. Mech, Sci., 26 (1984), 527-535.

76. Жадан В.Т., Осадчий В.А., Селиверстов Д.Г., Моделирование горячего изостатического прессования порошковых заготовок. «Известия ВУЗов». Черная металлургия. 1990. №5. с. 108.

77. Печенкин Д.В., Математическое моделирование процессов горячего деформирования при штамповке багшенных поковой, автореф. дне. На соискание уч. ст. к.т.н. М.: МИЭМ. 2001.

78. Arzt Е., Ashby M.F., Easterling К.Е., Practical application of Hot Isostatic Pressing diagrams: four case stadies. Metall. Trans. 1983, V.14A, p 211-221.

79. Анохина А.В. Напряженно деформированное состояние осесимметричного порошкового слоя при неподвижной внутренней границе. //Вопросы исследования прочности деталей машин, межвузовский сборник научных трудов, выпуск 7. МГАПИ. с. 3-5.

80. Karman Th., V. Mitt. Forshungsarb.a.d. Geb. Ingenier. Wesens. 81.1910.

81. Shenleu F. Inelastic column theory // J. Aeronaut Sci. 1947. vl4. w 5. p. 261267.

82. А. Ляв. Математическая теория упругости. ОНТИ НКТП. СССР. 1935.

83. Анохина А.В., Флакс М.Я. О влиянии условий эксперимента на поведение порошковых материалов // Новые информационные технологии. Материалы IV всероссийской научно-технической конференции- М.: МГАПИ. 2001. с.8-11.

84. Головешкин В.А., Дмитриев В.А., Флакс М.Я., Холин Н.Н. Устойчивость процесса деформации полого цилиндра // Вопросы исследования деталей машин. Выпуск 7.-Москва. 2002. с. 19-24.

85. A.V. Anohina, Y.A. Goloveshkin, A.R. Pirumov, М.J. Flaks. Modeling of HIP of Hollow Cylindric Parts With One Fixed Board. Proceedings of International Conference on Hot Isostatic Pressing. ШР'02. VILS. 2003. p. 229-233.

86. Флакс М.Я. Исследование начального этапа процесса прессования труб из порошковых материалов // Математическое моделирование и управление в сложных системах. Выпуск 5.-М.: МГАПИ. 2002. с. 90-94.

87. Флакс М.Я. Напряженно деформированное состояние на начальном этапе прессования трубы из порошкового материала // Вопросы исследования прочности деталей машин. Выпуск 8.-М.: МГАПИ. 2003. с. 56-59.

88. Головешкин В.А., Пирумов А.Р., Флакс М.Я. Особенности поведения поля скоростей в осесимметричной задаче горячего изостатического прессования // Моделирование и исследование сложных систем. Сборник трудов. Том 1.-М.: МГАПИ. 2003. с. 52-56.