Расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений элементов конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок

Миронова, Любовь Ивановна

Расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений элементов конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Миронова, Любовь Ивановна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений элементов конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок»

Автореферат диссертации на тему "Расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений элементов конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок"

На правах рукописи

Миронова Любовь Ивановна

Расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений элементов конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011

4848152

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Иванов С.Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пирадов К.А. кандидат технических наук Королев В.М. Ведущая организация - ЗАО «НТЦ «Бакор», г. Щербинка, Московская область

Защита состоится « 8 » июня 2011 г. в 13ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.137.02 в Московском государственном открытом университете по адресу: 107996 Москва, ул. П. Корчагина, д. 22; e-mail: msou@msou.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГОУ

Автореферат разосла

12011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.В. Лукашина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем современного машиностроения является проблема получения качественных литых заготовок, формообразование которых зависит от технического оснащения процесса изготовления и технологической литейной оснастки. Качество получаемых изделий существенно зависит от эксплуатационной стабильности соответствующих прессформ, под которой понимается неизменность геометрической формы и структурного состояния узлов оснастки.

Прочностная надежность, безопасность эксплуатации и ресурс работы металлических форм литья определяется в первую очередь уровнем и характером распределения температурных напряжений, возникающих под действием высоких температур при заливке жидкого металла в форму, а в некоторых случаях - и давлений вследствие взаимодействия литейного расплава с формообразующей поверхностью. Негативным результатом такого воздействия является изменение структуры поверхностного слоя материала с последующим снижением прочности, образованием микротрещин, деформирования и коробления элементов конструкции. Отсюда возникает необходимость исследования термонапряженного состояния ответственных элементов конструкций технологической оснастки с определением действительного уровня температурных напряжений при интенсивном тепловыделении в процессе формования литых заготовок, выявлением закономерностей и зависимостей распределения термонапряжений при действии предельных уровней термических нагрузок.

С учетом современных требований к качеству литых заготовок, обеспечения прочностной надежности в процессе всего срока эксплуатации элементов технологической оснастки исследование влияния температурных напряжений на прочность и эксплуатационную стабильность таких конструкций должны проводиться еще на стадии проектирования форм

литья, что в проектной практике не всегда осуществляется ввиду отсутствия адекватных расчетно-экспериментальных методов. Этим определяется актуальность настоящей работы.

Современные элементы технологической оснастки, работающие при термосиловом воздействии, представляют собой конструкции, имеющие сложную геометрическую форму с вырезами и отверстиями. Определение температурных напряжений в подобных системах представляет значительные математические трудности, поскольку необходимо учитывать широкий спектр различных совместных воздействий (силовых, температурных), свойства материала и покрытий поверхности. Одним из эффективных методов определения термонапряжений в элементах исследуемых конструкций является метод математических аналогий, широко используемый в механике деформируемого твердого тела.

Современные требования к созданию прочных и надежных конструкций с использованием в процессе проектирования адекватных расчетных моделей и соответствующих методов расчета обуславливают необходимость в разработке расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений, учитывающего как особенности геометрии, так и режимы эксплуатации металлических литейных форм.

В связи с этим разработка расчетно-экспериментальных методов и дальнейшее развитие адекватных математических моделей, позволяющих исследовать термонапряженное состояние элементов технологической оснастки, обусловленное как внутренним тепловыделением в процессе формования отливки, так и внешним термосиловым воздействием в технологиях литья, представляет собой актуальную проблему механики деформируемого твердого тела.

Целью работы является разработка расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений, возникающих в элементах конструкций технологической оснастки литейного производства под действием высоких температур с учетом геометрических особенностей в

виде вырезов и отверстий различной формы. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

- проведено математическое обоснование расчетно-экспериментального метода определения термонапряжений в элементах конструкций оснастки на основе использования математических аналогий в механике деформируемого твердого тела;

- реализован экспериментальный метод определения термонапряжений в элементах оснастки с учетом реальной конструкции на основе статико-геометрической и пластиночной аналогий;

- проведена оптимизация конструктивных схем технологической оснастки на основе полученных результатов исследования;

- разработаны и практически внедрены рекомендации по снижению уровня температурных напряжений с возможностью их управления в элементах конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок.

Научная новизна результатов работы настоящей работы заключается в следующем:

- разработана методика экспериментального определения температурных напряжений в аналоговых моделях реальных конструкций и осуществлено моделирование термонапряженного состояния узлов технологической оснастки литейного производства на основе статико-геометрической и пластиночной аналогий механики деформируемого твердого тела;

- предложена критериальная оценка термонапряженного состояния реальной конструкции литейной формы при термосиловом нагружении, основанная на анализе особенностей термонапряженного состояния, обусловленного как внутренним тепловыделением, так и внешним силовым воздействием;

- выработаны практические предложения по оптимизации геометрической формы оснастки, позволяющие снижать уровень возникающих температурных напряжений.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью математического моделирования температурных напряжений с использованием математических аналогий, основных законов и положений механики деформируемого твердого тела. Обоснованность результатов диссертационной работы гарантируют строгость математических формулировок исходных положений, проверка с использованием тестовых примеров, а также хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов исследования.

Практическая ценность и внедрение результатов. Проведенные исследования термонапряженного состояния элементов конструкций технологической оснастки и анализ возникающих термических напряжений позволяют выявлять опасные сечения в элементах конструкций на стадии проектирования литейной оснастки и регулировать уровень температурных напряжений за счет изменения геометрии конструкций, что приводит к существенному увеличению эксплуатационного ресурса.

Результаты исследований внедрены в проектной практике заинтересованных организаций, что подтверждено двумя актами внедрения с предприятий: 1. ОАО «Подольский электромеханический завод специального машиностроения», г. Подольск. 2. ООО «Компания Корд», п. Львовский, Подольский район.

На защиту выносятся: расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений в элементах конструкций технологической оснастки литейного производства;

-экспериментальная реализация математических аналогий в механике деформируемого твердого тела для моделирования термонапряжений в технологической оснастке с учетом реальных конструктивных схем; - расчетно-экспериментальная методика выбора оптимальной формы узлов технологической оснастки в зависимости от температурного и силового воздействий в процессе получения литых изделий;

- практические рекомендации по увеличению ресурса эксплуатации узлов оснастки при сохранении качества получаемых изделий литейного производства.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: 1. XV Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2008 г. 2. XVI Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2009 г. 3. XVII Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2010 г. 4. X Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. С-Петербург, 2009г. 5. X Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Дагомыс, 2009 г. 6. Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», г. Москва,

2009 г. 7. XX Петербургские чтения по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2010 г. 8. V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», г. Москва, 2010 г. 9. XI Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Кисловодск, 2010 г. 10. VI Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», г. Сочи,

2010 г. 11. XI Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Дагомыс, 2010 г. 12. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, включая 14 статей, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 141 листе машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, 53 рисунков, 21 таблицы, списка литературы из 99 наименований и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов проведенных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована основная цель работы, кратко представлены содержание диссертации, сведения о ее апробации и основных публикациях по ее теме, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрены основные конструктивные схемы и условия эксплуатации элементов конструкций технологической оснастки литейного производства. Показано, что ресурс эксплуатации технологической оснастки определяется уровнем и характером распределения температурных напряжений при взаимодействии расплавленного металла с поверхностью прессформ. В табл. 1 приведены данные о температурах заливки некоторых сплавов конкретных видов литья.

Таблица 1. Исходные значения температуры заливаемых сплавов в формы литья

Сплавы Температура заливки сплава в форму, "С Вид литья Начальная температура формы, "С

Силуминовые сплавы

АК 12 ГОСТ 1583-93 600 лпд 200

АК 7ч ГОСТ 1583-93 620 лпд 220

АК 12 ГОСТ 1583-93 650 Ж 250

АК 7ч ГОСТ 1583-93 680 лнд 250

Меаноцинковые сплавы

Латунь ЛС59-1Л ГОСТ 15527 870 + 980 ЛПД, Ж 250 + 280

Латунь ЛК80-ЗЛ 1000 цл 320

Бронза Бр.АЖ9-4 1100 лнд 320

Бронза Бр.ОЦЮ-2 1200 АЛ 320

Высокий уровень температуры заливки жидкого расплава обуславливает возникновение внутренних температурных напряжений в деталях технологической оснастки, при этом особенности геометрической формы элементов конструкций в виде различных вырезов и отверстий приводят к высоким термическим градиентам. Определение температурных полей и термонапряжений в рассматриваемых системах представляют существенные математические трудности. Одним из эффективных методов решения задач такого класса в механике деформируемого твердого тела является метод статико-геометрической аналогии, в котором используются уравнения

прикладной теории упругости - стержней, пластин и оболочек. В диссертации проведена классификация элементов оснастки с выделением геометрических особенностей в виде вырезов, отверстий различной формы, перепадов толщин и т.д. Некоторые конструктивные схемы исследуемых конструкций представлены на рис.1.

Брус прямоугольного поперечного сечения с

центральным отверстием (обоймы для крепления пуансонов и матриц)

Оболочечные конструкции (матрицы, пуансоны, оформляющие знаки)

Рис.1. Обобщенные конструктивные схемы

Определение термонапряженного состояния весьма важно для прогнозирования и оптимизации конструкций металлических форм литья в условиях реальной эксплуатации. Из этого вытекает актуальность разработки расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений в элементах конструкций технологической оснастки с использованием математических аналогий в механике деформируемою твердого тела.

Вторая глава диссертации посвящена расчету температурных полей и градиентов температур, возникающих в элементах конструкций литейной оснастки в процессе формования литых заготовок, методами теплопроводности. Результаты решения этих задач являются исходными для определения температурных напряжений методами статико-геометрической и пластиночной аналогий. Получено решение температурной задачи в конструкции при тепловыделении в системе «жидкий сплав - твердая корка-матрица - охлаждающая среда» на основе численного метода расчета остывания отливки в металлической форме. Для исследования использовался

конечно элементный программный комплекс АИБУБ. Расчеты проводятся для материала заготовки из сплава АК7ч при свободной заливке расплава в металлическую форму (матрицу) с водяным охлаждением и без него. Материалы матрицы: жаростойкая сталь 4Х5МФ1С и чугун СЧ 20. Заготовка принята цилиндрической формы с размерами 0150x80 мм, толщина матрицы - 40мм. Задача решалась в одномерной постановке с нахождением симметричного температурного поля в цилиндре, когда температура изменяется в радиальном направлении. В начальный момент времени расплав залит в форму и имеет всюду постоянную температуру // = а для граничных условий полагается, что радиус твердой корки меняется от 0 до некоторого значения. Каждый слой тепловой цепочки характеризуется своим температурным полем, которое определяется из решения нестационарного уравнения теплопроводности

где Т - температура, рк - радиус твердой корки, Т- время, Хт - коэффициент теплопроводности сплава, Ст,Уг - теплоемкость и плотность твердого сплава. Краевые условия формируются на границе каждого слоя. Считается, что на каждой границе раздела сред температуры и тепловые потоки той и другой среды равны. Решение уравнения (1) проводится для каждой составной части теплового процесса, характеризующего своими коэффициентами теплопроводности и теплоотдачи. Расчет производится при следующих параметрах: температура ликвидуса сплава - 640°С, температура солидуса -578°С, перегрев расплава - 50°С; охлаждающая среда - вода. На рис. 2, 3 приводятся график распределения температурного поля в исследуемой цепочке при толщине твердой корки 40 мм (рис. 2) и график зависимости распределения градиента температуры (рис.3). Зависимости I и Ш получены для матрицы из стали 4Х5МФ1С без охлаждения и с водяным охлаждением соответственно, кривая П - из чугуна СЧ 20 без охлаждения. В результате установлено, что наибольший температурный градиент возникает в

(1)

материале оснастки на границе «твердая корка - матрица», он существенно зависит от условий теплообмена. Высокий уровень возникающих термонапряжений способствует деградации свойств материала оснастки вплоть до образования приповерхностных очагов разрушения. Отсюда непосредственно вытекает задача выбора системы охлаждения, которая обеспечивала бы приемлемый уровень возникающих термонапряжений, не снижая производительность технологического процесса получения литых изделий.

Л Т/ЛЬ, °С/мм __

Л ./

Жидкий Корка Кг

сплав

ЯГч

Матрица

,5'

115 Ь,мм

Жидкий Коржя

спаяв V \

\ \

А \

\ \

5 7 Матрица г I

Рис.2. Температурное поле «жидкий сплав - твердая корка - матрица -охлаждающая среда» при толщине твердой корки 40мм.

Ь^ал

Рис.3. Распределение температурного градиента в системе «жидкий сплав -твердая корка - матриц - охлаждающая среда» при толщине твердой корки 40мм.

Для решения задачи о выборе материала формообразующих деталей оснастки и их теплоизоляционных покрытий было проведено исследование влияния неоднородного распределения температуры на изменение формы конструкции в условиях различного теплообмена на основе сочетания методов теплопроводности и термоупругости. Рассматривается общий случай, когда матрица нагревается по одной стороне за счет заполнения нагретого до некоторой температуры материала и принудительного охлаждения с другой стороны. В качестве расчетной модели используется пластина в условии плоского напряженного состояния. Принимаются

следующие положения: материал пластины деформируется упруго, а его свойства постоянны. Условно нагреваемая поверхность названа «активной», а охлаждаемая - «пассивной» (рис.4).

РисА.Расчетная схема коробления плоской пластины

Исследуются два варианта нагрева активной поверхности пластины: нагрев постоянным тепловым потоком q = const, и - конвективным тепловым потоком а = const. В обоих случаях считается, что «пассивная» поверхность пластины охлаждается конвективно. Перепад температуры по толщине пластины приводит к появлению изгибающего температурного момента

А/2

M = Ear \T(y)ydy, (2)

-ft/2

где Е - модуль упругости, ат - коэффициент температуропроводности, h -толщина пластины, Т(у) - распределение температуры по координате, отсчитанной от срединной поверхности пластины. Соответствующий радиус

кривизны коробления пластины определяется из выражения Р = тщ ■

Величина температурного коробления при относительно малых короблений считается равной

W=—, (3)

8 р'

где V - коэффициент Пуассона, / -протяженность пластины. Рассматриваются две стадии теплообмена: 1 стадия - процесс нагрева активной поверхности; 2 стадия - процесс, когда сказывается влияние принудительного охлаждения. Прогиб пластины определялся выражением из соотношений (2) и (3), приведенным к виду

„т*&*Е.]П2х-Н)Ъ (4)

при q = const

1 стадия теплообмена 2 стадия теплообмена

16Я * 8Л

при а = const

1 стадия теплообмена 2 стадия теплообмена

3arfc-ToXl-vya.T ц.' ^ аТ(Тс -rjl-v)/2 4 h2Cy " 8 h

Для качественного анализа и количественной оценки коробления пластины из различных материалов используются критерии температурного коробления пластины (КТК), предложенные Ю.П. Котельниковым. Относительный прогиб определяется соотношением

(5)

где Фр - режимный фактор; Ктк - КТК. Некоторые критерии приведены в таблице 2, где приняты следующие обозначения тР - время прогрева некоторого слоя толщины пластины А,- при hj < h; Tg - время прогрева всей толщины пластины при hj = h; КЛ; Kj - КТК, зависящие от теплообмена; Тс -температура среды; То - начальная температура; индексы а и я относятся к активной и пассивной поверхностям пластины. Получены приближенные формулы определения прогиба пластины в зависимости от безразмерных параметров температурной задачи (критерии F& Bi). Проведенные

исследования позволяют строить графические зависимости и выбирать материалы для формообразующих поверхностей оснастки (рис.5,6,7).

Таблица 2. Вид критериев температурного коробления пластины и режимного фактора при различных условиях теплообмена.__

Теплообмен Стадия Критерий температурного коробления (КТК) Режимный фактор (Фр)

Постоянный тепловой поток q=const Конец первой стадии Тр= тк >5 II 16 wM я12

Стационарное состояние г-*» (1 - v)aT Ч?

Конвективный тепловой поток a=const Конец первой стадии Bi„-)0 к, 8Аи>„ аЛК-TJ2

Big— К, — . 1 (i-vR 8 hwM (Tc-TJl2

Стационарное состояние к, 8 (a„-a„)w„ (Тс-Т.)аЛ12

Bin-*» к, 84» (Tc-T0)l2

А-Лai

Ъ-10ш

Ь-15ыы

Wjim

Wjai

Щмм

ИОг 2

(

8 12

4 S 12 Рис.5. Прогиб пластины при q = const. Кривая 1 при Oj7 = 1150; Кривая 2 при cm = 2300; Кривая 3 при ал = 4600; Кривая 4 при ал = 9200; Кривая 5 при ап = 23000 Вт/м2 "С;

Показано, что при стационарном теплообмене, прогиб пластины не зависит от ее толщины (рис.5), а определяется ее протяженностью. В случае конвективного теплообмена прогиб пластины зависит от ее толщины (рис.6).

Ь"5мм

Ь-10мы

b-lSuM

Wjat

8 12

S 12

r,cat

Puc.6. Прогиб пластины при tt= const. Кривая 1 при ctn = 1150; Кривая 2 при an = 2300; Кривая 3 при «л = 4600; Кривая 4 при an = 9200; Кривая 5 при ап= 23000 Вт/м2 <С;

КсЮ

1000 1500 Т°с

1 ■5

Рис. 7. Зависимость критериев температурного коробления некоторых материалов от температуры: а - для критерия Кл, б-для критерия Кс; 1 - вольфрам; 2 -хромовольфрамовый сплав марки ЗХ2В8; 3 - графит марки ПРОГ-2400, 4 - окись бериллия; 5 - сталь 10; 6 - нержавеющая сталь марки XI8Н9

В результате исследования установлено, что наименьшему короблению подвергается конструкция, выполненная из вольфрама, который не используется в качестве материала оформляющих поверхностей оснастки. Для этих целей интересен хромовольфрамовый сплав марки ЗХ2В8, однако он достаточно дорогой по цене и применение его оправдано только в массовом производстве. При кратковременном нагреве коробление облицовки из окиси бериллия относительно невелико, поэтому этот материал используется специалистами в качестве защитного покрытия формообразующих, выполненных из легирующей стали 4Х5МФ1С и чугуна при литье в кокиль и низкого давления.

Установленные в диссертации закономерности по режимам охлаждения и свойствам используемых материалов позволяют предложить практически реализуемые рекомендации по выбору материала оснастки, их теплоизоляционных покрытий и условий теплового нагружения в процессе получения конкретных изделий литейного производства. При этом основной вклад в нарушение эксплуатационной стабильности технологической оснастки вносят температурные напряжения, обусловленные как внутренним тепловыделением, так и возникающими температурными полями в сочетании с внешними силовыми воздействиями. Аналитические решения задач такого класса связаны со значительными трудностями математического характера. Отсюда возникает необходимость в разработке расчетно-экспериментального метода определения термонапряжений, учитывающего как геометрические особенности исследуемых объектов, так и условия их эксплуатации. Некоторыми их таких эффективных методов являются статико-геометрическая и пластиночная аналогии.

В третьей главе диссертации разрабатывается расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений в реальных конструкциях оснастки на основе статико-геометрической и пластиночной аналогий. Приводится обоснование принятой методологии для экспериментального моделирования термонапряженного состояния рассматриваемых конструктивных схем.

Статико-геометрическая аналогия позволяет моделировать температурные напряжения в сложных элементах конструкций технологической оснастки оболочечного типа с различными отверстиями. Достоинством такой аналогии является то, что термоупругие напряжения можно определять на изотермической модели за счет ее силового нагружения, эквивалентного температурному воздействию. В табл. 3 приведены уравнения термоупругой и статической задач оболочек, устанавливающие математическую аналогию, где приняты следующие обозначения: Т - нормальные тангенциальные усилия; 5 - сдвигающие моменты; б - изгибные моменты; Н - крутящие

моменты; N - перерезывающие усилия; ех,ег,ео - тангенциальные деформации; - изгибные деформации, - деформации от усилий,

и - перемещения по координатам а,/?,т}\ Я = {-п,уг#} - углы поворота; К = {а,Ь,с} - функции напряжений от моментов; - функции

напряжений от усилий.

Таблица 3. Основные соотношения термоупругой и статической задач оболочек

№ п/п Уравнения термоупругости оболочек Уравнения статики оболочек

1 Уравнения равновесия Уравнение неразрывности

2 Уравнение неразрывности Ц-Хг-Х^е^г М = Ч, Уравнение равновесия ¿((Т1,Г2,5,С1>02,Я)=р/£Л/),

3 Соотношения упругости 2ЕЛ3 , ч и ~ 3{\-угуХхз+УХи'' Н =-{2ЕН?/3(1+У))Т Соотношения упругости г=(3(1+у)/2£й3)Я

4 Деформации - перемещения Усилия - функции напряжения

5 Усилия - функции напряжения (аЛс) Деформации - перемещения

6 Граничные условия ЛГ = £ = 0 наГ0, АГ = АГ° + - г0на Г, Условия однозначности перемещения <1х,ж = 0, Г, =0 г, эп 1, =ЪШ5, Граничные условия и=а, =0 наГ0, и = - [й,г - г, ]а, = О на Г, Силы и момента, приложенные к жесткому включению: г, Г, м ^{[г-г^ + С,,^, Г,

Рассматривается оболочка с отверстиями, внешние Го и внутренние Г, границы которой свободны от усилий и моментов (рис. 8).

Рис.8. Статико-геометрическая аналогия оболочки и модели Особое внимание уделяется граничным условиям термоупругой и механической задачам. Свободному краю исследуемой оболочки соответствует жесткое защемление модели, и соответственно, жесткому защемлению оболочки отвечает свободный край модели.

В диссертации разработана оригинальная методика экспериментального моделирования температурных напряжений в натурной конструкции формообразующей поверхности пуансона, имеющей форму пологой оболочки с отверстием под толкатель и границами, свободными от внешних воздействий, на изготовленной изотермической модели (рис.9). Формообразующая поверхность пуансона Изотермическая модель

Рис. 9. Натурная конструкция и изотермическая модель отливки формообразующей пуансона: а - аналоговая модель, б - монтажная схема установки тензодатчиков

Модель выполнена из оргстекла, жестко защемлена по внешнему контуру, имеет абсолютно жесткие невесомые включения, моделирующие свободные от нагрузок отверстия, что позволяет обеспечивать строгое геометрическое

подобие. Произволен выбор рабочих формул для нагружения модели механическими нагрузками (табл. 4), эквивалентными действию

температурного поля.

Таблица 4. Рабочие формулы определения эквивалентных механических нагрузок

Распределенные нагрузки Сосредоточенные нагрузки

pn=-Ephplp{llRiT)+UR?%-, Щ,г=-Ер>гр1р{\1^У)ет1да1т1 P'W^XrV-^nys.i

Температурные напряжения для исследуемой оболочки определялись по формулам, предложенным С.Д. Ивановым в модельных задачах статико-геометрической аналогии.

»u = (ЕТ'т/4Ат)[-А(<2 +«й)+з(<2 -«û)ll g

= {Ет1т / Ч- )[" + еи )-3(<, - е", )\J

1 h

где k=-£-!- ; I , h - характерный размер и толщина модельной оболочки; 1Т и

lThj.

hj - исследуемой оболочки.

В ходе модельного эксперимента модель-оболочка (рис.9) была нагружена равномерным давлением р=0,04МПа, сосредоточенными силой Рмж> = 2кГи моментом Muas = ЗкГс-см, приложенных к жестким включениям. Осуществлялись измерение деформаций е*2 и е[2 на внутренней и внешней поверхности модели соответственно и пересчет их в температурные напряжения. Деформации определялись замером при помощи тензодатчиков под действием на модель механических нагрузок, соответствующих равномерному нагреву наружных Т* и внутренних Т~ волокон. Подсчитанные по формулам (6) температурные напряжения при k =1 представлены на рис. 10.

Из графиков видно, что внешняя поверхность оболочки испытывает растягивающие температурные напряжения (кольцевые и радиальные), внутренняя поверхность наоборот - сжимающие. Наиболее опасным

сечением в исследуемой конструкции будут сечения, проходящие от центра отверстий к внешнему контуру оболочки.

/ --- К

V 4 5°

Радиальные температурные напряжения

1- внешняя поверхность оболочки

2 " внутренняя поверхность оболочки Кольцевые температурные напряжения

/ — — —. — внешняя поверхность оболочки 2--— — внутренняя поверхность оболочки

Радиальные температурные напряжения

- внешняя поверхность оболочки

внутренняя поверхность оболочки

Кольцевые температурные напряжения

1----внешняя поверхность оболочки

2 — — — — внутренняя поверхность оболочки

Рис. 10. Распределение температурных напряжений свободного по контуру сферического сегмента от перепада температур по толщине оболочки при погружении: а -распределенной нагрузкой; б - сосредоточенными силами и моментами

Результаты экспериментального исследования термоупругой задачи дают картину термоупругого деформированного состояния исследуемого объекта в жестко защемленном сферическом сегменте. Это позволяет выбирать оптимальную толщину элемента конструкции еще на стадии проектирования.

Исследованы темрмонапряжения в призматических изделиях различной формы, поскольку они являются наиболее распространенными элементами основных узлов литейной оснастки. Для определения температурных напряжений в подобных системах используется частный случай статико-геометрической аналогии - пластиночная аналогия. Рассматриваются односвязная и многосвязная области. Сущность метода определения

термонапряжений заключается в идентичности математических

формулировок плоской задачи термоупругости в брусе и задачи изгиба

пластины при одинаковых граничных условиях. Уравнение

теплопроводности используется в следующем виде

1 ЭГ б л З2 Э2 ^"эГ к,где (7)

Граничные условия на границе соответствуют теплообмену закона

Ньютона (конвективный способ передачи тепла) -г—+ й(г - Т )= 0, при

оп

т/=0=0. Уравнение для функции напряжения (функции Эри) в плоской

термоупругой задаче (односвязная область) приводится в виде

ссЕ Э/**

-ДГ=0, =0 на внешнем контуре, (8)

(1—V) дп

(нагрузки на брус не приложены). Компоненты тензора напряжения

определяются выражениями

д2Р _ ££_

ду- ' а" дх2 ' ~дхду '

где п - поверхность тела.

Функция прогиба жестко защемленной по внешнему контуру пластины

идентичной геометрии также подчиняется бигармоническому уравнению

а г а г а г

д21у = р(х' У) > (у _ = о на внешнем контуре, (10)

й дп

где W - функция прогиба пластины, р(х,у) - распределенная нагрузка, £> -жесткость пластины.

Бигармоническое уравнение для функции Эри и прогиба пластины математически эквивалентны вместе с граничными условиями. Отсюда определяются компоненты тензора термонапряжений

Э21У Э21У д2\У ,11ч

где х " коэффициент обеспечения размерности соответствующих функций Приводятся рабочие формулы эквивалентных механических нагрузок и формулы пересчета температурных напряжений.

Распределенная нагрузка Температурные напряжения

. . с& 1 этл..,,

2 Р

а = — е--

' Л » Р.

Лт* т1 37- у//

где —»-1——---—; т!',т!!,..т" - температура соответствующих

а Дп м ¿5

точек с координатами хь ус, х - масштабный коэффициент; в - размерный

коэффициент 9=1/см2, К - коэффициент теплопроводности.

Указанное положение справедливо и для многосвязной области. К

граничным условиям на внешнем контуре добавляются граничные

ап

условия на внутренних контурах

^ . ЭР дх , ду

где к=1,2..Л, а, Ъ, с - произвольные постоянные, определяемые

интегральными выражениями из условия однозначности перемещений

относительно л, V и углов поворота ю*. Граничные условия нагружения

пластины многосвязной области аналогичны

, Эм» й* . Эу

^=а,х+Ь,у+сс, (13)

ап ап ап

Это означает, что жестко защемленная по контуру модельная пластина должна иметь невесомые жесткие включения, имитирующие отверстия или вырезы натурного объекта.

Приводятся результаты модельных экспериментов по определению температурных напряжений в реальной конструкции формы литья под давлением - детали «обойма» (рис. 11), выполненной из стали 45 (Е = =19,7x10* МПа, а=1,23х10'5сС1, V = 0,28). Изготовленная изотермическая модель из оргстекла с коэффициентом подобия к=1 защемлена в жестких

фланцах из стали 3 (рис.14). Схема расстановки тензодатчиков приведена на рис. 11-6.

т т \т

Мк-0

Рис. 11. Моделирование температурных напряжений в детали «обойма»: а - схема расположения точек замера температуры; б - схема эксперимента

В модельном эксперименте внутренние контуры модельной пластины

нагружаются распределенной нагрузкой, жесткие включения

сосредоточенными силами и моментами в соответствии с условиями

Митчелла термоупругой задачи (табл.5).

Таблица 5. Рабочие формулы для определения эквивалентных механических нагрузок для

многосвязной области

Распределенная нагрузка Сосредоточенная нагрузка и моменты к жестким включениям

■ . . с& г(й \ ЪТЛ^и Р = -аЕ<Г1х-' Г—Л * дп

Главные температурные напряжения определяются по формуле

у/кг9

б(1-и2)

(14)

Нагружение рабочего поля модели пластины осуществлялось равномерной нагрузкой интенсивностью Р(х,у>мод = 0,4 кГс/см2, сосредоточенной нагрузкой Рмод = 15кГсосредоточенного момента Мм(И) = ЮкГссм, относительно оси X. Масштабные коэффициенты определялись в

соответствии с расчетными значениями механических нагрузок к модельным: кР= 705,6/15 =47; к^у)= 10,2/0,4 =25,5; км- 595,1/10 =59,5.

Измеренные главные деформации с помощью тензометрической аппаратуры пересчитывались в температурные напряжения по формуле (13). Эпюры деформаций и температурных напряжений приведены на рис. 12, 13. Фотографии моделей приведены на рис.14.

по сечению А-А

еу

по сечению Б-Б

н ■3 1 Г

( 1 i,

'S 7 \

■ погружение Рм • погружение р^

■ погружение Р . погружение

■ погружение

Рис. 12. Эпюры деформаций е„ еу от погружения Рмы* Р(ху)мы> по сечениям А-А, Б-Б

по сечению Б-Б

Jay ( МПа)

по сечению А-А

Jpx(ma)

\ /

7 § /2 14

\ г

\ i у

Рис. 13. Эпюры температурных напряжений по сечениям А-А, Б-Б

а б

Рис. 14. Фотографии изотермических моделей в модельных экспериментах; а - модель статико-геометрической аналогии, б - модель пластиночной аналогии

В четвертой главе диссертационной работы проводится комплексный анализ всех действующих нагрузок на формообразующие элементы во время запрессовки жидкого металла и формования заготовки при литье под давлением. Результаты модельного эксперимента детали «обойма» дополняются расчетами действительных силовых нагрузок. Принимаются следующие исходные данные для расчетов: диаметр прессующего поршня 40 мм, усилие прессования по техпроцессу 10 кН (рис. 15).

'е

И IX 8}

„ 39» к

Рис. 15. Исходные данные к расчету: а - чертеж детали «обойма», б - расчетная схема, в - эпюры силовых факторов

В результате решения задачи получена расчетная формула момента в сечениях при х = 12!2

^Л-е 2 1,2

Оптимальная толщина в обойме определяется из условия прочности а<,[а]. Расчетные значения напряжения соответствуют: 0с =oD = 1,8МПа; ае = 0; Ощ =0тах =3,2МПа.

Результирующие напряжения в следствие термосилового нагружения детали «обойма» определяются на основе принципа суперпозиции, который справедлив в линейной теории упругости и термоупругости. Соответствующее распределение напряжений от совместных нагрузок приведено на рис. 16. Качественная картина самоуравновешенных температурных напряжений в исследуемой конструкции представлена на рис. 17.

по сечению А-А

о2 (МПа)

Рис. 1 б.Распределение напряжений по сечению А-А от термосилового воздействия

Характер распределения термонапряжений выявляют два опасных сечения, соответствующих зоне сжимающих напряжений и растягивающих напряжений, что приводит к образованию микротрещин в зоне 1 и прогибу в зоне 2 (рис.17). При циклическом воздействии развиваются макроскопические трещины и появляются зазоры между элементами оснастки, вследствие чего нарушается геометрическая форма литой заготовки и резко снижается эксплуатационный ресурс оснастки.

Рис.П.Распределение температурных напряжений в обойме, возникающих в процессе формования литой заготовки; зоны 1 и2- зоны сжимающих и растягивающих

напряжений

В диссертации разработаны и предложены практические критерии, позволяющие оптимизировать геометрическую форму элементов конструкций оснастки: критерий интенсивности напряжений (Ки критерии режимного фактора (КРФ). Критерий интенсивности напряжений оценивает соотношение экстремальных термосиловых напряжений к номинальным напряжениям, действующих по длине элемента конструкции и определяется

где озг - коэффициент концентрации напряжений, / - длина элемента конструкции. Критерии режимного фактора оценивают режимы технологического процесса изготовления литой заготовки. Они состоят из нескольких составляющих Кп , К0 , Кт . Критерий Кп зависит от значений

усилия прессования, диаметра прессующего поршня, и определяется по р

формуле Кп = 1.2738 ч* . К0 определяет наличие охлаждения, Кт -его

^поршня

отсутствие. Графическая зависимость разработанных критериев приведена на рис. 18. Отчетливо видно, что характер равномерного распределения нагрузки нарушается в местах изменения геометрической формы исследуемой детали и существенно зависит от условий теплообмена.

Рис. 18. Графики зависимости критерия интенсивности напряжений от режимных факторов; кривая 1 соответствует Капри Ко, Кц=7,%; кривая 2 соответствует К„при Кт, Кп=11,94 ; кривая 3 соответствует КаприКТ, Кп=7,96;

Выявленная закономерность появления температурных напряжений позволяет выработать практические рекомендации по их снижению и

регулированию в технологическом процессе. На основе проведенных исследований предложены методики выбора характерных размеров элементов конструкций оснастки, используемых материалов и условий теплообмена, некоторые из них приведены в табл. 6.

Таблица 6. Выбор характерных размеров некоторых элементов конструкций форм литья

№

Конструктивная схема

Соотношения характерных размеров

•ч!

- >

¡1, мм ЯлиюЛШ (1, мм НталММ

16 120 36 250

22 150 40 280

24 180 45 300

28 200 48 320

32 220 50 350

а, мм И, мм ЫххЬН

200...400 30...50 6,8x6,8

400...600 50...70 7,2x7,2

600...800 50...70 7,8x7,8

600...800 70...90 7,6x7,6

Таким образом, разработанный расчетно-экспериментальный метод определения термонапряженного состояния элементов конструкций технологической оснастки позволил с приемлемой для практических целей точности оптимизировать конструкцию, материал и условия эксплуатации оснастки в процессе изготовления литых изделий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан и практически реализован расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений, позволяющий на основе статико -геометрической и пластиночной аналогий исследовать напряженно-деформированное состояние элементов литейной технологической оснастки, обусловленное как внутренним тепловыделением в процессе литья, так и

внешним силовым воздействием с учетом геометрических особенностей конструкций в виде вырезов и отверстий различной формы.

2. На основе разработанной математической модели теплового процесса формообразования отливки в металлической матрице исследованы особенности распределения температурного градиента в зависимости от физико-механических свойств матрицы, геометрических параметров, и условий теплообмена, определены оптимальные режимы теплообмена, повышающие качество и точность литых изделий путем снижения максимального уровня термонапряжений.

3. Получено новое аналитическое решение задачи о распределении температурных полей и градиентов, обусловленных тепловым процессом формообразования литой заготовки, на основе которого выбраны эквивалентные соотношения для силовых факторов в реализуемом варианте метода статико-геометрической аналогии.

5. Предложены критерии температурного коробления элементов оснастки в виде пластины с различными покрытиями, основанные на зависимости изгибающего температурного момента от действия градиентов температур в рассматриваемых тепловых процессах, и выработаны практические предложения по выбору материала оснастки и их теплоизоляционных покрытий, минимизирующие относительный прогиб пластины. Установлено, что оптимальным с точки зрения напряженного состояния является покрытие из окиси бериллия, обеспечивающее минимальный прогиб формообразующих поверхностей оснастки.

6. Для экспериментального моделирования термонапряженного состояния в натурных оболочечных и призматических деталях оснастки с вырезами и отверстиями проведено уточнение расчетных формул аналоговых механических нагрузок, эквивалентных действию температурного поля.

напряжений в элементах конструкций технологической оснастки на изотермических моделях.

8. На основе предложенных практических критериев оценки термонапряженного состояния - критерия интенсивности напряжений и критериев режимных факторов технологического процесса литья, установлены закономерности изменения термонапряженного состояния деталей технологической оснастки в местах изменения геометрической формы при термосиловом воздействии, что позволило определить опасные сечения в разрабатываемых конструкциях еще на стадии проектирования литейных форм.

9. На основе разработанного расчетно-экспериментального метода определения термонапряжений в элементах конструкций технологической оснастки проведены исследования особенностей распределения температурных напряжений и выработаны практические предложения для снижения и регулирования их уровня за счет оптимизации геометрической формы конструкций с сохранением прочностных свойств и повышения эксплуатационного ресурса металлических литейных форм. Это позволило снизить металлоемкость форм литья не менее чем на 8+10%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ

СТАТЬЯХ:

1. Иванов С. Д., Миронова Л Л. Температурные напряжения и деформации днища и стенки оснастки формования заготовки. - Проблемы машиностроения и автоматизации. №4,2006, с.84-90 (перечень ВАК РФ).

2. Миронова Л.И., Иванов A.C. Расчет температурного поля формообразующих частей прессформ в процессе формования литой заготовки. -Проблемы машиностроения и автоматизации. №1,2007, с. 110-114 (перечень ВАК РФ).

3. Иванов С.Д., Миронова Л.И., Ковалев В.И. Оценка температурного коробления плоской пластины при различных условиях теплообмена. -

Проблемы машиностроения и автоматизации. №2, 2007, с.118-120 (перечень ВАК РФ).

4. Миронова Л.И., Иванов A.C., Ковалев В.И. Оценка тепловых условий и термических напряжений затвердевания заготовки. - Проблемы машиностроения и автоматизации. №3,2007, с.75-77 (перечень ВАК РФ).

5. Иванов С.Д., Миронова Л.И. Лазерный интерферометрический метод определения остаточных напряжений. - Проблемы машиностроения и автоматизации. №3,2007, с.100-102 (перечень ВАК РФ).

6. Миронова Л.И., Иванов С.Д., Куликов В.Г. Аналитический критерий оценки материалов технологической литейной оснастки при различных условиях теплообмена. - Проблемы машиностроения и автоматизации. №4, 2008, с.86-88 (перечень ВАК РФ).

7. Миронова Л.И., Иванов A.C. К вопросу о выборе оптимальных размеров элементов конструкций форм литья. - Проблемы машиностроения и автоматизации. №2,2009, с.70-73 (перечень ВАК РФ).

8. Миронова Л.И. Температурные поля в матрице переменной толщины при изготовлении изделий методом литья. - Проблемы машиностроения и автоматизации. №3,2009, с.101-103 (перечень ВАК РФ).

9. Иванов С.Д., Миронова Л.И. Температурные поля в опорной плите при изготовлении изделий методом литья. - Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 16, выпуск 2, 2009, с.339 (перечень ВАК РФ).

10. Иванов A.C., Миронова Л.И. Моделирование температурного изгиба пластины. - Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 16, выпуск 4,2009, с. 1069-1070 (перечень ВАК РФ, 1303).

11. Миронова Л.И. Исследование остаточных напряжений в литых биметаллических конструкциях формообразующих литейной оснастки. -Проблемы машиностроения и автоматизации. №1, 2010, с. 107-108 (перечень ВАК РФ).

12. Иванов A.C., Миронова JI.И. Математическое обоснование эксперимента для определения функции напряжений в плоской задаче термоупругости. -Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 17, выпуск 2, 2010, с.268-269 (перечень ВАК РФ).

13. Миронова Л.И., Ковалев В.И. Коэффициент интенсивности напряжений в структурно-неоднородных материалах. - Проблемы машиностроения и автоматизации. №3,2010, с.97-99 (перечень ВАК РФ).

14. Иванов A.C., Миронова Л.И., Челяпина О.И. Математические аналогии для определения внутренних напряжений в плоской задаче термоупругости.

- Обозрение прикладной и промышленной математики. Том 17, выпуск 4, 2010, с.558-559 (перечень ВАК РФ).

15. Миронова Л.И., Иванов A.C. Специальные стенды лазерной спекл-интерферометрии для уточнения формул пересчета остаточных напряжений.

- Труды XV международного семинара «Технологические проблемы прочности». Москва, МГОУ, 2008, с.99-105.

16. Иванов С.Д., Миронова Л.И. Оптимальные размеры элементов конструкций форм литья. - Труды XVI международного семинара «Технологические проблемы прочности». Москва, МГОУ, 2009, с.125-132.

17. Иванов A.C., Миронова Л.И. Особенности разрушения биметаллических элементов конструкций. - Сборник материалов «XX Петербургские чтения по проблемам прочности». Санкт-Петербург, 2010, с.186-188.

18. Миронова Л.И. Расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений элементов конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок. - Труды XVII международного семинара «Технологические проблемы прочности». Москва, МГОУ, 2010, с.133-135.

Усл. печ. л. 1,76. Тираж 100 экз. Заказ №218К. Издательство Московского государственного открытого университета. 107996, Москва, ул. Павла Корчагина, д.22 Типография МГОУ

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Миронова, Любовь Ивановна

Введение.

Глава I. Постановка задачи. Обзор и, анализ работ, посвященных исследованию термонапряженного состояния элементов конструкций технологической оснастки в процессе литья.

§ 1.1. Краткий исторический обзор ранее проведенных исследований термонапряженного состояния элементов конструкций литейных форм.:.;.

§ 1.2. Элементы конструкций, материалы и условия эксплуатации технологической оснастки литейного производства.

§ 1.3. Обобщение конструктивных схем технологической оснастки.

§ 1.4. Цели и задачи исследований.

Глава II. Методы теплопроводности и термоупругости для анализа работоспособности технологической оснастки.

§ 2.1. Тепловые процессы в элементах оснастки.

§ 2.2. Методы расчета температурных полей с учетом особенностей конструктивных схем.

§2.3. Температурные поля и градиенты температур в исследуемых конструктивных схемах.

§ 2.4. Термомеханика элементов конструкций технологической оснастки.

Глава Ш. Определение температурных напряжений в элементах конструкций на основе математических аналогий механики деформируемого твердого тела.

§ 3.1. Моделирование термонапряженного состояния многосвязных оболочечных элементов конструкций оснастки методом статико-геометрической аналогии.

§3.2. Практическая реализация метода пластиночной аналогии при определении температурных напряжений в элементах технологической оснастки.

§3.3. Термонапряженное состояние призматических изделий сложной формы.;.

Глава IV. Экспериментальные исследования и практические рекомендации по оптимальному проектированию элементов конструкций технологической оснастки.

§4.1. Конструктивные схемы опытных образцов и промышленных изделий.

§4.2. Комплексные расчетно-экспериментальные исследования элементов конструкций технологической оснастки.

Введение диссертация по механике, на тему "Расчетно-экспериментальный метод определения температурных напряжений элементов конструкций технологической оснастки в процессе формования литых заготовок"

Задачи о температурных напряжениях возникают в машиностроении, авиации,, металлургии, строительстве, и других областях, где вопросы прочности; связанные с температурными» воздействиями могут, иметь, большое значение: Особое внимание этим вопросам-, уделяется? в. заготовительном производстве, а именно в литейном производстве. Получение качественных литых заготовок неразрывно связано с качеством технологической оснастки (формы литья, пресс-формы, кокили и т.д.), в которых они оформляются.

Качество получаемых изделий существенно зависит от эксплуатационной стабильности соответствующих прессформ, под которой понимается неизменность геометрической формы и структурного состояния узлов оснастки. Нарушение эксплуатационных параметров элементов оснастки обусловлено взаимодействием расплавленного металла с поверхностью* форм литья. Конечным результатом такого взаимодействия является изменение структуры поверхностного слоя материала с последующим снижением прочности, предела текучести, образования микротрещин. При этом степень деградации материала оснастки определяется уровнем и характером распределения температурных напряжений, определение которых весьма важно для прогнозирования поведения элементов оснастки в технологиях изготовления литых заготовок.

Вопросы оптимальной конструкции оснастки, ее эксплуатационной стойкости, являются составной частью формирования себестоимости изготовления заготовок. Высокие цены- на металл, энергоносители и высокопроизводительное металлорежущее оборудование не позволяют изготавливать дешевую технологическую оснастку в литейном производстве, вследствие чего доля литых заготовок в машиностроении стремительно падает. Замена литых заготовок на детали, выполненные только механической обработкой, неоправданно увеличивает вес изделия, его габаритные размеры, ухудшает товарный вид, что приводит к снижению конкурентной способности отечественных разработок [26]. Рис. 1 наглядно демонстрирует обозначенную проблему.

Рис. 1. Доля литых заготовок на предприятиях с серийным выпуском продукции. Сектор 1-детали, выполненные только механической обработкой (75%), сектор 2 -заготовки выполненные литьем в землю (14%), сектор 3 - заготовки, выполненные другими способами литья (0,5%), сектор 4 — заготовки, выполненные кокильным литьем (5%), сектор 5 - заготовки, выполненные литьем под давлением (4%), сектор 6 - заготовки, выполненные литьем под низким давлением (1,5%)

Снижению затрат на изготовление технологической оснастки способствуют выбор ее оптимальной конструкции в сочетании с обеспечением прочности и эксплуатационной стойкости, применение современных технологий проектирования и изготовления.

Возникающие циклические температурные напряжения и деформации в процессе заливки жидкого сплава, дальнейшей его кристаллизации оказывают негативное воздействие на поверхность и структуру формообразующих поверхностей форм литья [3, 9, 58, 95, 97]. После определенного количества запрессовок в наиболее напряженном, поверхностном слое формообразующих происходит зарождение и дальнейшее развитие трещин термической усталости материала вследствие перегрева отдельных элементов пресс-форм до температур пластической деформации [7]. При этом происходят структурные изменения в элементах конструкции, приводящие к снижению прочности и предела текучести [35, 44]. Параллельно с этим в элементах конструкции возникают перемещения (деформации), вызванные изменениями температуры, которые негативно влияют на относительное положение отдельных частей всего агрегата [4, 8, 65].

Отсутствие расчетов^ температурных напряжений и деформаций в формообразующих при проектировании форм литья; оптимизации-конструкции технологической оснастки с учетом^ ее; напряженно-деформируемого состояния приводят к необоснованному завышению габаритных размеров пресс-форм, снижению эксплуатационной стойкости оснастки, и как правило, к большим материальным затратам в процессе их изготовления и эксплуатации.

Конструктивные схемы деталей технологической оснастки представляют собой оболочечные и призматические элементы, перфорированные отверстиями и вырезами различной формы. Определение температурных напряжений в подобных системах представляет значительные математические трудности [85, 96, 97]. Использование численных методов (математического эксперимента) не достигает поставленной цели, поскольку необходимо учитывать широкий спектр различных совместных воздействий (силовых, температурных), а также их геометрические и физические нелинейности. Поэтому возникает настоятельная необходимость в разработке расчетно-экспериментального метода определения термонапряжений в элементах конструкций технологической оснастки с использованием метода математических аналогий, широко используемого в механике деформируемого твердого тела. Возможности управления термонапряженным состоянием позволяет продлить эксплуатационный ресурс форм литья с обеспечением высокого качества литых изделий. Отсюда непосредственно вытекает актуальность темы диссертационной работы.

Не остаются без внимания вопросы качества литых заготовок и отработки технологии литья и оборудования, которыми занимаются ведущие научно-исследовательские коллективы в нашей стране [10]. Однако резкое снижение финансирования в этой области привело к сокращению производства изготовления» литых заготовок методами литья под давлением, низким давлением, кокильного литья. Ведущие позиции в мировом лидерстве в этой области занимают японские, немецкие и китайские производители. Так, например,* холдинг «INDUS HOLDING-AG Bergisch Gladbach» (Германия) ежегодно*проектирует и изготовляет более 500 единиц технологической оснастки литья под давлением, кокильного литья и прочего литейного инструмента, применяя современные средства автоматизированного проектирования и изготовления. Российские проектировщики в большинстве случаев не могут использовать эти технологии, т.к. они очень дорогие.

Поэтому в настоящий момент назрела острая необходимость разрабатывать отечественные программы автоматизированного проектирования литейной оснастки [82]. Используя огромный накопленный опыт проектирования и изготовления в этой области, возможно создавать оптимизированные конструкции форм литья, более экономичные в изготовлении и эксплуатации в сравнение с зарубежными аналогами, сохраняя при этом их достаточную прочность и надежность, а также высокое качество формирующих в них литых заготовок.

Современные требования к созданию прочных и надежных конструкций с использованием в процессе проектирования адекватных расчетных моделей и соответствующих методов расчета обуславливают необходимость в разработке расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений, учитывающего как особенности геометрии, так и режимов эксплуатации металлических литейных форм.

В связи с этим разработка расчетно-экспериментальных методов и дальнейшее развитие адекватных математических моделей, позволяющих исследовать термонапряженное состояние элементов технологической оснастки, обусловленное как внутренним! тепловыделением в процессе формования- отливки, так и внешним, термосиловым воздействием в технологиях литья, представляет собой актуальную проблему механики деформируемого твердого тела.

Исследование термонапряженного состояния ответственных деталей и узлов литейных металлических форм методами статико-геометрической и пластиночной* аналогий, является развивающимся подразделом механики < деформируемого твердого тела.

Рассмотренные в диссертации возможности экспериментального моделирования температурных напряжений в элементах конструкций технологической оснастки литейного производства с привлечением математических аналогий механики деформируемого твердого тела являются актуальными и представляют прикладной и научный интерес. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов (заключения), списка литературы из 99 источников, и приложения, в которых представлены результаты практического внедрения проведенных исследований. Объем диссертации изложен на 141 странице, включает 53 рисунка и 21 таблицу.

Заключение диссертации по теме "Механика деформируемого твердого тела"

Основные выводы диссертационной работы

1. Разработан и практически реализован расчетно-экспериментальный метод определения-температурных напряжений, позволяющий на. основе статико — геометрической, и пластиночной^ аналогий исследовать напряженно-деформированное состояние элементов литейной-технологической оснастки, обусловленное как внутренним тепловыделением, в процессе литья, так и внешним силовым воздействием с учетом геометрических особенностей конструкций в виде вырезов и отверстий различной формы.

6. Для экспериментального моделирования'термонапряженного состояния в натурных оболочечных и призматических деталях оснастки с вырезами и отверстиями проведено* уточнение расчетных формул аналоговых механических нагрузок, эквивалентных действию температурного поля.

7. Для случая, когда непосредственное измерение температурных деформаций невозможно в силу особенностей технологического процесса литья, разработан оригинальный способ определения температурных напряжений в элементах конструкций технологической оснастки на изотермических моделях.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Миронова, Любовь Ивановна, Москва

1. Абрамов В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах. - М.: Металлургия. 1974 г.

2. Акимов 1Г.А. Некоторые аналитико-численные методы решения краевых задач строительной механики. М.: Ассоциация строительных вузов, 2004, 200 с.

3. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. Кристаллизация в литейной форме. М.: Машиностроение, 1973, 287.

4. Белоусов H.H. Состояние и перспективы развития прогрессивных способов литья цветных сплавов. НТС Вопросы оборонной техники, серия XVI, выпуск 70, с. 3-8.

5. Биргер И.А. Стержни, пластины, оболочки. М.: Физматлит, 1992, 392 с.

6. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963, 232 с.

7. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. Пер. с англ. -М.: Мир, 1964,517 с.

8. Болотин В.В. Объединенные модели в механике разрушения. Изв. АН СССР, МТТ, 1984, №3, с.127-137.

9. Борисовский В.Г. Анализ коэффициентов интенсивности напряжений в колеблющейся пластине с трещиной* методом конечных элементов, ПММ, 1979, №4, с.764-768.

10. Бычков Ю.Б., Золоторевский В.С, Баланаева H.A., Кожанов В.А., Селезнев Л.П. Изменения в ГОСТ 1583-73 «Сплавы алюминиевые литейные в чушках». Литейное производство, № 3,1987, с.10-12.

11. Власов Н.М:, Егоров B.C., Колесов B.C., Федик И.И. Аналогия плоской задачи термоупругости с изгибом пластины. Сборник "Математические методы и физико-механические поля". Киев: Наукова Думка, 1979, № 10, с.90-98.

12. Власов* Н.М., Иванов С.Д., Колесов B.C. Распространение метода пластинчатой аналогии на задачи термоупругости для тел с включениями.

13. Сборник «Тепловые напряжения в элементах конструкций». Вып. 14, -Киев: Наукова Думка, 1974, с.91-94.

14. Власов Н.М., Колесов B.C., Федик И:И. Об одном методе решения упругопластических задач. Сборник «Математические методы и физико-механические поля». Киев: Наукова Думка, 1975, №1, с.208-210.

15. Гейтвуд Б.Е. «Температурные напряжения» (перевод с английского), ГИИЛ, 1959.

16. Голованов А.И., Бережной Д.В. Метод конечных элементов в механике деформируемых твердых тел. Казань: Из-во «ДАС», 2002, 300 с.

17. Григоренко Я.М., Гуляев В.И. Нелинейные задачи теории оболочек и методы их решения (обзор). Прикладная механика, 1991, 27, №10, с.3-23.

18. Давиденков H.H. Струнный метод измерения деформаций. Труды физ. мат. ин-та. Под общей редакцией Иоффе. M-JL: Гостехиздат, 60с.

19. Деч. Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа. М.: Наука, 1965, 287с.

20. Иванов A.C., Пахомов A.M., Никулин A.A., Булычев A.A. Определение технологических температурных напряжений в керамических изделиях, ослабленных вырезами различной формы. Проблемы машиностроения и автоматизации, 2001, №2, с.53-56.

21. Иванов A.C. Определение термопрочности керамических изделий на основе их предельных состояний. Москва: МГОУ, 2007.

22. Иванов A.C., Миронова Л.И. Моделирование температурного изгиба пластины. Материалы X Всероссийского Симпозиума по прикладной математике. Обозрение прикладной и промышленной математики, том 16, выпуск 2, 2009.

23. Иванов С.Д., Рыбалкин П.Т., Бегер Д.В. Пластиночная модель термоупругости цилиндрического тела криволинейной анизотропии. ВАНТ, сер. Строительство, 1976, № 1, с.96-99.

24. Иванов С.Д. Актуальные задачи моделирования технологических и температурных напряжений. Москва: МГОУ, 1995,271сf

25. Иванов С.Д:, Рыков B.C. Комплексное исследование термонапряженного состояния! и его регулирование в деталях и элементах конструкций. Москва: МГОУ, 2005.

26. Иванов С.Д., Миронова- Л.И. Температурные напряжения* и деформации днища и стенки оснастки формования заготовки. Проблемы машиностроения и автоматизации, №4, 2006, с.84-90.

27. Иванов С.Д., Миронова Л.И., Ковалев В:И. Оценка температурного коробления плоской пластины при различных условиях теплообмена. Проблемы машиностроения и автоматизации, №2, 2007, с. 118-120.

28. Иванов С.Д., Миронова Л.И. Лазерный интерферометрический метод определения остаточных напряжений. Проблемы машиностроения и автоматизации», №3, 2007.

29. Иванов С.Д., Миронова Л.И. Температурные поля в опорной плите при изготовлении изделий методом литья. Материалы X Всероссийскогоt

30. Симпозиума по прикладной математике. Обозрение прикладной ипромышленной математики, том-16, выпуск 2, 2009, с.339.

31. Иванов. С.Д., Миронова Л.И., Ковалев В.И. Интеллектуальные материалы и методы исследования их упругих свойств. Материалы Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы». Москва: МГОУ 2009,532с.

32. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М.: МГУ, 1990, 310 с.

33. Касаткин Б.С., Лобанов Л.М. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. Справочное пособие. Киев: Наукова думка, 1981, 276с.

34. Касаткин Б.С., Лобанов Л.М., Ткачук Г.И. Исследование поляризационно-оптическим методом напряженного состояния круговых швов на плоскости. Автоматическая сварка, 1970, №12, 40-42с.

35. Кит Г.С., Кривцун М.Г. Плоские задачи термоупругости для тел с трещинами. Киев: Наукова Думка, 1992,216 с.

36. Китель Ч, Найт В., Рудерман М. Механика. Пер. с англ., М.: Наука, 1983,447с.

37. Коваленко А.Д. Введение в термоупругость. Киев: Наукова думка, 1965г.

38. Коваленко А.Д. Основы термоупругости. — Киев: Наукова Думка; 1970, 180 с.

39. Колманок A.C. Расчет пластин. Справочное пособие. Москва 1959г.

40. Колтунов М.А., Кравчук A.C., Майборода В.П. Прикладная механика деформируемого твердого тела. М.: Высшая школа, 1983, 349 с.

41. Коренев В.Г. Задачи теории теплопроводности и термоупругости (решения в бесселевых функциях). М.: Наука, 1980,400с.

42. Косевич A.M. Основы механики кристаллической решетки. М.: Наука, 1972, 277с.

43. Котельников Ю.П. Об оценках термостойкости хрупких материалов. Вопросы обороны и техники, научно-технический сборник, серия XVI, выпуск 68,1975.

44. Кристиан Дж. Теория фазовых превращений в металлах и сплавах, часть I. Пер. с англ. М.: Мир, 1978, 806 с.

45. Ланин А.Г., Федик И.И. Термопрочность материалов. Подольск, НИИ НПО «Луч», 2005, 309 с.

46. Лахтин Ю.М., В.П. Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: «Машиностроение», 1980.

47. Лебедев H.H. Температурные напряжения в теории упругости. Л.-М.: ОНТИ, главная редакция технико-теоретической литературы 1937,110с.

48. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970, 949 с.

49. Лыков» A.B. Теория теплопроводности. М.: «Высшая школа», 1967, 599с.,

50. Майзель В.М. Температурная задача теории упругости. Киев: (институт строительной механики) изд. АН УССР, 1951,192с.

51. Машины литья под давлением. ГОСТ 17588-81. Размеры присоединительные для крепления пресс-форм.51*. Машины литья5 под давлением. ГОСТ 15595-70. Основные технические характеристики и размеры.

52. Мелан Е, Паркус Г. Температурные напряжения,- вызываемые температурными полями (перевод с немецкого). ГИФМЛ, 1958.

53. Метод фотоупругости в 3-х томах. Под редакцией Хесина Г.А., Стрельчука H.A. М.: Стройиздат, 1975.

54. Миронова Л.И., Иванов A.C. Расчет температурного поля формообразующих частей прессформ в процессе формования литой заготовки. Проблемы машиностроения и автоматизации, №1, 2007, с. 110-114.

55. Миронова Л.И., Иванов A.C., Ковалев BiH. Оценка тепловых условий и термических напряжений затвердевания заготовки. Проблемы машиностроения и автоматизации, №3, 2007, с.75-77.

56. Миронова Л.И., Иванов С.Д., Куликов В.Г. Аналитический критерий оценки материалов технологической' литейной оснастки при различных условиях теплообмена. Проблемы машиностроения и автоматизации, №4, 2008, с.86-88.

57. Миронова, A.C. Иванов. К вопросу о выборе оптимальных размеров элементов конструкций форм литья. Проблемы машиностроения и автоматизации, №2, 2009, с.70-73.

58. Миронова Л.И. Температурные поля в матрице переменной толщины при изготовлении изделий методом литья. //Проблемы машиностроения и автоматизации, №3,2009, с.101-103.

59. Миронова Л.И. Исследование остаточных напряжений в литых биметаллических конструкциях формообразующих литейной оснастки. Проблемы машиностроения и автоматизации, №1, 2010.

60. Мусхелишвили Н. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. Основные уравнения. Плоская задача кручение и изгиб. Л.: 1933, 381с.

61. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. -М.: Машиностроение, 1974, 344с.

62. Неймарк Б.Е. «Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике», М., 1967г.

63. Новожилов В.В;, Кадошевич Ю.И. Микронапряжения в конструкционных материалах. М.: Машиностроение,* 1990, 223 с.

64. Норр Д., Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. Пер. с англ., М.: Мир, 1981, 304 с.

65. Огибалов П.М. Изгиб, устойчивость и колебания пластинок. М.: Из-во МГУ, 1958, 386с.

66. Орлов А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М.: Высшая школа, 1983,144с.

67. Осадчук В.А. Напряженно-деформированное состояние и, предельное равновесие оболочек с разрезами. Киев: Наукова Думка, 1985, 224 с.

68. Отливки фасонные из цветных сплавов, изготовляемые под всесторонним газовым давлением. Технологический процесс. РТМ 3-35872.

69. Панов Д.Ю. Справочник по численному решению дифференциальных уравнений в частных производных. Изд.5. Гостехиздат, 1951.

70. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. Пер. с немецкого. М.: Физматгиз, 1963, 251 с.

71. Партон В.В., Борисовский В.Г. Динамика хрупкого разрушения. М.: Машиностроение, 1988,237 с.

72. Партой В.В:, Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. Mi: Наука, 1985, 504 с.

73. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел. С-Петербург: Профессия, 2002, 300с.

74. Пригоровский Н.И. Напряжения и деформации в деталях и узлах машин. М.: Гос. комитет. Издательство машиностроительной литературы, 1961, 564с.

75. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. Справочник. М.: Машиностроение, 1983, 248с.

76. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966, 752с.

77. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988,712 с.

78. Росс Л.Л. Аналогия термоупругости с задачами о жестко заделанной пластинке. Пер. с англ. Теоретические основы инженерных расчетов, 1965, 85D, № 4, с.121-128.

79. Рыбалкин Т.П., Иванов С.Д., Чернышев Г.Н. Термическая обработка электроплавленных огнеупоров. М.: Металлургия, 1981

80. Саченков А.В., Тимербаев P.M. Статико-геометрическая аналогия в механике деформируемого твердого тела. Сб. Исследования по теории пластин и оболочек. Казань, 1989г., №21, с. 3-4.

81. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. ГОСТ 1583-93.

82. Тимофеев Г.Н., Григорьев С.П. Анализ конструкций металлических форм для. автоматизированного ^ проектирования. //Литейное: производство//, №5,1988, с. 26,27.

83. Тараторин- Б.И. Прочность конструкций атомных станций. — М.: Энергоатомиздат,1989.

84. Тимашенко С.П., Войновский-Кригер Ci Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966^ 635с.

85. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория^ упругости. Пер. с англ. М.: Наука; 1979, 560 с.

86. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1966,724с.

87. Уманский Я.С., СкаковТО.Н: Физика металлов. Ml: Атомиздат, 1978, 350 с.

88. Фарлоу С. Уравнения с частными? производными для научных работников и инженеров. Пер. с англ. М.: Мир, 1985, 381с.

89. Федик И.И., Колесов B.C., Михайлов В.Н. Температурные поля и термонапряжения в ядерных реакторах. М.: Энергоатомиздат, 1985, 278 с.

90. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. — Киев: Буд1вельник, 1970, 308с.

91. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974, 640с.

92. Чернышев Г.Н., Попов A.JL, Козинцев В.М., Пономарев И.И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука,1996, 239 с. ,I

93. Юрченко Ю.Б. Системы автоматического регулирования температуры металлических форм. //Литейное производство//, №2,1987г., с.27-30.

94. Vlasov N., Fedik I. Modelling of Grain Boundaries Contact in Metals. Simposium on Computational Methods in Contakt Mechanics, Springer, 2007, pp. 333-339.

95. Povstenko Y.Z. Thermoelasticity which uses fractional heat conduction equation. Математические методы и физико-механические поля. Львов, 2008, 51, №2, с.239-246.

96. Schmitt N., Burr A., Berthaud Y., Poirier J. Micromechanics applied to the thermal shock behavior of refractory ceramics. Mech. Mater., 2002, vol. 34, №11, pp. 725-747.

97. Fedik I., Vlasov N. Simulation of material fracture in the filed of thermal stresses. Journal of Thermal Stresses, 32, 2009; pp. 755-767.

98. Открытое акционерное общество

99. Использование результатов диссертационной работы Мироновой Л.Й. позволяет оптимизировать габаритные размеры форм литья с целью уменьшения материалоемкости и снижения себестоимости их изготовления.

100. Внедрение полученных результатов позволило увеличить эксплуатационный ресурс форм литья, что положительно сказывается на качестве литейных заготовок.1. Главный инженер

101. Главный технолог Заслуженный машиност

102. Начальник литейно-термического комплекса1. В.В. Игнаткин1. А.Е. Силаев1. С.А. Демин

103. Общество с ограниченной ответственностью1. Компания «КОРД»1. ООО «Компания «КОРД») .

104. Результаты проведенных исследований по разработанным методикам определения температурных напряжений и рекомендации выбора оптимальных размеров элементов конструкций используются в проектировании форм литья.

105. Внедрение полученных результатов позволило увеличить эксплуатационный ресурс форм литья, что положительно сказывается на качестве литейных заготовок.