Разработка методов расчета тяжелых прессов с составной станиной скрепленной обмоткой тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Государственна комитет СССР по народному образованна

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и

ордена Трудового Красного Знамени . государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

На правах рукописи

ФЕДСРС8 Андрей Александрович

Ш 539.3:621.979

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЯШЫХ ПРЕСС® С СОСТАВНОЙ СТАНИНОЙ СКРЕЩЕННОЙ ОШОТКОЙ

01.02.06. - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степзни ■ кандидата технических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете имени Н.Э.Баумана.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ВДЦЕШАН В.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

■ лро<р. ПОПСВ Б.Г.

кандидат технических наук, доцент ЕИСЛИК А.Я.

Ведущее предприятие - указано в решении Совета.

Защита диссертации состоится "2.3" НОЯБРЯ 1990 г. в //4.30ч. на заседании специализированного Совета Д 053.15.08 при Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу! 107005 Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5. ,

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПУ имени Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан "_"_;__ 1990 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА

Х.Т.Н.ДОЦЕНТ ГГ/^'П**) В.В.ДУБИНИН

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. .Типография МПУ им. Н.Э.Баумана Л-15393 Подп. к печати 2I.05.S0. Заказ &5С/

ОБЩАЯ XAPAKlir.?IDTJKA РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспективным способом получения крупногабаритных деталей из высоко прочного листового материала является штамповка эластично!, сгодой (ШЭС). К преимуществам способа относятся: быстрое изготовление инструмента, талое время запуска з производство, высокое качество деталей, особенно верхней поверхности, возможность опробования материалов разной толщины в одном и том же инструменте, возможность получения поднутреншй при использовании составного инструмента, работа без ударных нагрузок, отсутствие трудоемких шабровочных работ, сокращение количества переходов формовки при меньшей стоимости инструмента и деталей.

Комплекс научно-исследовательских и проектно-конструкторс-ких работ, выполненных во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургического машиностроения (ВНИИметмаш), на Коломенском СТО а других предприятиях позволил создать мощные гидравлические прессы для ШЭС усилием до 600 МН и технологическим давлением эластичной среды до 100 МПа. Это создало условия для широкого и эффективного применения таких высокопрочных материалов, как нержавеющие стали, специальные вязкие. стали и титановые сплавы.

ШЭС традиционно используется на авиационных заводах для изготовления опытных образцов листовых деталей и партий до 12 тысяч штук. При этом экономится до 90% стоимости инструмента и материала. Сегодня крупные автомобильные фирмы Западной Европы, США и Японии также используют мощные прессы для ШЭС для получения прототипов и малых серий деталей. Первой была фирма BA1W(Ф?Т), на заводе которой с 1966 г. работает пресс усилием 1060 МН, поставленный фирмой ASEA (Швеция), которая изготовила также для фирмы WLVD (Швеция) в 1988 г. пресс усилием. 909 МН.

Уже сегодня отечественной промышленности требуются прессы усилием превышающим 1000 МН. Определяющее значение при создании столь мощных прессов имеет прочность конструкций. Поэтому задача создания надежных и эффективных методик прочностных расчетов актуальна.

Цель работы. Целью диссертационной работы является:

I) разработка методов прочностного расчета составной ста-

ниш плунжерного пресса для штамповки эластичной подушкой с у-.етом взаимодействия ригеля, арки к пакета обмотки. Анализ в-чияння основных параметров конструкции и схом нагружения прессов.

2) разработка методов прочностного расчета составной ста-;г^ны пресса для штамповки эластичной диафрагмой с ум:том взаимодействия траверсы, кольца и скрепляющей обмотки. Анализ капряже:шо-дефор;лированного состояния наиболее ответственной детали-кольца.

Научная новизна. Разработана методика поэтапного прочностного расчета конструкции станины плунжерного пресса. Впервые решена задача контакта ригеля и арки пресса. Использован мето;' граничных элементов (МГЗ). На основе супэрэлементного подхода разработана эффективная методика, позволяющая рассчитывать зависимость распределения усилий на границе контакта от ос-. новных конструктивных параметров и схем нагружения прессов. Впервые учтено упругое воздействий пакета скрепляющей обмогкй.

Разработана методика прочностного расчета конструкции станины.,диафрагмон; ого пресса. Впервые решена задача контакта траверсы и кольца пресса, причем для траверсы использован МГЭ. а для кольца с обмоткой метод конечных элементов (МКЭ). Впервые учтено проскальзывание витков пакета обмотки. Разработан аффективный единый итерационный алгоритм совместного решения задачи контакта и задачи проскальзывания.

Проведен анализ напряженно-деформированного состояния элементов станин прессов.

Достоверность результатов исследования подтвервдена чис-¿■«гшаши экспериментами по оценке сходимости и точности разработанных алгоритмов, решением тестовых задач, а также - срав-даильным анализом расчетных результатов с полученными экспе-' риме!гтальны1ш данными.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследования позволяют рациональным образом подходить к проектированию прессов (путем анализа влияния основных конструктивных параметров и схем нагружения прессов на напряженно-де-формированнсл состояние наиболее ответственных элементов конструкций), значительно сократить время и объем экспериментальных исследований, улучшить эксплуатационные характеристики действующих пр: ;;соб. Рассчитаны ¿азсвьи. .талинн прессов

о

■ плунжерного и дка^рагкэнного .'ипсм. "е'гоги"П расчета и составленные на их основе ЭВМ-программы передали в ШО ВНИНмРтмаш для практического использования.

Апробация работа. В хода выполнения диссертационной работы результаты исследования докладав;ш:оь на конференции молодых ученых и специалистов конструкторскс-маханкческого факультета ГЖГУ им. Н.Э.Баумана (декабрь 1986 г.), на Ж Всесоюзной сколе-семинаре "Методы конечных и граничных элементов в строительной механике" в г.Усть-Нарза (май 1Э87 г.), на Х1У Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов КГЕ-Л Aîï УССР в г.Харькове (апрель 1988 г.), на конференции молодых ■ ученых и специалистов факультета "Робототехника и комплексная автоматизация" ЖГУ ил. Н.Э.Баумана (май 1988 г.), на научном семинаре кафадры "Сопротивление материалов и динамика и прочность машин" МГТУ км. Н.З.Баумана (ноябрь 1985 г., ноябрь 1987 г., ноябрь 1988 г., ноябрь 1989 г., март 1990 г.).

Публикации. По результата*.? диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела с основными результатами ц выводами по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на I9Ï странице, включая 65 рисунков. Библиография насчитывает 140 наименований. Приложения занимают 27 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш, содержатся сведения о технологическом процессе ШЗС, показаны перспективы использования мощных прессов для ШЭС. Отмечается, что перспективным методом сокращения габаритов и металлоемкости машин, снижения их стоимости и повышения надежности, обладающим к:-рокши возможностями по управлению напрдаанно-деформирован-ншл состоянием конструкции, является замена монолитных базовых деталей крупных машин много элементными составными предварительно над ряже ннымн конструкциями. Особенно эффективным является скрепление конструкций путем обмотки их натятгутой высокопрочной стальной лентой. Наиболее ярко преимущества этого метода проявились в скрепленных обмоткой конструкциях прессов для ШЭС, накбольпий вклад в теоретическое обоснопа-

3

к;-; л внедрение которых принадлежит Л.Д.Гол.и1ну и А.Н.Курови-

Сформирована цель работа, ее научная ковгона и практическая ценность.

В первой главе отражено создание, ислользооштп и перспек-| ивы развития тяжелых прессов для ШЭС. Рассматривался вопросы применения в конструкциях прессов окрепло таге обшткой составных станин.

Зтотзая глава посвящена разработке методов расчета составной станины пресса для штамповки эластичной подушкой. Приводится обзор проведенных ранее исследований прочности таких конструкций.

Перспективная конструктивная схема плунжерного пресса (рио. I) была принята за базовую и на ее оонове спроектированы прессы усилием 45, 120 , 240, 400 МН. Здесь использована многоэлементная предварительно напряженная станина, состоящая из арок I и стоек 2, скрепленных высокопрочной лентой 3. Контейнер с эластичной средой 4 расположен в верхнем ригеле 5, а рабочий цилиндр б установлен на. нижнем 7.

Наиболее ответственной деталью пресса является ригель-контейнер. Он взаимодействует с аркой (при сборке между ригелем п аркой возникает технологический зазор). Зона возможного контакта ригеля и арки велика; поэтому распределение контакт. лцх усилий определяющим образом сказывается на налряжекно-де-формцрованном состоянии ригеля-контейнера. Для определения контактных усилий и их зависимости от геометрии деталей необходимо решение контактной задачи. Априорные оценки закона .^определения контактных усилий невозможны, так как при отоль значительной зоне возможного контакта даже малые изменения гесмотрин контактирующих тел или внешней нагрузки могут принеси к к существенному перераспределению контактных усилий. Ранее в расчетах контактная задача не рассматривалась.

Волглой вклад в разработку и развитие современной теории и аналитических методов решения задач контактного взаимодействия внесли советские ученые В.М.Александров, Н.И.Мусхелишви-ли, Л.А.Гак;г;1, Г.Я.Попов, Р.В.Рвачев, Д.И.Шерман и др., и за''',/ рубежные - М.?"бер, Р.Д.Мивдлин, К.Джонсон и др. Разработан-^ ные ими аналити -!скиэ методы позволяют успешно решать прик-/ ладные контактные задачи. Ко ограничения и допущения на усло-4

бея взаимодействия контактирующих тел, особенности конструкций, свойства материалов, а также сложность математического аппарата ограничивают практическое применение аналитических решений. Значительный прогресс в решении контактных задач связан с использованием численных методов, в частности ЫКЭ и МГЭ. Особенно эффективным в решении задач контакта оказывается МГЭ. 1ЛГЭ - это метод решения краевых задач для дкфферещи-альных уравнений в частных производных, появившийся в результате сочетания идей теории потенциала с методами современной теории аппроксимации. Своими теоретическими основами МГЭ восходит к работам советских ученых: С.Г.Михлина, Н.М.Гюнтера, И.Д.Купрадзе и др. Дальнейшим развитием ГЛГЭ в СССР занимались Б.З.Партон, П.И.Парлин, В.Ю.Верюжскгй, Н.Ы.Хуторянский, А.Я. Александров, М.И.Лазарев, А.И.Цсйтлин, Л.Г.Петросян и др. Значительный вклад в развитие и,особенно, популяризацию МГЭ . внесли зарубежные ученые: С.ВгеббСа, ЯК.&алегуее, Т С zirse и др.

Решением контактных задач МГЭ в. СССР активно занимаются А.Н.Подгорный и Г.Л.Хавин, развившге оригинальный и удобный суперэле.ментный подход. Большой вклад внесли также зарубежныо ученые: T.Jlndezsson , &. Fzedzc/i sson , £. G. J {¿an --Pezsson, F.Peiís, J.A. 3a£?r S/.J-JtSduf-Mihse^J./CazQ/ni.

Для расчета примем схему плоского напряженного состояния, Причем по симметрии (рис. I) будем рассматривать четвертую часть станины пресса и сопрягаемую с ней половину ригеля. Равномерная нагрузка ^ от эластичной подушки может быть расп-' редолена на различных высотах h (в зависимости от вида штампуемых изделий). Глубина полости ригеля d также может быть различной.

Напряженно-деформированное состояние арки и стойки складывается из двух составляющих: от предварительной затяжки обмоткой и от рабочей нагрузки. Технология изготовления конструкции такова, что вначале происходит затяжка обмоткой, а потом по выверенным размерам деформированной арки изготазлизапт ригель. Таким образом, напряженно-деформированное состояние ригеля обусловлено только рабочей нагрузкой. Вследствие этого воздействия затяжки и рабочей нагрузки рассчитываются отдельно. Методика расчета напряженно-деформированного состояния арки и стойки от затяжки обмоткой разработана pairee Л.Д.Голь-

ííam.M. Рассматриваем действие рабочей нагрузки. Расчет целесообразно проводить в деа этапа. IIa первом МГЭ рассчитываем контактное взаимодействие ригеля и арки. IIa втором этапа, используя полученное решение, проводил подробный анализ напряженно-деформированного состояния конструкции.

Границы ригеля и арки-стойки разделим на части (рис. 2). Границу ригеля на Ш, Г12, ИЗ и П4. Границу арки-стойки на Г21, Г22, Г23 и Г24. Граница П1-Г21 - граница возможного контакта ригеля и арки. Граница Г23 - граница взаимодействия арки и пакета обмотки. Согласно МГЭ дая ригеля мокло записать:

[Fp]íU„U,zUtiU/ltf-L&rlít1f t,z 4 t„}T, (I) ГД0 CFpJ, L&f1 - известные матрицы, a ÍUM¡... {U„},{¿„} •••} - перемещения и усилия узлов границ ГИ,...,П4, соответственно. Используем линейные граничные элементы. В утло-вых точках и в точках разрыва внешней нагрузки ^ используем двойные узлы. Угловой узел границы Г11 ригеля К закрепляем в вертикальном направлении, чтобы избежать яестких перемещений ригеля. Собираем неизвестные компоненты векторов {U„} и /tH} слева в (I) и учитываем: I) на границе Г12 запрещены горизонтальные смещения, а вертикальные усилия'равны нулю; 2)/tf¡j = tyLtii] t где Í ff}} - направляющие косинусы внутренней нормали в узлах границы ПЗ; 3) {t/V}s¿7. Переходя к полярным координатам (tut) на грагаще Г11 míe ем:

где Lfc/f] и £ВД - известие матрицы.

• Действуя аналогичным образом для- арки-стойки и переходя к полярным координатам на границах Г21 и Г23, тлеем:

lü¿ni}-[^m2,7i} (3)

где ÍR.^1, ÍFLiil, LR-sf], ÍR3¡] - известные матрицы. Вертикальные паремещэния узлов границы Г21 отсчитыватося относительно вертикального перемещения узла арки, соответствующего узлу закрепления ригеля. Учтем условие на границе возможного контакта:

íízizt}=- ít„ti} . (5)

(7)

(9)

Введем обозначение: [Ди} -{[/„«} - {Ыг,и } . (6)

Разделил переменные:

Задачу контакта ригеля и арки целесообразно решать без учета трения, т.е. полагая (8)

Примем следующие условия контакта: Л- ) и < О если в узле I есть контакт 'и &11 <&(<-?0 и Ь • шО 0СЛИ в У®310 контакта нет. д(ф - радиальный технологический зазор. Считаем, что этот зазор возникает из-за различия радиусов деформированной от затяжки арки и ригеля (&• ЛА-]£р) и полагаем &((/)• &()

При работе пресса арка взаимодействует с пакетом обмотки. Считаем, что меязду обмоткой и аркой проскальзывания нет. Результаты расчетов полностью подтвердили правомерность такого подхода. Поскольку по сравнению с изгибной жесткостью арки . . изгибная жесткость обмотки шла, рассматриваем обмотку как абсолютно гибкую. Уравнения равновесия обмотки имеют вид (рис.3):

Л'М - (у) я -О ; + 1гг{у>) Я. -О. (10)

Но -1г(и*м * (ы)

где 2 - модуль упругости, II* - окружное и радиальное перемещения границы Г23 арки.

Тогда (иМ +

(12)

Заменяя ~Ц>{(у) и (у) нх значениями в узлах и используя (4) после преобразований имеем:

Ы-[мг,тп}: {£а}-[мттьп), (13>

где [МТ<] и [МТ<]~ известные матрицы.

Тогда из (4), (5) и (13) после преобразований получим:

Ш-[1Т]Цп} + {-£„}, ' Ш)

где [IT] известные матрицы.

Система уравнений (14) решается совместно с нелинейными условиями (9) итерационным методом последовательных приближений.

Основные достоинства разработанной методики состоят в тон, что сокращена до минимума размерность системы уравнений (оставлены только те переменные, которые сами участвуют в итерационном процессе) и выделены в явном виде в разрешающих уравнениях давление эластичной подушки ^ и, что особенно ваяло, высота нагрузки в полости ригеля h г-которую можно менять,

3.адавая вектор {f{}} . что дает возможность для различных зазоров и видов нагружения не формировать матрицы системы заново. Частичное изменение матриц необходимо только при изменении d - глубины полости ригеля. Дата о, зная усилия на границе контакта, находим неизвестные на остальных границах ригеля и арки-стойки. Затем по необходимости переходим к анализу напряженно-деформированного состояния во внутернних точках.

По разработанной методике была рассчитана базовая конструкция станины. Определены зависимости контактных усилий от основных конструктивных параметров и схем нагруження: глубины полости ригеля, величины зазора между ригелем и аркой, высоты эластичной подушки и рабочей нагрузки. Показано, что при любом допустимом сочетании конструктивных параметров и схем наг. ружения раскрытие стыка медцу аркой и стойкой при работе пресса не происходит. Зона контакта ригеля и арки устанавливается в начале процесса нагружения и уже при 50% нагрузки (при давлении эластичной подушки 50 МПа) практически не отличается от полной (при давлении 100 МПа). При любом допустимом сочетании' конструктивных параметров и схем нагружения возможная зона скольжения пакета обмотки по арке пренебрежимо мала.

Третья глава посвящена разработке методов расчета скрепленной обмоткой составной станины пресса для штамповки эластичной диафрагмой. Приводится краткий обзор проведенных ранее исследований прочности таких конструкций.

• Перспективная конструктивная схема пресса показана на рис.

4. Это гидростатические бесплунжерные прессы с, так называемой, "туннельной" станиной. Рабочее пространство имеет вид сквозной щели, куда задвигается стол I с формоблоками и заготовками, который останавливается в рабочем положении под контейнером с эластичной диафрагмой 2. Штамповка производится

путем закачивания рабочей жидкости в полость контейнера над диафрагмой. Зазор между контейнером и столом перекрывается подвижныш планками 3. Станина пресса выполнена в виде скрепленного обмоткой 4 тонкостенного кольца 5, внутри которого установлены верхняя и нижняя траверсы-вставки 6, 7. Отечественный пресс диафрагменного типа усилием 600 МН, изготовленный по техническому проекту ВНШлэтмаша, успешно работает на одном из заводов с 1584 г. при технологическом давлении до 100 Ша. Кольцо станины скреплено обмоткой из высокопрочной ленты, наматываемой с предварительным натяжением так, что на внутрен- . ней поверхности кольца возникают значительные окружные напряжения сжатия. Величина этих напряжений выбирается таким образом, чтобы при рабочем погружении кольцо оставалось в области сжатия, что обеспечивает его прочность и долговечность. Между траверсами и кольцом тлеется технологический зазор,' который выбирается при нагружешш. Для определения нагрузок, воспринимаемых наиболее ответственным элементом - кольцом необходимо решать контактную задачу. Из-за значительной толщины пакета обмотки и неравномерной передаче давления на кольцо, при деформации конструкции витки пакета обмотки могут проскальзывать , что отражается на напряженном состоянии кольца.

Конструктивная схема пресса позволяет принять для расчета схему плоско-напряженного состояния. Учитывая симметрию при решении задачи, рассматриваем четвертую часть станины пресса и сопрягаемую с ней половину верхней траверсы. Нагрузка осуществляется равномерные давлением эластичной диафрагмы Ц (рис. 5). Считаем, что нагрузка от диафрагмы передается на кольцо без искажения. Расчетная схема задачи приведена на рис. 5. Решению разнообразных задач деформирования пакетов облюткн посвящено много работ. Однако в большинстве из них: проскальзывание витков де учитывается. Публикации, в которых рассматривалась бы задача проскальзывания витков, вызванного изгибанием пакета обмотки автору неизвестны.

Для моделирования проскальзывания был выбран МКЭ как наиболее пригодный для учета нелинейных эффектов. Для расчета траворсл использован МГЭ. Согласно МГЭ для траверсы имеем:

Ыт}-[РТШГ} .(15)

КОЩО ОШОТКА

V/A ЦП П1

г Х- i ^ i 1 .. i i i

Рис. 5

где {Wrl М - радиальные перемещения и усилия узлов границы возможного контакта; [РТ] {С} - известные матрица и вектор. Во избежании жестких смещений траверса закреплена в узле К.

Колыю с обмоткой разбито на 312 четырехугольных изопарамет-рических конечных элемента с 350 узловыми точками (рис. 5). Используем полярные координаты. В радиальном направлении расположено 13 элементов, причем 4 их них моделируют кольцо, а 9 обмотку. В обмотке 225 витков ленты, т.е. по 25 витков на элемент. Связь между деформациями и напряжениями в элементах обмотки определялась уравнениями состояния ортотропного материала. Установлено, что радиальная жесткость пакета зависит от давления сжимающего витки. Это давление обусловлено, главным образом, усилиями намотки и от рабочей нагрузки изменяется мало. Исследования, проведенные в НПО ВНИИметмаш показали, что в обмотках диафрагменных прессов радиальный модуль упругости Е€ линейно изменяется по радиусу. оказывается.равным Е для внутренних витков и равным 0,5+0,6 Е для наружных. В конечных элементах обмотки принимаем Е? последовательно равным: 0,95Е; 0,85Е; 0.80Е; 0,75Е; 0,70Е; 0.65Е; 0,60Е; 0,55Е.

Согласно МКЭ для кольца с обмоткой имеем:

сюм-ia}, (16)

где [К] - матрица жесткости, (Wj, {Q} - узловые перемещения и силы. Выделяем из {Wj значения, соответствующие узлам границы возможного контакта и, учитывая закрепление траверсы в узле К, имеем [Wk}

Введем обозначение (л} =■ { Wr} ~ г W<},

Учтем условие [tu] = ~~ Ii г}

где [i/cj - усилия в узлах границы возможного контакта кольца. Считаем, что зазор между траверсой и кольцом возникает из-за различия радиусов контактирующих поверхностей.

Обозначим d'RK - R-т , где - внутренний радиус кольца после затяжки обмоткой, RT - радиус траверсы.

Условие контакта траверсы и кольца примем в виде: üi °&(ifi) при tTi <0 » если в узле L есть контакт;

при Lji =и , если в узле С контакта нет;

где

При изгибании пакета литки обмотки могут проскальзывать. Суммарное радиальное напряжение в пакете определяется так:

Ч>) - б£(г) + (2, fl Ü0)

где (7, </)- напряжение от рабочей нагрузки, определяемое МКЭ, 2) - напряжение от намотки, известное заранее.

Примем условш про citara, зывания витков пакета обмотки в ввде:

/<fi/<DtL¡ <зсли в ¿ -ом конечном элементе проскальзывания нет, (19)

/£'/-//6*;/ sojra в ~°м коночном элементе проскальзывание;

где у - коэффициент трения скольжения, T¿ <ot¿ - напря-зения, вычисленные в центре элемента.

Уравнения (15) и (16) совместно с нелинейными условиями контакта (17) и проскальзывания (19) решаются в едином итерационном процессе методом последовательных приближений.

При решении появляются элементы, где условия проскальзывания нарушаются (рис. 6), т.е. образуется "избыточное" касательное напряжение: - ¡Tl¡-/¿¡(Эй! , которое необходимо снять ( ¿ - номер элемента). Это достигается путем приложения в узлах конечного элемента сил (рис. 7):

а!Аыа--Ьг)> <20> С-7 9(1, * Ь, аи -¿м*

- Эти силы самоуравновешены и обеспечивают в элементе состояние чистого сдвига.

Особенность объединения итерационных процессов задачи контакта и задачи проскальзывания состоит в том, что итерационный процесс задачи проскальзывания чувствителен к изменению контактных усилий на кольце, а на решение контактной задачи

13

учет проскальзывании влияет незначительно. В единой алгоритме первые 4-5 итераций решается задача контакта (проскальзывание игнорируется), а начиная с 5-6-ой итерации (когда усилия на граница контакта достаточно успокоились) итерационные процессы задач контакта и проскальзывания идут параллельно. Сходимость единого алгоритма достигалась за 9-10 итераций.

По разработанной методике была рассчитана базовая конструкция станины. Определены контактные усилия на границе траверсы п кльца и зоны проскальзывания-витков в пакете обмотки при различных давлениях эластичной диафрагмы и различной геометрии контактирующий с кольцом поверхности траверсы. Проведан анализ напряженного состояния кольца - наиболее нагруженного элемента конструкции. При различных давлениях диафрагмы и различной геометрии траверсы на внутреннем ободе кольца рассчитаны окружные напряжения - определяющие в прочностном расчете. Определена величина предварительного натяга между траверсой и кольцом, обеспечивающая минимальные напряжения в кольце как при полной рабочей нагрузке, так и в процессе наг-рукония. Благодаря ото.чу можно существенно сократить число витков скрепляющей обмотки и изготовлять кольцо из более дешевой и легко обрабатываемой стали.

Четвертая топва посвящена экспериментальным исследованиям на плоской металлической модели диафрагма иного пресса. На модели, выполненной в масштабе 1:6, методами тензоизмерений изучалось напряженное состояние кольца для отличающихся величиной внешнего радиуса траверс-вставок (т.е. для посадок с зазорами и натягами). Проводится сопоставление результатов расчета и данных эксперимента.

В приложение I приведено краткое описание и текст программа на языке FDR.TRAJV ориентированной на IBM PC/AT и предназначенной для решения плоской контактной задачи теории упругости методом граничных элементов. Рассмотрен тестовый пример.

В тжгоу.рнии 2 приведены документы, подтверждающие практическое использование результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

I. Разработан метод прочностного расчета станины плунжерного пресса для штамповки эластичной подушкой.

Расчет строится в два этапа. На первом этапе решается за-14

дача контакта ригеля и арки пресса. 'Используется о^п из наиболее перспективных методов решения задач механики деформируемого твердого тела - МГЭ, особенно эффективный в контактных задачах. В расчете учитывается воздействие скрепляющей конструкция обмотки, изгкбная жесткость которой полагается пренебрежимо малой. На втором этапе такта ГЛГЭ исследуется напряженно-деформированное состояние элементов конструкции

Предложенный метод решения задачи контакта был опробован при решении тестовой задачи и использован при доработке технического проекта пресса усилием 240 Ш и при проектировании пресса усилием 400 МН.

Проведенные исследования показали, что при прочностном расчете плунжерного пресса необходимо решение контактной задачи. Разработанный метод позволяет реально оценивать влияние различных конструктивных параметров и схем нагружения пресса на напряженно-деформированное состояние как отдельных деталей так и всей конструкции в целом. Метод пригоден для расчета всех прессов плунжерного типа.

2. Разработаны методы прочностного расчета станины пресса для штамповки эластичной диафрагмой.

Решена задача контакта траверсы и скрепленного обмоткой кольца. Одновременно используются МГЭ и МКЭ - первый для траверсы, второй для кольца с обмоткой.

Решена задача проскальзывания витков пакета обмотки. Дм учета переменной радиальной жесткости пакета, вызванной неполным прилеганием витков, в рамках конечного элемента обмотка моделируется ортотропным материалом. Проскальзывание учитывается путем приложения в узлах конечного элемента самоуравнове-шзнных компенсирующее сил.

Разработан эффективный единый итерационный алгоритм совместного решения задачи контакта и задачи проскальзывания. Предложена схема выбора начального приближения, обеспечивающего устойчивую сходимость. •

По разработанным методам была рассчитана конструкция пресса усилием 600 МН.

Проведенные исследования показали, что при прочностном расчете диафрагмеиного пресса наобходило решение как задачи контакта так и.задачи проскальзывания. Разработанные методы, показавшие на практике высокую надежность и эффективность,

позволяют с необходимой точностью рассчитывать напряженно-де-формщюванное состояние элементов конструкции и находить рациональную геометрию контактного соединения траверса-кольцо, определяющую напряженное состояние наиболее ответственной детали. Методы пригодны для расчета любых прессов диафрагмеиного типа.

3. Проведены экспериментальные исследования плоской металлической модели диафрагмеиного пресса. Анализ экспериментальных данных подтверждает обоснованность принятых в расчетах допущений, надежность разработанных методик и достоверность выработанных технических рекомендаций.

4. Внедрение разработанных методов расчета позволило существенно сократить время и объем экспериментальных исследований за счет использования численного эксперимента и выбора рацио-

льтаты расчетов позволяют также улучшить эксплуатационные характеристики действующих диафрагмзнных прессоз. Методики расчета реализованы в виде пакета прикладных програш, ориентированных на ЭВМ типа ЕС (для диафрагменных прессов) и на IBM РС/ AT (для плунжерных прессов) и переданы в НПО ВНИШетмаз для практического использования.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Федоров A.A. Об алгоритмах расчета контактных задач деталей станин тяжелых прессов методом граничных элементов//Известия вузов. Машиностроение. - 1987. -ß 8. - С. 159.

2. Применение метода граничных элементов в задаче контакта частей станины тяжелого прзсса/В.Л.Бвдерман, Л.Д.Гольман, А.Н. Курович, А.А.Фэдоров/^Лзвастия вузов. Машиностроение. - 1988. -К 2. - С. 132-138.

3. Выбор оптимальной геометрии траверс пресса для штамповки эластичной средой ,/ В.Л.Бидерман, Л.Д.Гольман, А.Н.Курович, А. А. Федоров/Известия вузов. Машиностроение. - 1989. - № 3. -

. С. 75-80.

4. Федоров A.A. Расчет составной станины тяжелого прэсса для штамповки эластичной подушкой/ Известия вузов. Машиностроение. - 1989. - №8. - С. 98-103.

5. Бидерман В.Л., Федоров A.A. Учет проскальзывания витков . скрепляющей обмотки в расчете мощного пресса//Известия вузов

Машиностроение. - 1990. - № I. - С. 137-141.

налыюго сочетания параметров проектируемых конструкций. Резу-