Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом
Фотограмметрический анализ позволяет определить форму рабочей поверхности изделия и ее изменения после обработки. Описано применение этого анализа в задачах численного моделирования штамповки взрывом и конструирования соответствующих технологий. Он может эффективно использоваться и в других видах ма...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100970 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом / Х.Д. Гренёвельд // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 61-64. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860236167388069888 |
|---|---|
| author | Гренёвельд, Х.Д. |
| author_facet | Гренёвельд, Х.Д. |
| citation_txt | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом / Х.Д. Гренёвельд // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 61-64. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Фотограмметрический анализ позволяет определить форму рабочей поверхности изделия и ее изменения после обработки. Описано применение этого анализа в задачах численного моделирования штамповки взрывом и конструирования соответствующих технологий. Он может эффективно использоваться и в других видах материалообработки (термообработка, сварка и др.).
Explosive formed products are more and more commonly applied. The state-of-the art is rapidly extended towards new product groups. Material characterization and process control becomes more important for efficiently designing new explosive forming processes. A method was developed for determining the forming limits of metals in explosive forming. A test shape was designed with features that represents different strain paths in the forming limit diagram. A regular dotted pattern is electrochemically etched on the sheet surface. Test plates are formed and an alyzed using photogrammetry. The resulting forming limit curve is used as an input for forming simulation software that w orks with a hydrostatic code. This approach provides a straightforward method for predicting the forming characteristics that come with a certain workpiece and it strongly enhances the design of new products that are to be formed by explosi ve forming. This approach is also applied for heat-treated and for welded metals. The forming limit diagrams of both the simulation and the photogrammetric analysis of a real explosive formed shape are compared for validation.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:24:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.76:621.7.044.2
ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОГРАММЕТРИИ
В ТЕХНОЛОГИЯХ ШТАМПОВКИ ВЗРЫВОМ
Х. Д. ГРЁНЕВЕЛЬД («Эксплоформ БВ», г. Лелиштад, Нидерланды)
Фотограмметрический анализ позволяет определить форму рабочей поверхности изделия и ее изменения после
обработки. Описано применение этого анализа в задачах численного моделирования штамповки взрывом и кон-
струирования соответствующих технологий. Он может эффективно использоваться и в других видах материало-
обработки (термообработка, сварка и др.).
К л ю ч е в ы е с л о в а : штамповка взрывом, конструкцион-
ные материалы, граница области штампуемости, фотог-
рамметрия
В последние годы технология штамповки взрывом
(ШВ) переживает свое второе рождение. Она до-
вольно широко применялась в 1960–1970-х годах,
но в 1980-х ее использование почти прекратилось.
Нынешнее возрождение можно объяснить состо-
янием рынка. Повысились требования к скорости
выполнения заказов и появился спрос на изделия
сложных форм из малораспространенных метал-
лов. Расширилось использование субконтрактов
со специализированными производителями, кото-
рых стало легко находить по Интернету. Прог-
раммное обеспечение 3D CAD/CAM теперь поз-
воляет более эффективно выполнять проекты, в
которых предпочтительно использование ШВ.
Еще одной причиной возрождения технологий
ШВ является применение современных методов
анализа. Численное моделирование обеспечивает
лучшее понимание влияния большего количества
параметров процесса.
Штамповка взрывом. Известно много вари-
антов осуществления ШВ. Однако принцип их
действия одинаков и заключается в следующем.
Металлический лист укладывается на матрицу,
полость в матрице вакуумируется, всю сборку по-
мещают в водяной бассейн. Над листом разме-
щают заряд взрывчатого вещества определенной
конфигурации (рис. 1). Взрыв с высокой ско-
ростью метает лист на матрицу*.
Параметры процесса могут быть адаптированы
к различным исходным формам обрабатываемого
изделия, материалам и толщинам. Вариантами об-
щей схемы могут быть, например, ШВ труб или
конусов вместо листов.
Современные возможности ШВ позволяют из-
готавливать изделия из нержавеющей стали тол-
щиной 60 мм (для современного термоядерного
реактора ITER), размером 10 2 м (для ядерной
установки RES в Кадараше, Франция). Никель,
титан и кобальтовые сплавы штампуются взры-
вом, например, для газовых турбин. Еще большие
размеры и усложненные формы возможны при
штамповке конструкций из сварных заготовок.
ШВ успешно совмещается с такими способами
сварки, как МIG (сварка металлическим элект-
родом в инертном газе), ТIG (сварка неплавящим-
ся (вольфрамовым) электродом в инертном газе),
лазерная, электронно-лучевая сварка, сварка тре-
нием с перемешиванием и сварка взрывом.
Анализ деформаций. При штамповке слож-
ных форм различным элементам деформируемого
металла соответствуют различные пути деформа-
ций (рис. 2). Их конечные деформационные сос-
тояния соответствуют точкам с координатами ε1,
ε2 на плоскости диаграммы деформаций. Множес-
тво таких точек занимает на плоскости область
деформационных состояний (ОДС). При приме-
нении ШВ важно знать границы той части ОДС,
в которой деформирование не заканчивается раз-
рушением или короблением материала — грани-
цы области штампуемости (ГОШ). Каждому ма-
териалу свойственна индивидуальная ГОШ.
ГОШ известны для материалов, широко при-
меняемых в автостроении. Для материалов ави-
астроения такие данные менее доступны. Диспер-
сионно упрочняемым сплавам алюминия присуща
© X. Д. Грёневельд, 2009
* Minors D. J., Zhang B. Applications and capabilities of
explosive forming // J. Mater. Proc. Technol. — 2002. —
№ 125–126. — Р. 1–25.
Рис. 1. Схема штамповки взрывом
11/2009 61
высокая степень формуемости в условиях ШВ.
Указанные обстоятельства заставляют развить ме-
тод определения области деформационных сос-
тояний и границ области штампуемости для ШВ.
Численное моделирование. Обычно для проек-
тирования технологий ШВ используется модели-
рование модулем Hydroform программы Autoform.
Гидроштамповка во многом напоминает ШВ, но
отличается от нее малостью инерционных сил.
Тем не менее приближение обычно дает хорошие
результаты — предсказанные деформации удов-
летворительно совпадают с реальными. Автор по-
лагает, что это наиболее прямое и эффективное
приближение. Моделирование с использованием
программы Ansys/Autodyn применяется в особых
случаях, когда необходимо принимать во внима-
ние комплекс параметров процесса взрыва.
На рис. 3 изображено изделие сложной формы,
успешно изготовленное на пределе допустимых
деформаций в режиме, смоделированном на Auto-
form.
Фотограмметрия. Фотограмметрия — это ме-
тод определения деформаций металлического
листа в условиях реальной штамповки. На лист,
подлежащий штамповке, наносится равномерная
сетка точек. При этом автором использован элек-
трохимический метод нанесения, поскольку он
эффективен и точки остаются заметными после
термообработки. В процессе штамповки сетка то-
чек искажается, что свидетельствует о дефор-
мации листа. Точки на поверхности образца фо-
тографируются под различными углами цифро-
вым фотоаппаратом и информация об их поло-
жении обсчитывается программой Phast (рис. 4).
Вместе с образцом фотографируется маячок
с кольцевыми штрих-кодами. Анализируются
изображения штрих-кодов и определяется точное
положение и угол зрения камеры при съемке каж-
дого кадра, а также точки на каждом снимке и
определяются их пространственные координаты.
Затем по определенным таким образом простран-
ственным смещениям центров точек рассчитыва-
ются деформации, утонение листа и т. д.
Метод определения ГОШ для ШВ. Харак-
терная скорость деформаций при ШВ лежит в ди-
апазоне 10…100 с–1. Известно, что при этих ско-
ростях деформации некоторые металлы становят-
ся более пластичными. С учетом этого автор раз-
работал метод определения ГОШ для практичес-
кого использования при ШВ, который заключа-
ется в следующем. Листовой образец исследуе-
мого материала размером 250 250 мм, на кото-
ром нанесена сетка точек, подвергается штампов-
ке в матрице с набором глубоких выемок раз-
личных форм, в которые лист может вытягиваться
вплоть до разрушения. На рис. 5 изображен об-
разец, подвергнутый такому испытанию.
Различным формам выемок соответствуют раз-
личные пути нагружения (см. рис. 2). Величина
заряда взрывчатого вещества подбирается таким
образом, что в трех выемках на срединной линии
матрицы материал оказывается на грани разру-
шения. После нагружения образец подвергается
фотограмметрическому анализу. В результате та-
кого исследования определяется ОДС материала.
На рис. 6 (см. с. 3 обложки) показана опреде-
ленная таким образом ОДС алюминиевого сплава,
где цвет точек несет информацию о конечном сос-
Рис. 2. Диаграмма деформаций с путями деформации для
трех форм
Рис. 3. Изделие длиной 2,5 м, изготовленное в режиме вблизи
границы области штампуемости
Рис. 4. Изготовление цифровых снимков для фотограмметри-
ческого анализа
62 11/2009
тоянии материала, зеленая линия — ГОШ сплава,
проведенные ниже точек, соответствующих на-
чалу разрушения (интенсивно оранжевые точки).
Этим методом можно также оценивать плас-
тичность сварных конструкций. Образец на рис. 5
был изготовлен сваркой трением с перемешива-
нием фирмой «Aerobus» (Бремен, ФРГ). Матери-
алом был также алюминиевый сплав 2219, и его
ГОШ всего на 5 % ниже ГОШ исходного мате-
риала.
Определение формы с помощью фотограм-
метрии. Фотограмметрию можно также исполь-
зовать и для определения пространственных форм
по текстуре поверхности, что проиллюстрируем
на примере художественной штамповки (барель-
еф) на металлических панелях фасада здания в
Эйндховене (Нидерланды).
На рис. 7 изображен барельеф, выполненный
художником в воске. Эту фигуру следовало ре-
ализовать на более чем 100 металлических листах.
Художник может вылепить из воска любую фи-
гуру, но изготовить ее точную копию из листового
металла — это совсем другое дело. Фигура очень
сложна и возможность ее изготовления необхо-
димо было проверить моделированием. Для мо-
делирования ШВ необходима была электронная
CAD-копия фигуры, что было сделано следую-
щим образом. Сначала поверхность фигуры ок-
расили в белый цвет и обрызгали черными чер-
нилами. На барельеф поместили маячок и повер-
хность фотографировали с различных позиций.
Согласно программе поверхность разбивается на
прямоугольники заданной формы. Каждый пря-
моугольник имеет неповторимый черно-белый
рисунок, который опознается на каждом снимке.
Генерируются X-Y-Z-координаты каждого прямо-
угольника. Полученное множество точек исполь-
зуется для генерирования 3D-формы поверхности
в CADе.
Теперь имеем CAD-модель барельефа. Прежде
чем приступить к моделированию, следует задать
свойства материала. Можно использовать стан-
дартный материал из имеющегося в программном
архиве, но два обстоятельства делают выбор проб-
лематичным. Во-первых, скорости деформирова-
ния будут значительно выше тех, которые исполь-
зовались при испытаниях, проводившихся для
составления архива. Во-вторых, пластичность ма-
териала меняется для каждой новой партии вы-
пускаемых изделий, что вынуждает работать на
пределе возможностей материала. Выход был най-
ден — материал был приобретен у производителя,
надежно обеспечивающего его высокую пластич-
ность. ГОШ материала определяется по проце-
дуре, описанной ранее, после чего приступили к
моделированию.
Первая попытка моделирования показала, что
есть высокий риск разрушения и выпучивания в
некоторых местах барельефа. Проблема решается
правкой формы фигуры с помощью CAD, таким
образом, чтобы художник оставался удовлетво-
ренным. После чего из массивного металличес-
кого блока с помощью CAD-CAM вырезается мат-
рица требуемой формы и с ее помощью штам-
пуются металлические листы. На рис. 8 показан
пробный макет, установленный на боковой сто-
роне конструкции. Затем были изготовлены и ус-
тановлены на фасаде все панели.
Проверка адекватности моделирования де-
формаций. Художник настоял на том, что следует
оценить внешний вид барельефа, прежде чем соз-
давать большую дорогостоящую матрицу. Он соз-
дал маленькую модель, просканированную фотог-
рамметрией и перенесенную в CAM по описанной
выше процедуре. На поверхности чистой метал-
Рис. 5. Пробный образец с набором форм, представляющих
различные пути деформации
Рис. 7. Барельеф, выполненный в воске
11/2009 63
лической плиты для пробной матрицы вытравлена
сетка равномерно распределенных точек для со-
поставления смоделированных деформаций с ре-
альными. Проведен фотограмметрический анализ
поверхности. Заметим, что не все точки были об-
наружены вследствие отражения света от повер-
хности металла. Эту проблему можно было бы
решить путем цифрового увеличения изображе-
ний, но решение потребовало бы слишком боль-
ших усилий. Сопоставление предсказанных мо-
делированием деформаций и ОДС малого проб-
ного образца и реальных деформаций и ОДС на-
турного пробного образца, определенных фотог-
рамметрическим анализом, убеждает, что масш-
табное моделирование очень хорошо согласуется
с результатами измерений на натурном образце.
Контроль формы при последующих обра-
ботках. Фотограмметрирование применяется так-
же при определении формы с использованием
штрих-кодов. Как уже отмечалось выше, исполь-
зуется маячок со штрих-кодами (см. рис. 4).
Штрих-коды этого типа могут быть отпечатаны
на стиккере и наклеены на обмеряемую поверх-
ность. На рис. 9 показан пример фотограммет-
рического измерения формы с использованием
штрих-кодов на стиккерах. Метод штрих-кодов
имеет некоторые преимущества по сравнению с
методом использования текстуры поверхности
для генерации трехмерного облака точек. Для
программного обеспечения обнаружить штрих-
коды намного легче, чем поверхностную струк-
туру. Каждый штрих-код имеет собственный но-
мер, что делает возможным соотнести каждую
точку трехмерного облака с точкой на поверх-
ности образца. Это делает возможным сравнение
формы изделия до и после, например, сварки или
зачистки кромок.
Штрих-коды можно также вытравливать на ра-
бочей поверхности с целью определения дефор-
маций коробления после термообработки. В этом
случае стиккеры неприменимы (сгорают).
Заключение. Разработан метод определения
границы области штампуемости на диаграмме де-
формаций при ШВ с использованием фотограммет-
рического анализа. Фотограмметрия применена для
определения деформаций реального изделия и со-
поставления их с результатами численного моде-
лирования, а также метода текстуры (к сложным
пространственным формам) и метода штрих-кодов
(к менее сложным формам). Последний метод поз-
воляет также определять изменения формы в ре-
зультате других видов обработки (сварка, зачистка
кромок и термообработка).
Explosive formed products are more and more commonly applied. The state-of-the art is rapidly extended towards new
product groups. Material characterization and process control becomes more important for efficiently designing new
explosive forming processes. A method was developed for determining the forming limits of metals in explosive forming.
A test shape was designed with features that represents different strain paths in the Forming Limit Diagram. A regular
dotted pattern is electrochemically etched on the sheet surface. Test plates are formed and analyzed using photogrammetry.
The resulting Forming Limit Curve is used as an input for forming simulation software that works with a hydrostatic
code. This approach provides a straightforward method for predicting the forming characteristics that come with a certain
workpiece and it strongly enhances the design of new products that are to be formed by explosive forming. This approach
is also applied for heat treated and for welded metals. The Forming Limit Diagrams of both the simulation and the
photogrammetric analysis of a real explosive formed shape are compared for validation.
Поступила в редакцию 19.10.2009
Рис. 9. Определение формы отштампованной взрывом панели
из нержавеющей стали толщиной 60 мм фотограмметричес-
ким методом с использованием штрих-кодов
Рис. 8. Макет прототипа установлен на конструкции
64 11/2009
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100970 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:24:18Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гренёвельд, Х.Д. 2016-05-28T15:55:11Z 2016-05-28T15:55:11Z 2009 Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом / Х.Д. Гренёвельд // Автоматическая сварка. — 2009. — № 11 (679). — С. 61-64. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100970 621.791.76:621.7.044.2 Фотограмметрический анализ позволяет определить форму рабочей поверхности изделия и ее изменения после обработки. Описано применение этого анализа в задачах численного моделирования штамповки взрывом и конструирования соответствующих технологий. Он может эффективно использоваться и в других видах материалообработки (термообработка, сварка и др.). Explosive formed products are more and more commonly applied. The state-of-the art is rapidly extended towards new product groups. Material characterization and process control becomes more important for efficiently designing new explosive forming processes. A method was developed for determining the forming limits of metals in explosive forming. A test shape was designed with features that represents different strain paths in the forming limit diagram. A regular dotted pattern is electrochemically etched on the sheet surface. Test plates are formed and an alyzed using photogrammetry. The resulting forming limit curve is used as an input for forming simulation software that w orks with a hydrostatic code. This approach provides a straightforward method for predicting the forming characteristics that come with a certain workpiece and it strongly enhances the design of new products that are to be formed by explosi ve forming. This approach is also applied for heat-treated and for welded metals. The forming limit diagrams of both the simulation and the photogrammetric analysis of a real explosive formed shape are compared for validation. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом Photogrammetry applications for explosive forming Article published earlier |
| spellingShingle | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом Гренёвельд, Х.Д. Производственный раздел |
| title | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом |
| title_alt | Photogrammetry applications for explosive forming |
| title_full | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом |
| title_fullStr | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом |
| title_full_unstemmed | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом |
| title_short | Применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом |
| title_sort | применение фотограмметрии в технологиях штамповки взрывом |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100970 |
| work_keys_str_mv | AT grenevelʹdhd primeneniefotogrammetriivtehnologiâhštampovkivzryvom AT grenevelʹdhd photogrammetryapplicationsforexplosiveforming |