Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа
C использованием тензометрии поверхности моделей и метода конечных элементов (МКЭ) проведено уточнение расчетов компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) штампов для накопления интенсивных пластических деформаций (ИПД). З використанням тензометрії поверхні моделей і методу кінцевих еле...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69222 |
| 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: | Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа / С.В. Мирошниченко // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 3. — С. 125-131. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69222 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Мирошниченко, С.В. 2014-10-07T20:30:12Z 2014-10-07T20:30:12Z 2009 Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа / С.В. Мирошниченко // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 3. — С. 125-131. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.Lm, 62.20.Fe https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69222 C использованием тензометрии поверхности моделей и метода конечных элементов (МКЭ) проведено уточнение расчетов компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) штампов для накопления интенсивных пластических деформаций (ИПД). З використанням тензометрії поверхні моделей і методу кінцевих елементів проведено уточнення розрахунків компонентів напружено-деформованого стану штампів для накопичення інтенсивних пластичних деформацій. The calculations of components of the stress-strain state of dies for the accumulation of severe plastic deformations (SPD) were clarified by using strain measurement on the surface of models and by the finite-element method (FEM). ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа Чисельно-експериментальна методика дослiдження напружено-деформованого стану моделей штампу Numerical-experimental technique for investigation of stress-strain state model dies Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа |
| spellingShingle |
Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа Мирошниченко, С.В. |
| title_short |
Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа |
| title_full |
Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа |
| title_fullStr |
Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа |
| title_full_unstemmed |
Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа |
| title_sort |
численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа |
| author |
Мирошниченко, С.В. |
| author_facet |
Мирошниченко, С.В. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Чисельно-експериментальна методика дослiдження напружено-деформованого стану моделей штампу Numerical-experimental technique for investigation of stress-strain state model dies |
| description |
C использованием тензометрии поверхности моделей и метода конечных элементов (МКЭ) проведено уточнение расчетов компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) штампов для накопления интенсивных пластических деформаций (ИПД).
З використанням тензометрії поверхні моделей і методу кінцевих елементів проведено уточнення розрахунків компонентів напружено-деформованого стану штампів для накопичення інтенсивних пластичних деформацій.
The calculations of components of the stress-strain state of dies for the accumulation of severe plastic deformations (SPD) were clarified by using strain measurement on the surface of models and by the finite-element method (FEM).
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69222 |
| citation_txt |
Численно-экспериментальная методика исследования напряженно-деформированного состояния моделей штампа / С.В. Мирошниченко // Физика и техника высоких давлений. — 2009. — Т. 19, № 3. — С. 125-131. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT mirošničenkosv čislennoéksperimentalʹnaâmetodikaissledovaniânaprâžennodeformirovannogosostoâniâmodeleištampa AT mirošničenkosv čiselʹnoeksperimentalʹnametodikadoslidžennânapruženodeformovanogostanumodeleištampu AT mirošničenkosv numericalexperimentaltechniqueforinvestigationofstressstrainstatemodeldies |
| first_indexed |
2025-11-27T00:14:03Z |
| last_indexed |
2025-11-27T00:14:03Z |
| _version_ |
1850787962380353536 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
© С.В. Мирошниченко, 2009
PACS: 81.40.Lm, 62.20.Fe
С.В. Мирошниченко
ЧИСЛЕННО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОДЕЛЕЙ
ШТАМПА
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Статья поступила в редакцию 18 июня 2009 года
C использованием тензометрии поверхности моделей и метода конечных элемен-
тов (МКЭ) проведено уточнение расчетов компонентов напряженно-деформиро-
ванного состояния (НДС) штампов для накопления интенсивных пластических де-
формаций (ИПД).
Ключевые слова: модель штампа, зона нагружения, тензометрия, метод конечных
элементов, напряженно-деформированное состояние, предельное состояние
1. Введение
Штампы и пресс-формы, используемые для накопления ИПД или прессо-
вания изделий из порошков, отличаются сравнительно небольшой высотой
зоны нагружения Hl по сравнению с длиной штампа L. Относительная высо-
та зоны нагружения hl = Hl/L и ее положение относительно торцов штампа
h0 = H0/L (где H0 – расстояние от зоны нагружения до торца штампа) изменяются
в широких пределах (h0 = 0–0.5; hl = 0.1–1). В подавляющем числе реальных на-
гружений рассматриваемого узла прогноз его предельного состояния на основе
модели плоской деформации полых цилиндров [1,2] может рассматриваться
только как нижняя оценка. Использование этой модели при расчете давления
бандажирования также приводит к ошибкам вычисления оптимальных натягов и
геометрических размеров элементов штампа [3], что способствует их быстрому
выходу из строя (менее 300 нагружений при давлениях 1000–1200 MPa).
2. Методика исследования НДС модели штампа
Для сравнения вариантов нагружения по степени опасности мы применя-
ли матрицу влияния модели штампа, в которой содержатся компоненты ее
напряженно-деформированного состояния, полученные численно с помо-
щью МКЭ, и методику элементарных нагружений [4]. Соотношение компо-
нент НДС внутренней и наружной поверхностей модели использовано для
мониторинга предельного состояния поверхности рабочего канала по дан-
ным тензометрии наружной поверхности.
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
126
В качестве моделей применяли
втулки из стали Ст3 (σs = 220 MPa) с
диаметром рабочего канала d = 30 mm
и длиной L = 120 mm. Размер ее на-
ружного диаметра D определяли в за-
висимости от выбранного значения
толстостенности (m = D/d = 1.6; 2.4).
Нагружение моделей осуществляли
на лабораторном гидропрессе (F =
= 200 kN) c помощью специального
устройства (рис. 1). В качестве пере-
дающей давление среды использовали
парафин. Устройство снабжено гай-
кой для механического фиксирования
усилия нагружения, величину которо-
го измеряли с помощью мездозы. Ос-
новной массив значений относитель-
ных деформаций наружной поверхно-
сти ετ2 и εz2 получен при давлении в
рабочем канале 30 MPa. Предвари-
тельно с помощью манганинового манометра, установленного в герметичном
стаканчике из фторопласта с минеральным маслом в тело парафинового ци-
линдра, выбирали уровень осевой силы, соответствующий давлению 30 MPa
и в дальнейшем контролируемый месдозой. Сигнал от 10 пар тензодатчиков,
ориентированных взаимно перпендикулярно, манганинового манометра и
месдозы поступал на тензоусилители «Топаз» и осциллографы К12-22 и
НО71.2.
Схема наклейки тензодатчиков и эскиз модели показаны на рис. 2. Модели
подвергали нагружениям (таблица), зависящим от размера (hl = Hl/L) и по-
ложения (h0 = H0/L) зоны нагрузки
относительно торцов штампа. Высоту
нагружения устанавливали с помо-
щью стальных пробок 8 (см. рис. 1).
На рис. 3 представлены средние
значения окружной ετ2 и осевой εz2
деформаций (приведенных к давле-
нию нагрузки 1 MРa) вдоль наруж-
ной поверхности модели с толсто-
стенностью m = 1.6 и 2.4 с различ-
ными вариантами нагружения. Об-
ращает на себя внимание высокий
градиент деформаций наружной
поверхности вдоль оси модели.
Рис. 1. Устройство для нагружения
моделей штампов: 1 – гайка, 2 – встав-
ка, 3 – пуансон, 4 – уплотнения, 5 –
парафиновый стакан, 6 – манганино-
вый манометр, 7 – исследуемый ци-
линдр, 8 – пробка, 9 – месдоза, 10 –
тензодатчики
Рис. 2. Схема расположения тензодатчи-
ков на модели штампа
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
127
Таблица
Варианты нагружения моделей штампа внутренним давлением
№ модели H0, mm h0 Hl, mm hl
1 15 0.125
2 30 0.25
3 45 0.375
4 60 0.5
5
0 0
75 0.625
6 15 0.125
8 30 0.25
9 45 0.375
10
15 0.125
60 0.5
11 15 0.125
12 30 0.25
13 45 0.375
14
30 0.25
60 0.5
15 15 0.125
16 45 0.375 30 0.25
17 15 0.125
18 60 0.5 30 0.25
а б
в г
Рис. 3. Средние значения окружной ετ2 и осевой εz2 деформаций (P = 1 MPa) вдоль
оси z наружной поверхности модели: а, б – m = 1.6; в, г – m = 2.4; ○ – h0 = 0, □ – h0 =
= 0.25; △ – h0 = 0.375; hl = 0.25
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
128
На базе данных рис. 3 с помощью закона Гука построены зависимости
окружных напряжений στ2 наружной поверхности моделей (рис. 4):
( )2 2
2 21
zE τ
τ
ε +με
σ =
−μ
.
Для сравнения на этом же рисунке приведены аналогичные данные, по-
лученные с помощью МКЭ.
Используя значения параметра k = στ1/στ2, полученного МКЭ (рис. 5), вы-
числены максимальные значения окружного напряжения на внутренней по-
верхности στ1 модели (рис. 6).
Сравнение параметра k, полученного МКЭ, с аналогичным параметром,
вычисленным по модели плоской деформации, k = (m2 + 1)/2 выявило их
существенное расхождение, которое для приведенных на рис. 3 вариантов
составляет 16–23%, а для некоторых – до 40%.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
σ τ
2
z
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
–0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
σ τ
2
z
а б
Рис. 4. Значения окружных напряжений στ2 (P = 1 MPa) наружной поверхности мо-
дели, полученные МКЭ (⎯) и тензометрией для вариантов нагружения: а – m = 1.6;
б – m = 2.4; ○ – h0 = 0, △ – h0 = 0.25, ▽ – h0 = 0.375; hl = 0.25
а б
Рис. 5. Значения параметра k для опасного сечения модели, полученные с исполь-
зованием МКЭ: а – m = 1.6; б – m = 2.4; ⋄ – h0 = 0, □ – h0 = 0.125, ○ – h0 = 0.25, △ –
h0= 0.375, × – h0 = 0.5
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
129
а б
в г
д е
Рис. 6. Максимальные значения окружного напряжения на внутренней поверхности
модели в зависимости от варианта нагружения: а – m = 1.6, h0 = 0, hl = 0.25; б – m = 2.4,
h0 = 0, hl = 0.25; в – m = 1.6, h0 = 0.25, hl = 0.25; г – m = 2.4, h0 = 0.25, hl = 0.25; д –
m = 1.6, h0 = 0.375, hl = 0.25; е – m = 2.4, h0 = 0.375, hl = 0.25; — – результаты МКЭ,
--- – тензометрии, ···· – расчета по моделям Ляме
Минимальное давление появления пластических деформаций в моделях,
соответствующее значениям hl ≥ 0.75, оценивали по соотношению [3,4]:
2
min 2
( 1)
3
s mP
m
σ −
= .
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
130
60
80
100
120
140
160
0.2 0.4 0.6 0.8
P s, M
Pa
hl
1
2
Результаты экспериментальной проверки предельного состояния моделей
по началу пластической деформации поверхности рабочего канала, нагру-
женных внутренним давлением на участках hl = 0.125–0.75, приведены на
рис. 7.
Выводы
1. Предложена методика, позволяющая численно-экспериментальным
способом определить напряженное состояние на поверхности рабочего ка-
нала при произвольной геометрии участка нагружения.
2. Тензометрия наружной поверхности штампа дает возможность полу-
чать надежную информацию о напряженно-деформированном и предельном
состояниях узла в любой момент его нагружения.
3. При относительной длине участка нагружения штампа в диапазоне hl =
= 0.125–0.65 необходимо корректировать выражение для максимального
главного напряжения.
4. Величина корректирующего коэффициента в зависимости от парамет-
ров hl, h0 и m изменяется в диапазоне 1.1–1.6 раза.
5. Смещение участка нагружения от свободного торца штампа на величи-
ну h0 ≥ 0.125 существенно (на 15–25%) снижает напряжения на поверхности
рабочего канала.
1. С.В. Мирошниченко, В.Г. Сынков, А.А. Лебедев, Проблемы прочности № 5, 32
(2002).
2. С.В. Мирошниченко, В.Г. Сынков, ФТВД 11, № 2, 132 (2001).
3. С.В. Мирошниченко, В.Г. Сынков, ФТВД 10, № 2, 92 (2000).
4. С.В. Мирошниченко, В.Г. Сынков, Металлообработка № 2 (2007).
5. С.В. Мирошниченко, В.Г. Сынков, ФТВД 17, № 2, 105 (2007).
6. В.Г. Сынков, О.Е. Глауберман, Е.И Вербицкий, Проблемы прочности № 4, 95
(1986).
7. В.Г. Сынков, О.Е. Глауберман, Е.И Вербицкий, ФТВД вып. 22, 85 (1986).
Рис. 7. Предельное состояние моделей
штампа в зависимости от длины участка
нагружения: ○ – m = 2.4, Ps = 172.53 –
– 95.77h1; △ – m = 1.6, Ps = 124.21 –
– 85.52h1; 1, 2 – результаты расчета по
модели Ляме соответственно при m = 2.4
и 1.6
Физика и техника высоких давлений 2009, том 19, № 3
131
С.В. Мiрошниченко
ЧИСЕЛЬНО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА МЕТОДИКА ДОСЛIДЖЕННЯ
НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ МОДЕЛЕЙ ШТАМПУ
З використанням тензометрії поверхні моделей і методу кінцевих елементів прове-
дено уточнення розрахунків компонентів напружено-деформованого стану штампів
для накопичення інтенсивних пластичних деформацій.
Ключовi слова: модель штампу, зона навантаження, тензометрія, метод кінцевих
елементів, напружено-деформований стан, граничний стан
S.V. Miroshnichenko
NUMERICAL-EXPERIMENTAL TECHNIQUE FOR INVESTIGATION
OF STRESS-STRAIN STATE MODEL DIES
The calculations of components of the stress-strain state of dies for the accumulation of
severe plastic deformations (SPD) were clarified by using strain measurement on the sur-
face of models and by the finite-element method (FEM).
Keywords: die model, load zone, strain measurement, finite element method, stress-
strain state, limiting state
Fig. 1. A device for loading die models: 1 – nut, 2 – inset, 3 – punch, 4 – seals, 5 – paraf-
fin cup, 6 – manganine manometer, 7 – tested cylinder, 8 – plug, 9 – pressure capsule, 10 –
strain gauges
Fig. 2. Layout for strain gauge location on die model
Fig. 3. Average values of tangential ετ2 and axial εz2 strain (P = 1 MPa) along the z-axis of
the outer surface of the model: а, б – m = 1.6; в, г – m = 2.4; ○ – h0 = 0, □ – h0 = 0.25; △ –
h0 = 0.375; hl = 0.25
Fig. 4. Values of tangential stresses στ2 (P = 1 MPa) of the outer surface of the model
obtained by FEM (⎯) and strain measurement for various loading types: а – m = 1.6; б –
m = 2.4; ○ – h0 = 0, △ – h0 = 0.25, ▽ – h0 = 0.375; hl = 0.25
Fig. 5. Values of parameter k for the dangerous cross-section of the model obtained by
using FEM: а – m = 1.6; б – m = 2.4; ⋄ – h0 = 0, □ – h0 = 0.125, ○ – h0 = 0.25, △ – h0 =
= 0.375, × – h0 = 0.5
Fig. 6. Maximum values of tangential strain on the inner surface of the model depending
on the loading type: а – m = 1.6, h0 = 0, hl = 0.25; б – m = 2.4, h0 = 0, hl = 0.25; в – m = 1.6,
h0 = 0.25, hl = 0.25; г – m = 2.4, h0 = 0.25, hl = 0.25; д – m = 1.6, h0 = 0.375, hl = 0.25;
е – m = 2.4, h0 = 0.375, hl = 0.25; — – FEM result, --- – strain measurement result, ···· –
calculations by Lame model
Fig. 7. Limiting state of die models depending on length of loading section: ○ – m = 2.4, Ps =
= 172.53 – 95.77h1; △ – m = 1.6, Ps = 124.21 – 85.52h1; 1, 2 – results of calculations by
Lame model for m = 2.4 and 1.6, respectively
|