РАЗДЕЛ 2
ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Применение многовариантного проектирования - основное направление повышения качества проектных работ
Современный этап развития промышленного производства характеризуется резким повышением требований к качеству изделий при снижении себестоимости продукции. Это стимулирует разработку высокоэффективных технологий, отвечающих указанным требованиям.
При разработке технологических процессов вытяжки в основном используют эмпирические зависимости из различных справочных материалов, а также результаты теоретических исследований, которые не учитывают многие практически важные параметры. Во многих случаях это приводит к необходимости экспериментальной доработки процесса вытяжки, что удлиняет сроки и удорожает подготовку производства изделия. Если же эксперименты не проводятся, то для надёжности процесса предусматривают завышенное число операций и увеличенную норму расхода листового проката, что приводит к увеличению количества штампов и трудоёмкости изготовления детали.
В этой связи применение в проектировании компьютерного моделирования позволит создать ещё на стадии проектных работ возможность исследования закономерностей формоизменения и получить необходимую информацию о рассматриваемых технологических решениях при помощи математических моделей и современной вычислительной техники. В таком случае ЭВМ превращаются в экспериментальную установку, когда с помощью моделей определяются характеристики проектируемого процесса, а само проектирование ведётся в диалоговом режиме с использованием формальных и неформальных методов анализа, что позволяет на каждом этапе оперативно принимать наилучшее решение, используя обобщённый в частных моделях производственный опыт и интуицию технолога.
Как показал анализ состояния вопроса, выполненный в разделе I, наилучшие результаты анализа напряжённо-деформированного состояния в процессах ОМД даёт численное моделирование методом конечных элементов, конечных разностей и др. Однако, даже при высоком быстродействии современных ЭВМ процедура решения задач больших пластических деформаций МКЭ довольно длительная.
В этой связи для решения задач проектирования технологий вытяжки полых цилиндров из листовых материалов целесообразно применить указанный выше, внедряемый в последнее время в практику моделирования процессов ОМД, аналитически-численный метод, который предусматривает получение аналитического решения с достижимой степенью учёта основных факторов, а затем осуществление численной реализации этого решения для большого количества малых перемещений деформирующего инструмента, то есть поэтапно, и при необходимости отдельно для разных элементов заготовки. При этом учёт таких факторов, как изменение толщины материала и упрочнение его при вытяжке производится на каждом этапе с использованием известных зависимостей и при необходимости с суммированием результатов по мере нарастания общей деформации.
Такая методика позволяет без больших затрат времени получать решение для напряжённо-деформированного состояния в процессах вытяжки цилиндров из листовых заготовок с определением для каждого этапа напряжений на выходе из матрицы, усилий деформирования и возможности разрушения. Если на каком-то этапе возможно разрушение, то в исходные данные вносятся изменённые параметры, облегчающие процесс вытяжки, и моделирование повторяется для новых условий формоизменения до тех пор, пока не исчезнет возможность разрушения. Таким образом многократным проектированием осуществляется поиск наилучших условий формоизменения при вытяжке заданной детали.
В связи с изложенным, в данной работе в качестве направления совершенствования процессов комбинированной вытяжки выбрано создание методики многовариантного компьютерного проектирования операции вытяжки полых цилиндров, в основу которой положены математические модели для поэтапного и поэлементного моделирования напряжённо-деформированного состояния металла деформируемой заготовки, учитывающие основные технологические и эксплуатационные особенности штампуемых деталей, а также влияние различных факторов, определяющих многообразие возможных вариантов технологии.
2.2 Выбор методов теоретического исследования
Как указывалось в разделе 1, для теоретического анализа процессов обработки давлением используется большое количество методов [23 - 27]. Применительно к различным способам осесимметричной вытяжки листового материала наибольшее распространение получили инженерные методы, основанные на совместном решении уравнения равновесия и условия пластичности [30, 32, 51, 75 и др.], метод баланса работ [30, 75], метод линий скольжения [23, 31, 72], энергетический метод [57]. Применяют также более сложные методы, основанные на численном интегрировании дифференциальных уравнений равновесия [80] и уравнений математических моделей, созданных на базе энергетического метода [58], а также на использовании метода конечных элементов [50, 54 и др.]. Однако высокие трудоёмкость и затраты машинного времени при реализации решения задач численными методами (МКЭ и др.) не позволяют использовать модели данного класса при многовариантном проектировании, выборе рационального варианта технологии, а также для оптимизационных задач автоматизированного проектирования.
Следует отметить, что максимальной простотой и минимальной трудоёмкостью численной реализации обладают инженерные математические модели. При этом известные недостатки их могут устраняться максимально возможным приближением аналитических описаний граничных условий к реальным, имеющим место в очаге деформации конкретного процесса формоизменения в целом или отдельных его элементов. Отмеченное, в частности, касается учёта деформационного упрочнения металла в процессах всех видов вытяжки и учёта изменения толщины материала фланца и переменного её значения на входе в очаг деформации утонения при комбинированной вытяжке.
В работах [53 - 56 и др.] показано, что указанное приближение аналитических описаний гранич