Процессы деформации листовых сталей при формовании (модели и экспериментальная верификация) Автореферат (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

ФГОУ ВПО «Государственный технологический университет

«Московский институт стали и сплавов»

На правах рукописи

ПРОЦЕССЫ деформации листовых сталей при формовании

(модели и экспериментальная верификация)

Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва, 2008

Работа выполнена на кафедре Металловедения и Физики Прочности (МиФП) Государственного Технологического Университета «Московский институт стали и сплавов (МИСиС)» и в лаборатории Инженерии Поверхности (LSGS) Национального Политехнического Института Лотарингии (INPL), г. Нанси, Франция.

Научные руководители

доктор технических наук, профессор НИКУЛИН С. А.,

доктор наук, профессор АЙАДИ З.

Официальные оппоненты

д. т.н., (ЦНИИ Чермет им. )

д. т.н., член-корр. РАН, (ИФТТ РАН)

Ведущая организация

ИМЕТ им. РАН

Защита диссертации состоится «18»  декабря  2008 г. в 15 час. 00 мин.

на заседании Диссертационного Совета Д 212.132.08

при Московском Государственном Институте Стали и Сплавов

Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.4 в ауд. Б 436.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.

Автореферат разослан «____»  2008 г.

Учёный секретарь Совета

д. ф.-м. н., профессор 

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В настоящее время из-за бурного роста вычислительных мощностей моделирование сложнейших технологических процессов вытесняет использующийся ранее метод проб и ошибок. Аналитическое моделирование процесса формования в отличие от метода конечных элементов (МКЭ) позволяет глубже понять физику явления, показать изменение результатов при изменении условий.

Основным затруднением для аналитических расчетов формования металлов является правильный учет поведения материала. До недавнего времени аналитические модели формования основывались на недостаточно обоснованных упрощающих гипотезах (как, например, абсолютно пластичный материал, малые деформации). Однако в связи с сильным развитием феноменологического описания поведения материала появилась надежда правильно учесть в аналитических моделях нелинейный закон упрочнения, анизотропию пластических свойств, проявление эффекта Баушингера и эффекта поперечного упрочнения.

В этой связи актуально исследование влияния перечисленных свойств на характер нагружения материала в различных процессах формования и получаемую геометрию изделия. Решение этой задачи позволит оптимизировать технологию получения изделий с заданными свойствами.

Цель диссертационной работы: выявить влияние механических свойств сталей на различные типы процессов формования материала – процессы с упругим возвратом, стационарные процессы деформирования и процессы с возможной потерей устойчивости пластического течения. Для этого необходимо получить наиболее общее математическое моделирование этих процессов, включающее феноменологическое описание поведения материала. Полученные модели необходимо сравнить с экспериментальными результатами тестов характерных для каждого из рассмотренных типов процессов – формование профиля «омега», протяжка через простой захват, штамповка стакана.

Основные задачи, которые решались для поставленной цели:

Критический обзор  и анализ существующих моделей и методов описания механического поведения материала. Обобщенное математическое моделирование процессов с упругим возвратом, стационарных процессов и процессов с возможной потерей стабильности пластического течения. Внедрение наиболее общего описания  поведения материала (в том числе описание эффекта Баушингера, эффекта поперечного упрочнения) в полученные выше модели. Алгоритмическая и программная реализация разработанных методов в применении к конкретным тестам формования: формование профиля «омега», протяжка через простой захват, штамповка стакана. Обоснование работоспособности и достоверности модели по согласию расчетов с  экспериментальными тестовыми испытаниями. Выявление влияния параметров поведения материала и технологии на результаты формования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

выведены и обоснованы новые обобщенные математические модели, позволяющие описывать процессы формования материала в стационарных процессах, процессах с упругим возвратом и с возможностью потери устойчивости пластического течения; предложены схемы расчета полей напряжений и деформаций в изделии из металла, описываемого наиболее общими феноменологическими моделями; разработаны 3 пакета программ уникального алгоритмического и программного обеспечения, реализующие предложенные методы математического моделирования для конкретных процессов формования; экспериментальным исследованием процессов формования установлены границы применимости предложенных математических моделей на основе экспериментальных данных; проведено экспериментальное исследование потери устойчивости пластического течения листовых образцов (разной толщины) с разными концентраторами напряжений из различных по химическому и фазовому составам сталей;

Практическую ценность результатов работы представляют практические рекомендации по применению разработанных моделей и созданные компьютерные программные средства.

Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций, а также основывается на согласованности данных эксперимента и теоретических выводов полученных на широком спектре исследуемых сталей.

Апробация результатов работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях:

XII международный симпозиум по проблемам пластичности, Канада, г. Халиг. IV Европейская научная конференция «Европейская школа материаловедения и инженерии», Испания, г. Барселона, 2007 г.; XVIII Конгресс механики франкоговорящих стран, Франция, г. Гренобль, 2007 г.; III Франко-русский конгресс «Новые достижения в материаловедении», Франция, г. Метц, 2007 г.; IV Евразийская научная конференция «Прочность неоднородных структур ПРОСТ 2008», Россия, г. Москва, 2008 г.; Симпозиум франкоговорящих стран по пластичности, Франция, г. Нанси, 2008 г.; XI Международный конгресс по формованию материалов (ESAFORM), Франция, г. Лион, 2008 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе в изданиях рекомендованных ВАК.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.

Работа содержит 160 страниц текста, 78 рисунков, 5 таблиц и 189 наименование библиографии.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Изложены цели и задачи диссертационной работы.

Первая глава содержит литературный обзор о математическом описании пластичности материала, моделировании анизотропии листового материала, его нелинейного упрочнения под нагрузкой, эффектам Баушингера и поперечного упрочнения. Кроме того, рассмотрены существующие модели поведения материала в процессах формования с упругим возвратом, в стационарных двумерных процессах и  в процессах с возможной потерей стабильности пластического течения. В конце главы содержится обоснование поставленных в диссертации целей.

Во второй главе предложена теоретическая модель, описывающая поведение листового материала в процессах формования с последующим упругим возвратом.

Геометрия автолиста (толщиной h) определяется при помощи двух параметров – кривизны (k) и деформации срединной линии (е10). Эти два параметра позволяют полностью определить деформационное состояние материала, а при упругой деформации и напряжение. В пространстве параметров деформации (е10,hk) граница упругой области представляет собой ромб с диагоналями, совпадающими с осями координат (рис.1).

Рисунок 1. Области разного деформирования в пространстве (е10,hk) и распределение напряжений у1 по толщине в случае упругого-абсолютно пластичного материала

Аналогичную область можно построить и в пространстве усилий (hN, M), где N определяет нормальное растягивающее усилие листа, а M – изгибающий момент. В первоначальном состоянии она также имеет форму ромба с диагоналями на осях координат.

При деформации листа точка, описывающая состояние деформаций движется в пространстве (е10,hk), описывая определенную кривую. Аналогичный процесс происходит и в пространстве усилий. Если деформация любой точки автолиста в выбранном сечении упругая, то кривая пространства деформаций, полностью лежащая в упругой области, является линейным прообразом кривой пространства усилий. В этом случае любое приращение  деформации связано с приращением усилий по формулам:

(1а)

(1б)

где б=E/(1-н2), а E – модуль Юнга, н – коэффициент Пуассона.

В работе показана трансформация упругой области при пластификации в областях 1, 2, 8 (рис.1), а также даны уравнения, описывающие ее границу. Пластификация в остальных областях аналогична. Показано также, что материал с эффектом поперечного упрочнения (описываемого изотропным упрочнением) в какой-то мере расширяет упругую область, а материал с эффектом Баушингера (описываемого трансляционным упрочнением) – ее сужает. Для упругого-абсолютно пластичного материала происходит трансляция упругой области.

При пластификации материала уже не существует линейной связи между приращениями деформаций и приращениями усилий. В зависимости от области (рис.1), в которую попадает точка состояния деформаций при пластификации, зависимости между приращениями деформаций и приращениями усилий будут различными. Так для области 1 эта связь определяется следующими уравнениями: