Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки

Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки

Предлагается новый подход к моделированию контактного взаимодействия системы тел. Для обеспечения вариативности разработана методология параметризации. Она охватывает все этапы исследований. В частности, на примере элементов штамповой оснастки проиллюстрированы результаты расчетов напряженно-деформи...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2014
Автор: Дёмина, Н.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2014
Назва видання:Проблемы машиностроения
Теми:
Динамика и прочность машин
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81025
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки / Н.А. Дёмина // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 4. — С. 31-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-81025
record_format dspace
spelling irk-123456789-810252015-05-01T03:02:00Z Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки Дёмина, Н.А. Динамика и прочность машин Предлагается новый подход к моделированию контактного взаимодействия системы тел. Для обеспечения вариативности разработана методология параметризации. Она охватывает все этапы исследований. В частности, на примере элементов штамповой оснастки проиллюстрированы результаты расчетов напряженно-деформированного состояния системы из трех тел. Пропонується новий підхід до моделювання контактної взаємодії системи тіл. Для забезпечення варіативності розроблено методологію параметризації. Вона охоплює всі етапи досліджень. Зокрема, на прикладі елементів штампового оснащення проілюстровані результати розрахунків напружено-деформованого стану системи із трьох тіл. A new approach to modeling of contact interaction of bodies is proposed. Parameterization methodology was developed to provide variativity. It covers all stages of the research. In particular, the results of stress-analisis for a system of three bodies are presented as an example for die equipment. 2014 Article Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки / Н.А. Дёмина // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 4. — С. 31-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0131-2928 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81025 539.3 ru Проблемы машиностроения Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Динамика и прочность машин
Динамика и прочность машин
spellingShingle Динамика и прочность машин
Динамика и прочность машин
Дёмина, Н.А.
Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки
Проблемы машиностроения
description Предлагается новый подход к моделированию контактного взаимодействия системы тел. Для обеспечения вариативности разработана методология параметризации. Она охватывает все этапы исследований. В частности, на примере элементов штамповой оснастки проиллюстрированы результаты расчетов напряженно-деформированного состояния системы из трех тел.
format Article
author Дёмина, Н.А.
author_facet Дёмина, Н.А.
author_sort Дёмина, Н.А.
title Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки
title_short Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки
title_full Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки
title_fullStr Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки
title_full_unstemmed Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки
title_sort параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки
publisher Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate 2014
topic_facet Динамика и прочность машин
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/81025
citation_txt Параметрические модели для исследования контактного взаимодействия элементов штамповой оснастки / Н.А. Дёмина // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 4. — С. 31-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Проблемы машиностроения
work_keys_str_mv AT dëminana parametričeskiemodelidlâissledovaniâkontaktnogovzaimodejstviâélementovštampovojosnastki
first_indexed 2025-07-06T05:17:27Z
last_indexed 2025-07-06T05:17:27Z
_version_ 1836873471454347264
fulltext ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 31 Н. А. Дёмина, канд. техн. наук Таврический государственный агротехнологический университет, г. Мелитополь, e-mail: deminanatasha@yandex.ru Ключові слова: математична мо- дель, параметрична модель, система призматичних тіл, контактна взаємодія. УДК 539.3 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ Пропонується новий підхід до моделювання контактної взаємодії си- стеми тіл. Для забезпечення варіативності розроблено методологію параметризації. Вона охоплює всі етапи досліджень. Зокрема, на при- кладі елементів штампового оснащення проілюстровані результати розрахунків напружено-деформованого стану системи із трьох тіл. Введение В работе [1] описана постановка задачи о контактном взаимодействии системы нескольких тел. Она сведена к проблеме линеаризации функционала полной внутренней энергии на множестве функций, удовлетворяющих ограничениям типа неравенств. Предложенный подход без принципи- альных ограничений поддается численной реализации, например, с использованием метода конечных элементов [2]. В то же время параллельно возникает другая проблема. Она касается необходимости проведения не одного или нескольких решений контактной задачи, а многовариантных расчетов с варьированием различных параметров. Напрямую автоматизация таких исследований зачастую за- труднена. В связи с этим требуется разработка подходов, данное противоречие разрешающих. В этом состоит цель настоящей работы. Постановка задачи Рассмотрим, без снижения общности, задачу о контактном взаимодействии трех призматиче- ских тел на примере элементов штамповой оснастки. На рис. 1 представлена схема взаимодействия в системе «пуансон – листовой материал (заготовка) – матрица». Форма пуансона была выбрана в виде цилиндра, заготовки – круглой пластины, матрица – полый цилиндр с утолщением на конце (поясок для упрощения проталкивания детали). С учетом осе- вой симметрии конструкции, нагрузок и граничных условий задача решается в осесимметричной по- становке. Методика исследований Согласно постановке [1] построена расчетная схема задачи, которая была рассчитана в про- граммном комплексе ANSYS. Для описания поведения материала используется линейная упругая модель, а для каждого из элементов задается свой материал. © Н. А. Дёмина, 2014 Рис. 1. Схема приложения нагрузок и граничные условия: 1 – пуансон; 2 – заготовка; 3 – матрица Рис. 2. Геометрическая и конечноэлементная модели исследу- емой системы «пуансон – штампуемый материал – матрица» ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 32 Геометрия строилась снизу вверх: создавались точки, линии, области. По опыту решения подобных задач [3] были выявлены основные особенности: контакт реализуется вдоль режущих кро- мок по ширине 0,1÷0,5t (t – толщина штампуемого материала); большие градиенты напряжений – вблизи режущих кромок; более однородное напряженное состояние – вдали от режущих кромок. Учитывая эти особенности, сетка сгущена в области кромок (рис. 2). Геометрия создана специально для регулярного разбиения и предварительно разбита на четы- рехугольные подобласти. Контакт типа «поверхность – поверхность» задается в Contact Wizard. На- значаются контактные и целевые поверхности. Автоматически область контакта разбивается с помо- щью контактных элементов TARGE169 и CONTA172. Выбирается для решения задачи модифициро- ванный метод множителей Лагранжа с параметрами по умолчанию. К модели прикладываются нагрузки – постоянное давление на верхнюю поверхность пуансо- на и закрепление нижней поверхности матрицы. Затем производится решение задачи. Многовариантный расчет использует вызов ANSYS'а в batch режиме с передачей командного файла через start80.ans, из которого последовательно в цикле вызываются командные файлы, выпол- няющие простые операции. 1 MN MX DMX =.460E-04 SMN =-30.597 SMX =89.501 -30.597 -17.252 -3.908 9.436 22.78 36.124 49.469 62.813 76.157 89.501 MN MX CONTPRES (AVG) DMX =.460E-04 SMX =505.129 0 56.125 112.251 168.376 224.502 280.627 336.753 392.878 449.004 505.129 Касательные напряжения Контактные давления Рис. 3. Распределение напряжений в исследуемой системе при беззазорной штамповке 1 MNMX EFACET 1 AVRES=Mat DMX =.985E-04 SMN =-81.78 SMX =155.114 -81.78 -55.458 -29.136 -2.815 23.507 49.828 76.15 102.471 128.793 155.114 MN MX CONTPRES (AVG) DMX =.985E-04 SMX =941.174 0 104.575 209.15 313.725 418.299 522.874 627.449 732.024 836.599 941.174 Касательные напряжения Контактные давления Рис. 4. Распределение напряжений в исследуемой системе при штамповке с 10%-м зазором ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 33 Для обеспечения вариативности исследуемых объектов адаптирован подход обобщенного па- раметрического моделирования [4]. В соответствии с ним все варьируемые факторы модели иссле- дуемого процесса или состояния рассматриваются как обобщенные параметры pk. Совокупность этих параметров формирует обобщенное параметрическое пространство P, каждая точка которого иден- тифицирует исследуемую модель. Определяя в параметрическом пространстве некоторое дискретное множество точек, можно организовать процесс численных исследований, работающий в автомати- зированном режиме. При этом можно контролировать некоторые характеристики hs (напряжения, пе- ремещения и т.п.), которые выбираются из массивов результатов расчета. В итоге получаем парамет- рические зависимости hs = hs(p1, p2, …, pk, …, pN). С использованием предложенного подхода прове- дены исследования напряженно-деформированного состояния элементов системы «матрица – мате- риал – пуансон», контактирующих между собой (см. рис. 1). Результаты исследований В ходе многовариантного расчета контролируется ряд скалярных параметров и распределе- ний, приведенных ниже. Данные величины определяются с помощью специального макроса на языке APDL ANSYS. Контролируются распределение контактных давлений и напряжений по толщине за- готовки между режущими кромками. Для контроля возможных ошибок сохраняется база каждого расчета. Затем модель полностью удаляется. Файлы с контролируемыми параметрами обрабатывает- ся в Exel. На рис. 3–5 представлены картины, характеризующие напряженно-деформированное состоя- ние в режущих элементах штампов и в штампуемом материале, а на рис. 6 – характерные картины распределения компонент контактных давлений в исследуемой системе. X Y Z AVRES=Mat DMX =.460E-04 DSCA=54.319 ZV =1 DIST=.027568 XF =.025062 YF =.795E-03 Z-BUFFER MN MX X Y Z AVRES=Mat DMX =.460E-04 SMN =-.274E-05 SMX =.293E-05 -.274E-05 -.211E-05 -.148E-05 -.850E-06 -.220E-06 .410E-06 .104E-05 .167E-05 .230E-05 .293E-05 Деформированное состояние Распределение осевых перемещений Рис. 5. Распределение перемещений в исследуемой системе 0,00E+00 1,00E+02 2,00E+02 3,00E+02 4,00E+02 5,00E+02 6,00E+02 7,00E+02 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Рис. 6. Характерные распределения контактных давлений (МПа) по радиальной координате (мм) 0,00E+00 1,00E+02 2,00E+02 3,00E+02 4,00E+02 5,00E+02 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Рис. 7. Зависимость распределения контактного давления при различных нагрузках (Н): ––♦–– 5000, ––■–– 7500, ––▲–– 10000, ––×–– 20000, ––∗–– 40000 ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 34 Анализ полученных распределений и параметрических зависимостей контролируемых вели- чин от варьируемых параметров штампов позволяет сделать следующие основные выводы: − контакт со штампуемым материалом реализуется вдоль режущих кромок по ширине 0,1÷0,5t (t – толщина штампуемого материала), контактное давление между инструментом и заготовкой имеет колоколообразный с максимумом на кромке вид, указанный на рис. 6; − размеры зоны контакта и вид контактного давления слабо зависят от величины приложенной на- грузки (рис. 7); − с уменьшением толщины заготовки и с ростом величины относительного зазора контактные дав- ления и эквивалентные напряжения в заготовке возрастают; − увеличение толщины заготовки приводит к увеличению относительной ширины зоны контакта (рис. 8, 9); − уменьшение технологического зазора между матрицей и пуансоном может достигать значитель- ных величин, соизмеримых с самим зазором, что необходимо учитывать при назначении номи- нального зазора в процессе проектирования того или иного конкретного штампа (рис. 10). Выводы Анализ полученных результатов позволяет сделать некоторые общие выводы. В целом пред- ложенный подход и разработанный комплекс моделей являются достаточно эффективными работоспо- собными инструментами для численного моделирования напряженно-деформированного состояния сис- темы контактирующих тел, например режущих элементов разделительных штампов, с целью выявления общих закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния, зависимости его характе- ристик от конструктивных и технологических параметров. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 Рис. 8. Зависимость относительной ширины контакта от величины зазора (мм) для 5-ти толщин заготовки (мм) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0005 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0005 0 100 200 300 400 500 600 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0005 а) б) в) Рис. 9. Распределение контактного давления (МПа) для различных величин зазора: а) – 1; б) – 3; в) – 5 мм Скалярные параметры № параметра Максимальные эквивалентные напряжения по Мизесу 1 p iσ 2 z iσ 3 m iσ Радиальные перемещения режущих кромок 4 p ru 5 m ru ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 35 Таким образом, предложенный подход в дальнейшем можно применять для исследования контактного взаимодей- ствия системы нескольких тел и обосно- вания их проектных параметров. Литература 1. Демина, Н. А. Математическое моделиро- вание контактного взаимодействия систе- мы призматических тел / Н. А. Демина // Пробл. машиностроения. – 2014. – Т. 17, № 3. – С. 52–56. 2. Belytschko, T. Contact-Impact by the Pinball Algorithm with Penalty and Lagrangian Methods / T. Belytschko, M. O. Neal // Int. J. Numerical Methods Eng. – 1991. – Vol. 31. – Р. 547–572. 3. Дьоміна, Н. А. Удосконалення методів розра- хунку елементів штампового оснащення на основі аналізу їх напружено-деформованого стану: Автореф. дис. … канд. техн. наук. / Н. А. Дьоміна – Харків, 2011. – 20 с. 4. Конечно-элементные модели элементов сложных механических систем: технология автоматизированной генерации и параметризованного описания / Н. А. Ткачук, Г. Д. Гриценко, А. Д. Чепурной и др. // Механика и машиностроение – Харьков: НТУ «ХПИ», 2006. – № 1. – С. 57–79. Поступила в редакию 13.10.14 0 0,1 0,2 0,3 0,5 1 3 5 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Уменьшение зазора, мкм 7,0-8,0 6,0-7,0 5,0-6,0 4,0-5,0 3,0-4,0 2,0-3,0 1,0-2,0 0,0-1,0 Рис. 10. Зависимость изменения зазора (мкм) от относительного зазора и толщины (мм)

Схожі ресурси