КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ

В работе рассматриваются вопросы совершенствования процесса изготовления трехслойных полых конструкций из титанового сплава ВТ6, изготовленных по технологии, комбинирующей сверхпластическую формовку (СПФ) и сварку давлением (СД). Для  оптимизации процесса формовки целесообразно использовать конечноэлементное моделирование, для которого необходимо задание адекватных определяющих  соотношений, описывающих отклик материала на термомеханическое воздействие, а также  феноменологического закона трения на поверхности контакта деформируемого материала с формообразующей матрицей. Для нахождения материальных  констант в определяющих соотношениях и коэффициента трения прибегают к тестовым  формовкам листового материала в матрицы различных форм. В таких экспериментах  реализуется двухосное нагружение, как и в реальных процессах изготовления  сложнопрофильных конструкций из листовых материалов методом СПФ. С этой целью  выполнено конечно-элементное моделирование СПФ листовых заготовок в матрицы двух  типов: протяженную, имеющую в поперечном сечении форму равнобедренного треугольника, и коническую. Даны рекомендации по выбору оптимального угла при  вершине, определяющего геометрию матриц, при котором обеспечивается постоянство  действующих напряжений в ходе формовки при постоянном давлении, что позволяет  существенно упростить анализ результатов эксперимента. Установлено, что на выбор угла  матриц оказывают влияние различные факторы: для протяженной матрицы это  коэффициент трения на границе заготовка-матрица, а для конической матрицы -  образующаяся при формовке разнотолщинность. На основании численного моделирования  процесса формовки листовых заготовок в матрицы дана методика оценки коэффициента  трения на контактной поверхности заготовка-матрица. С использованием материальных  констант определяющего соотношения, рассчитанных по предложенным методикам и  рекомендациям, проведено конечноэлементное моделирование процесса СПФ трехслойных  полых конструкций. Установлены технологические ограничения на геометрические  параметры конструкций такие, как угол наклона ребер жесткости и отношение толщины  обшивки к толщине заполнителя, обеспечивающие формовку без образования складок на  обшивках и минимальную разнотолщинность ребер жесткости.

1. Bonet J., Gil A., Wood R.D., Said R., Curtis R.V. Simulating superplastic forming // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2006. Vol. 195. Issue 48-49. P. 6580–6603. doi: 10.1016/j.cma.2005.03.012

2. Pradeep P., Ayyanar S., Balasubramanian M., Ramanathan K. and Senthilkumar V.S. Advanced Finite Element Analysis and Simulation in Superplastic Forming Process of Stepped Semispherical Die // Journal of Applied Sciences. 2012. Vol. 12. Issue 10. P. 1048-1052.

3. Система прочностного анализа Fidesys, [электронный ресурс] URL http://www.cae-fidesys.com

4. Левин В.А. Зингерман К.М. Точные и приближенные аналитические решения при конечных деформациях и их наложении. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2016. — 393 с.

5. Левин В. А., Калинин В. В., Зингерман К. М., Вершинин А. В. Развитие дефектов при конечных деформациях. Компьютерное и физическое моделирование / Под ред. В. А. Левина. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 392 с.

6. Левин В. А., Морозов Е. М., Матвиенко Ю. Г. Избранные нелинейные задачи механики разрушения / Под ред. В. А. Левина. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 407 с.

7. Akhunova A., Dmitriev S., Kruglov A., Safiullin R., Constitutive relations for superplastic flow modeling from two axial loading experiments // Key Engineering Materials. 2010. Vol. 433. P. 319-323.

8. Левин В.А., Зингерман К.М. О построении эффективных определяющих соотношений для пористых упругих материалов при конечных деформациях и их наложении // Доклады РАН. 2002. Т. 382, № 4. С. 482–487.

9. Simulation designed for designers, [электронный ресурс] URL https://www.sim4design.com/en/index

10. Lederich R.J., Sastry S.M.L., Hayase M., Mackay T.L. Superplastic formability testing // Journal of Metals. 1982. Vol. 34. Issue 8. P. 16-20.

11. Ghosh A.K., Hamilton C.H. On constant membrane stress test for superplastic metals // Metallurgical Transactions A. 1980. Vol. 11. Issue 11. P. 1915-1918.

12. Ахунова А. Х., Дмитриев С. В. Оптимизация формы матриц для тестовых сверхпластических формовок листовых заготовок // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 11. C. 40-44.

13. Ахунова А. Х., Дмитриев С. В., Круглов А. А., Сафиуллин Р. В. Сверхпластическая формовка листовых заготовок в протяженную клиновую матрицу // Деформация и разрушение материалов. 2010. №9. C. 38-41.

14. Панченко Е.В., Алексеев П.А. Влияние контактного трения на формообразование тонкостенных оболочек в режиме сверхпластичности // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2012. № 7. С. 37-40.

15. Ахунова А.Х., Дмитриев С.В., Круглов А.А., Сафиуллин Р.В. Методика оценки коэффициента трения при сверхпластической формовке листового материала в конической матрице // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2009. № 6. С. 15-19.

16. Петров Е.Н., Родионов В.В., Кузьмин Э.Н., Лутфуллин Р.Я., Сафиуллин Р.В. Ячеистые конструкции. Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2008, 176 с.

17. Сафиуллин Р.В. Сверхпластическая формовка и сварка давлением многослойных полых конструкций Часть I. Международный опыт // Письма о материалах. 2012. Т. 2(1). С. 32-35.

18. Сафиуллин Р.В. Сверхпластическая формовка и сварка давлением многослойных полых конструкций Часть II. Опыт ИПСМ РАН // Письма о материалах. 2012. Т. 2(1). С. 36-39.

19. Способ изготовления полой вентиляторной лопатки // Патент РФ 2555274, МПК, B21D 53/78. Опубликован 10.07.2015. Бюл. №19. / Морозов М.А., Трифонов В. Г., Харин С.А., Сафиуллин Р.В., Мулюков Р.Р., Манапов И.У., Иноземцев А.А., Павлинич С.П., Артюхов А.В.

20. Темис Ю. М., Худяков А. П. Математическое моделирование операций изотермической штамповки и сверхпластической формовки изготовления полой лопатки вентилятора // Вестник УГАТУ. 2015. Т. 19, № 3 (69). С. 50–60.

21. Ахунова А.Х., Дмитриев С.В., Круглов А.А., Сафиуллин Р.В. Моделирование процесса сверхпластической формовки полых конструкций с гофрированным заполнителем из титанового сплава ВТ6 // Перспективные материалы. 2011. № 12. С. 42-44

22. Ахунова А.Х., Дмитриев С.В., Круглов А.А., Сафиуллин Р.В. Моделирование процесса сверхпластической формовки трехслойных полых конструкций для определения ограничений на их геометрические параметры // Деформация и разрушение материалов. 2012. №11. С. 38-41.

23. Ахунова А.Х., Пшеничнюк А.И., Дмитриев С.В., Сафиуллин А.Р., Сафиуллин Р.В. Оптимизация параметров сверхпластической формовки полых трехслойных конструкций // Деформация и разрушение материалов. 2013. №7. С. 33-38.

24. Сафиуллин А.Р., Сафиуллин Р.В., Сафин Ф.Ф., Ахунова А.Х., Дмитриев С.В. Оптимизация процесса сверхпластической формовки трехслойных полых конструкций // Перспективные материалы. 2013. № 15. С. 114-118.