Компьютерное моделирование раздачи труб горячим прессованием методом конечных элементов. Анализ динамики изменения геометрии деформируемой трубы относительно конусного участка профилированной иглы. Распределение напряжений по объему очага деформации.
Трубы из высокопрочных алюминиевых сплавов, имеющих наружные утолщения на концах и плавный переход от них к основному телу трубы, находят широкое применение в бурильной технике [1]. Расчеты по раздаче трубы при осевом сжатии обычно ограничены конической формой инструмента [2-8], анализом деформации при раздаче в холодном состоянии [6-8], приближенным учетом изменения толщины стенки и размеров трубы при внеконтактной деформации [10-12], образованием при контакте заготовки с конусом и ее сходе с конуса инструмента криволинейной формы образующей, которую трудно рассчитать теоретически [7, 8]. Числовой расчет раздачи трубы прессованием рассмотрен на примере трубы с размерами основного сечения Ж260Ч220 мм и наружного утолщения Ж280Ч220 мм из алюминиевого сплава Д16. Геометрическая модель соответствует условиям осесимметричного нагружения. раздача труба горячий прессование В начальной стадии процесса раздачи происходит упругое сжатие и деформация переднего торца трубы на конусном участке бурта иглы, что приводит к увеличению диаметра краевой части трубы и образованию зазора между внутренней поверхностью трубы и иглы, рис.
Введение
Трубы из высокопрочных алюминиевых сплавов, имеющих наружные утолщения на концах и плавный переход от них к основному телу трубы, находят широкое применение в бурильной технике [1]. Требуемая конфигурация бурильных труб получается при горячем прессовании за счет конструкции профилированной иглы, меняющей свое положение относительно канала матрицы [2-5].
Расчеты по раздаче трубы при осевом сжатии обычно ограничены конической формой инструмента [2-8], анализом деформации при раздаче в холодном состоянии [6-8], приближенным учетом изменения толщины стенки и размеров трубы при внеконтактной деформации [10-12], образованием при контакте заготовки с конусом и ее сходе с конуса инструмента криволинейной формы образующей, которую трудно рассчитать теоретически [7, 8].
Известно, что при раздаче трубы прессованием на профилированной игле место перехода конусного участка в цилиндрический целесообразно выполнить скругленным [11]. Поэтому разработка компьютерной модели раздачи трубы в горячем состоянии с учетом скруглений в местах сопряжения цилиндрических и конических участков профилированной иглы представляется актуальной практической задачей.
Постановка задачи. В настоящей работе проведено компьютерное моделирование процесса раздачи труб горячим прессованием с помощью метода конечных элементов в специализированном программном комплексе DEFORM-2D [13]. Числовой расчет раздачи трубы прессованием рассмотрен на примере трубы с размерами основного сечения Ж260Ч220 мм и наружного утолщения Ж280Ч220 мм из алюминиевого сплава Д16. На рис. 1 показан компьютерная модель раздачи трубы прессованием. Внутренний диаметр трубы совпадает с диаметром шейки иглы 3 и равен 200 мм.
IMG_86584dbc-e261-41b7-8e01-d76fb315cfe5
Рисунок 1. Геометрическая модель для моделирования раздачи трубы 1 на конусе бурта 2, иглы 3, толкателем 4 (рисунок авторов)
Наружный диаметр трубы совпадает с диаметром канала матрицы и равен 260 мм.
Диаметр цилиндрического участка бурта иглы равен 220 мм. Температура нагрева трубы 440°С, профилированной иглы 3 и толкателя 4-400°С. Число конечных элементов в трубе - 1000, профилированной игле - 4000, толкателе - 100. На поверхности контакта трубы с профилированной иглой действуют касательные напряжения трения, определяемые по закону Зибеля. Коэффициент трения принят равным 0,2. Скорость перемещения толкателя 1мм/сек, коэффициент теплопередачи между трубой и инструментом 11 Квт (м2К). Материал инструмента сталь AISI-H-13 (4X5МФ1С). Угол конусного участка бурта 10°-30°. Геометрическая модель соответствует условиям осесимметричного нагружения. раздача труба горячий прессование
Анализ результатов
Первые результаты компьютерного моделирования показали, что отсутствие радиусного перехода между конусным и цилиндрических участками бурта может привести к образованию поверхностного дефекта внутри трубы "зажим", рис. 2. При радиусе скругления ?? ? 10мм такой дефект исчезает.
IMG_2cd2641e-84b6-454f-aee9-547665bf04e6
Рисунок 2. Образование внутри трубы при раздаче горячим прессованием дефекта "зажим" (рисунок авторов)
На рис. 3 представлен график изменения усилия раздачи в зависимости от времени процесса. В начальной стадии процесса раздачи происходит упругое сжатие и деформация переднего торца трубы на конусном участке бурта иглы, что приводит к увеличению диаметра краевой части трубы и образованию зазора между внутренней поверхностью трубы и иглы, рис. 4а.
IMG_ebe6efbf-a0c4-4c20-b6d6-423a5270067d
Рисунок 3. График изменения усилия раздачи прессованием в зависимости от времени перемещения толкателя (рисунок авторов)
IMG_b577b163-e3af-4290-97e9-645fc68d903e
д
Рисунок 4. Положение деформируемой трубы относительно конусного участка профилированной иглы с ?? = 30°и радиусом скругления ?? = 50мм на различных стадиях раздачи (рисунок авторов)
В этот момент усилие раздачи резко достигает первого экстремума. Далее происходит некоторое снижение усилия. Это объясняется тем, что при увеличении поперечных размеров краевой части трубы уменьшается усилие, необходимое для создания изгибающего момента, образующего первый участок свободного изгиба при внеконтактной деформации, а также и сила трения по шейке иглы, рис. 4б.
По мере увеличения объема очага деформации вновь отмечен более плавный рост усилия деформирования, рис. 4в, до момента достижения второго экстремума. При последующем перемещении трубы усилие несколько снижается. Наружный диаметр краевой части трубы начинает уменьшаться и спрямляться. При этом наблюдается некоторый рост усилия, рис. 4г. Далее наступает стадия установившегося процесса раздачи, рис. 4д.
В процессе раздачи в трубе возникают окружные ???? и меридиональные ???? напряжения, неравномерно распределенные по объему очага деформации, рис.5. Знаки напряжений определяются положением рассматриваемого сечения в очаге деформации. В местах изгиба участков трубы, расположенных в области потери контакта трубы с шейкой иглы и в области сопряжения конусного и цилиндрических участков, исходя из распределения меридиональных напряжений наблюдаются зоны растяжения и сжатия по толщине стенки трубы. В области первого изгиба в наружных слоях меридиональные напряжения сжимающие, а в внутренних - растягивающие. В области второго изгиба знаки меридиональных напряжений по толщине стенки трубы меняются на противоположные. В области внеконтактной деформации меридиональные напряжения вновь меняют знак, уменьшаясь по величине, и создают изгибающий момент для спрямления изогнутых элементов трубы за счет смещения зон растяжения и сжатия относительно друг друга в меридиональном направлении. Окружные напряжения из сжимающих переходят в растягивающие, увеличиваясь от наружной поверхности к внутренней, что и приводит к потере контакта трубы с иглой. В зоне радиусного перехода сжимающие окружные напряжения достигают наибольших значений по абсолютной величине, а на наружной поверхности они растягивающие. По мере продвижения трубы в области внеконтактной деформации ???? уменьшается постепенно до нулевых значений.
IMG_ad018439-0fea-4f1f-8752-b7526af044b7
Рисунок 5. Распределение меридиональных ???? и окружных ???? напряжений при раздаче труб прессованием (рисунок авторов)
Труба в процессе раздачи на конусном участке прессовой иглы претерпевает определенную деформацию, обусловленную механизмом процесса [2-8]. Величина деформации, определяемая параметрами процесса раздачи, зависит, главным образом, от соотношения толщины стенки утолщения ??ут и толщины стенки основного сечения трубы переменного сечения ??осн ??ут/??осн(??Ю1), угла конусного участка ??(??Ю2) и радиусного перехода на границе сопряжения конусного и цилиндрического участков ??(??Ю3). Поэтому представляет известный интерес изучения совместного влияния этих факторов на усилие раздачи ??, приращение внутреннего диаметра трубы вследствие внеконтактной деформации ???, ???ут уменьшения толщины стенки утолщения (
IMG_7fce54b0-a4cd-4d17-9dbf-a63ad0b13fca ) • 100%, изменение наибольших и наименьших ??ут меридиональных напряжений ???? ?????? (наружная поверхность) и ???? ?????? (внутренняя поверхность) в зоне сопряжения конусного и цилиндрического участков иглы, максимального отклонения внутренней трубы ? от места сопряжения шейки и конуса бурта иглы.
Исследование проводили по плану полного факторного эксперимента 23 [14]. Согласно априорной информации [2-8] приняты следующие интервалы варьирования факторов: ??Ю1=1,2…1,8, ??Ю2=10…30, ??Ю3=10…50 мм, табл. 1.
Таблица 1 Условия проведения и результаты численных экспериментов
Номер опыта ??ут
IMG_4c5361b8-db85-432c-9557-848efabac404
??осн?? град ?? мм P KH ???
IMG_8c838e71-61f2-48f8-8bb4-9b56b22fbea6
2 мм ???р ут
IMG_736d92bd-1a54-4e22-ad91-28f2fa330459
??ут% ? мм ???? ?????? МПА ???? ?????? МПА
11,830502525,76,44,739-79
21,230501505,55,84,840-77
31,81050226,46,13,16-14
41,21050145,25,43,16-11
51,830103206,67,85,933-76
61,230101837,55,05,434-78
71,81010216,46,42,85-14
81,21010165,85,43,16-11
В результате обработки численных экспериментальных данных получены уравнения регрессии
Из анализа полученных уравнений видно, что главный параметр, влияющий на изменение усилия раздачи - это угол конусного участка иглы. С уменьшением угла ?? усилие раздачи существенно снижается. Увеличение радиуса скругления приводит к падению усилия раздачи, а параметра ??ут/??осн наоборот - росту усилия.
Приращение внутреннего диаметра трубы в зоне внеконтактной деформации ??? тем больше, чем больше ??ут/??осн и угол наклона образующей конусного участка ??. Увеличивая радиус скругления можно существенно снизить величину приращения ???. Зная ???, нетрудно определить диаметр цилиндрического участка бурта, при котором после раздачи получится требуемый внутренний диаметр готовой трубы.
Утонение стенки трубы после раздачи изменяется в интервале (5,0-7,8%) и зависит главным образом от величины ??ут/??осн. Учет утонения стенки при расчете диаметра шейки иглы позволит получить требуемую толщину стенки утолщения готовой трубы.
На распределение меридиональных напряжений, действующих в поверхностных слоях в переходной зоне конусного и цилиндрического участков бурта, наиболее сильное влияние оказывает конусность бурта. При углах конусности 10 и 30 меридиональные напряжения отличаются друг от друга в 5-7 раз. Это объясняется тем, что с уменьшением ?? возрастает протяженность зоны деформирования и соответственно, длина иглы, при создании изгибающего момента.
Максимальное отклонение внутренней поверхности трубы ? от места сопряжения шейки и конусного участка иглы изменяется в интервале 3,1 - 5,9 мм. Наибольший вклад в величину ? вносит угол конуса бурта и совместное влияние угла конуса бурта и радиуса скругления. Для уменьшения ? целесообразно в месте сопряжения шейки иглы и конуса выполнить радиусный переход.
Список литературы
1. Файн, Г.М. Состояние и перспективы производства и применение труб нефтепромыслового сортамента из алюминиевых сплавов [Текст] / Г.М. Файн, Е.М. Макаров - Территория Нефтегаз, 2007, №5 - с. 66-71.
2. Ерманок, М.З., Каган А.С., Головинов М.Ф. Прессование труб из алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1976. 248 с.
3. Каган, Л.С., Ерманок М.З., Ерохов В.К. Прогрессивная технология прессования бурильных труб переменного сечения из алюминиевых сплавов. М.: Из-во ин-та "Цветметобработка". 1969. 48 с.
4. Каранашев, Р.А. Совершенствование процесса производства бурильных труб из алюминиевых сплавов. Автореферат дис. канд. тех. наук. 05.15.05. М.: 1993. 24 с.
5. Каган, Л.С. Разработка научных основ прессования с раздачей и технологии производства труб переменного сечения из алюминиевых сплавов. Автореферат дис. канд. тех. наук. 05.15.05. М.: Вилс, 1992. 36 с.
6. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
7. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение. 1977. 278 с.
8. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубич И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. М.: Изд. МВТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. 408 с.
9. Непершин, Р.И. Раздача тонкостенной трубы криволинейным жестким пуансоном // Вестник МГТУ Станкин. 2009, №4, с. 54-60.
10. Подкустов В.П., Шевакин И.Ф. Интенсификация процессов производства труб. М.: Изд-во ВЗМИ, 1972, с. 193-202.
11. Каранашев, Р.А. Определение внутреннего диаметра при прессовании бурильных труб с наружным утолщением // Технология легких сплавов, 1991, №8, с. 18-20.
12. Каган Л.С., Головинов М.Ф., Кокоуров В.Н., Ерохов В.К. Расчет инструмента для прессования труб переменного сечения // Технология легких сплавов, 1973, №6, с. 98-99.
13. Каргин В.Р., Быков А.П., Каргин Б.В., Ерисов Я.А. Моделирование процессов обработки металлов давлением в программе DEFORM-2D. Самара. Изд-во МИР, 2011. 170 с.
14. Адлер Ю.П., Марков Е.В., Граковский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. 1976. 278 с.
1. Fain, G.M. State and prospects of production and application of pipes of an oilfield range from aluminum alloys. Territoriya Neftegaz, 2007, No5. P 66-71.
2. Ermanok, M.Z., Kagan A.S., Golovinov M.F. Pressing of pipes from aluminum alloys. Moscow, Metallurgiya, 1976. P. 248.
3. Kagan, L.S., Ermanok M.Z., Erokhov V.K. Progressive technology of pressing of boring pipes of variable section from aluminum alloys. Pub. "Tsvetmetobrabotka". 1969. P. 48.
4. Karanashev, R.A. Improvement of process of production of boring pipes of aluminum alloys. Abstract of the thesis. 05.15.05. 1993. P. 24.
5. Kagan, L.S. Development of scientific bases of pressing with distribution and production technologies of pipes of variable section from aluminum alloys. Abstract of the thesis. 05.15.05.Vils, 1992. P. 36.
6. Averkiev, Yu.A., Averkiev A.Yu. Technology of cold stamping. Moscow, Mashinostroenie, 1989. P. 304.
7. Popov, E.A. Bases of the theory of sheet stamping. Moscow, Mashinostroenie. 1977. P. 278.
8. Popov, E.A., Kovalev V.G., Shubich I.N. Technology and automation of sheet stamping. MVTU name N.E. Baumana. 2003. P. 408.
9. Nepershin, R.I. Distribution of a thin-walled pipe curvilinear rigid punch. Vestnik MGTU Stankin. 2009, No4, P. 54-60.
10. Podkustov, V.P., Shevakin I.F. Intensification of processes of production of pipes. Pub. VZMI, 1972, P. 193-202.
11. Karanashev, R.A. Determination of internal diameter when pressing boring pipes with an external thickening. Moscow, Technology of easy alloys, 1991, No8, P. 18-20.
12. Kagan, L.S., Golovinov M.F., Kokourov V.N., Erokhov V.K. Calculation of the tool for pressing of pipes of variable section. Moscow, Technology of easy alloys, 1973, No6, P. 98-99.
13. Kargin, V.R., Bykov A.P., Kargin B.V., Erisov Ya.A. Modeling of processing of metals pressure in the DEFORM-2D program. Samara. Pub. MIR, 2011. P. 170.
14. Adler, Yu.P., Markov E.V., Grakovskii Yu.V. Planning of experiment by search of optimum conditions. Pub. Moscow, Science. 1976. P. 278.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
