Численное моделирование многоэтапных процессов холодной листовой штамповки тонкостенного сосуда и их оценка с точки зрения предельных деформаций

Авторы

  • И.Э. Келлер Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • А.В. Казанцев Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • А.А. Адамов Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Д.С. Петухов Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • В.Н. Трофимов Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • А.Н. Оборин Лысьвенский завод эмалированной посуды
  • С.Б. Чугайнов Лысьвенский завод бытовой техники

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.2.5

Ключевые слова:

многоэтапный технологический процесс, холодная листовая штамповка, численный расчет, анизотропная пластичность, предельные деформации, малоуглеродистая сталь, идентификация свойств материала, экспериментальное подтверждение

Аннотация

Выполнена оценка многоэтапного процесса холодной штамповки тонкостенного стального сосуда с учетом технологической наследственности. Качество изделия связывается с остаточным ресурсом пластичности, то есть с удаленностью его деформированного состояния от кривой предельных деформаций. Для расчета процесса используется модель больших пластических деформаций анизотропной оболочки, учитывающая динамику и контактное взаимодействие с инструментом, численно реализованная в пакете LS-DYNA®. Использованы имеющиеся в библиотеке пакета закон пластического течения анизотропного листа, ассоциированный с функцией текучести Барлата Yld 2 000-2d со степенным изотропным деформационным упрочнением, потенциал Пенга - Ландела нелинейно-упругого поведения полиуретанового штампа и закон трения Кулона для описания контактного взаимодействия изделия с инструментом. Материальные константы малоуглеродистой листовой стали DC04EK толщиной 0,7 мм и полиуретана СКУ-ПФЛ определены ранее по данным экспериментов. Кривая предельных деформаций построена по искажению координатной сетки вблизи зон локализации деформации и разрушения сосуда в технологическом процессе, из которого исключен промежуточный отжиг, и по результатам теста на разрушение при одноосном растяжении. Исследуются особенности траекторий деформации в контрольных точках боковой поверхности изделия на каждом этапе технологического процесса, состоящего из последовательности операций вытяжки, раздачи и ссаживания. Расчеты траекторий подтверждены экспериментом на прессовом оборудовании, используемом в качестве испытательного. Установлено, что операция раздачи заготовки после ее вытяжки быстро приближает материал к предельному состоянию и требует предварительного восстановления ресурса пластичности путем отжига. Отмечается перспективность технологий штамповки с меньшими степенями раздачи и с большими степенями ссаживания, способных сохранять ресурс пластичности без промежуточного отжига.

Поддерживающие организации
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта совместного конкурса РФФИ и правительства Пермского края (проект № 17-48-590310р-а). Авторы признательны Н.Л. Русановой (ООО УК «Лысьвенские заводы») за организацию совместных исследований.

Биографии авторов

  • И.Э. Келлер, Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией нелинейной механики деформируемого твердого тела, «ИМСС УрО РАН»; профессор,ПНИПУ
  • А.В. Казанцев, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    старший преподаватель кафедры динамики и прочности машин, ПНИПУ
  • А.А. Адамов, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории нелинейной механики деформируемого твердого тела, «ИМСС УрО РАН»
  • Д.С. Петухов, Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    ведущий инженер лаборатории нелинейной механики деформируемого твердого тела, ИМСС УрО РАН; старший преподаватель кафедры динамики и прочности машин, ПНИПУ
  • В.Н. Трофимов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    доктор технических наук, профессор кафедры динамики и прочности машин, ПНИПУ
  • А.Н. Оборин, Лысьвенский завод эмалированной посуды
    начальник отдела технического развития АО «Лысьвенский завод эмалированной посуды»
  • С.Б. Чугайнов, Лысьвенский завод бытовой техники
    ведущий инженер-конструктор ООО «Лысьвенский завод бытовой техники»

Библиографические ссылки

  1. Banabic D. Sheet metal forming processes. Constitutive modelling and numerical simulation. Springer, 2010. - 301 p
  2. Hu P., Ma N., Liu L., Zhu Y. Theories, methods and numerical technology of sheet metal cold and hot forming. Analysis, simulation and engineering applications. Springer, 2013. - 210 p
  3. Bruschi S., Altan T., Banabic D. [et al.] Testing and modelling of material behaviour and formability in sheet metal forming // CIRP Annals. - 2014. - Vol. 63. - P. 727-749
  4. Келлер И.Э., Петухов Д.С., Казанцев А.В., Трофимов В.Н. Диаграмма предельных деформаций при горячей листовой штамповке металлов. Обзор моделей материала, критериев вязкого разрушения и стандартных испытаний // Вестн. Самарского гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2018. - Т. 22. - № 3. - С. 447-486
  5. ariani P.F., Dal Negro T., Bruschi S. Testing and modelling of material response to deformation in bulk metal forming // CIRP Annals. - 2004. - Vol. 53. - P. 573-595
  6. Kim B.J., Van Tyne C.J., Lee M.Y., Moon Y.H. Finite element analysis and experimental confirmation of warm hydroforming process for aluminum alloy // J. Mater. Process. Tech. - 2007. - Vol. 187-188. - P. 296-299
  7. Shafaat M.A., Abbasi M., Ketabchi M. Investigation into wall wrinkling in deep drawing process of conical cups // J. Mater. Process. Tech. - 2011. - Vol. 211. - P. 1783-1795
  8. Andrade F.X.C., Feucht M., Haufe A., Neukamm F. An incremental stress state dependent damage model for ductile failure prediction // Int. J. Fract. - 2016. - Vol. 200. - P. 127-150
  9. Neto D.M., Oliveira M.C., Dick R.E. [et al.] Numerical and experimental analysis of wrinkling during the cup drawing of an AA5042 aluminium alloy // Int. J. Mater. Form. - 2017. - Vol. 10. - P. 125-138
  10. Khan A.S., Huang S. Continuum theory of plasticity. John Wiley & Sons, 1995. - 421 p
  11. Barlat F., Brem J.C., Yoon J.W. [et al.] Plane stress yield function for aluminum alloy sheets - part 1: theory // Int. J. Plast. - 2003. - Vol. 19. - P. 1297-1319
  12. Адамов А.А., Келлер И.Э., Петухов Д.С. Экспериментальная идентификация законов пластичности и разрушения малоуглеродистой листовой стали для моделирования холодной штамповки // ППП. - 2019. - Т. 81. - № 2. - С. 202-211
  13. LS-DYNA® Keyword user’s manual. Vol. II. Material models. Version R10.0. LSTC, 2017. - 1682 p
  14. Келлер И.Э., Казанцев А.В., Адамов А.А., Петухов Д.С. Моделирование многоэтапной холодной штамповки тонкостенного сосуда // ППП. - 2020. - Т. 82. - № 1. - С. 75-88
  15. Maker B.N., Zhu X. Input parameters for springback simulation using LS-DYNA // 6th Int. LS-DYNA Conf. Detroit, USA, April, 2000. - 12 p
  16. Maker B.N., Zhu X. Input parameters for metal forming simulation using LS-DYNA // 3rd European LS-DYNA Conf. Paris, France, June, 2001. - 10 p
  17. Hill R. A theory of the yielding and plastic flow of anisotropic metals // Proc. R. Soc. Lond. A. - 1948. - Vol. 193. - P. 281-297
  18. Yoon J.W., Dick R.E., Barlat F. A new analytical theory for earing generated from anisotropic plasticity // Int. J. Plast. - 2011. - Vol. 27. - P. 1165-1184
  19. Chung K., Kim D., Park T. Analytical derivation of earing in circular cup drawing based on simple tension properties // Eur. J. Mech. Solid. - 2011. - Vol. 30. - P. 275-280
  20. Isik K., Silva M.B., Tekkaya A.E., Martins P.A.F. Formability limits by fracture in sheet metal forming // J. Mater. Process. Tech. 2014. - Vol. 214. - P. 1557-1565
  21. ISO 12004-2:2008. Metallic materials - Sheet and strip - Determination of forming-limit curves - Part 2: Determination of forming limit curves in the laboratory. International Organization for Standardization, 2008. - 27 p
  22. Graf A., Hosford W.F. Effect of changing strain paths on forming limit diagrams of Al 2008-T4 // MTA. - 1993. - Vol. 24. - P. 2503-2512
  23. Graf A., Hosford W.F. The influence of strain-path changes on forming limit diagrams of Al 6111 T4 // Int. J. Mech. Sci. - 1994. - Vol. 36. - P. 897-910
  24. Казанцев А.В., Келлер И.Э. Оценка многоэтапного технологического процесса холодной листовой штамповки тонкостенного сосуда с точки зрения предельных деформаций // Вычислительная механика сплошных сред. - 2020. - Т. 13. - № 2. - С.123-133
  25. Казанцев А.В., Келлер И.Э. Расчет многоэтапного процесса листовой штамповки тонкостенного сосуда и его оценка с точки зрения предельных деформаций // Вестник ЧГПУ им. И.Я. Яковлева. Сер.: Механика предельного состояния. - 2020. - № 4 (46). - С. 84-92

Загрузки

Опубликован

2021-07-01

Выпуск

№ 2 (2021)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Келлер, И., Казанцев, А., Адамов, А., Петухов, Д., Трофимов, В., Оборин, А., & Чугайнов, С. (2021). Численное моделирование многоэтапных процессов холодной листовой штамповки тонкостенного сосуда и их оценка с точки зрения предельных деформаций. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 2, 48-60. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.2.5