Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): при определении нагрузочной способности крупногабаритных соединений с натягом обычно учитывается только величина коэффициента трения и не рассматривается мик-ротопография сопрягаемых поверхностей, а также их структура и механические свойства. Однако эти харак-теристики могут оказывать большое влияние на нагрузочную способность бандажированного прокатного вал-ка, его напряженно-деформированное состояние (НДС), долговечность, и что особенно актуально, качество продукции. Цель работы: разработка усовершенствованной методики компьютерного моделирования процес-са сборки тепловым способом бандажированных прокатных валков, позволяющей учитывать микротопогра-фию и механические свойства сопрягаемых поверхностей. Используемые методы: процесс проектирования сборки деталей типа вал-втулка производится посредством конечно-элементного компьютерного моделирова-ния. Модель процесса состоит из нескольких отдельных взаимосвязанных субмоделей, отражающих поведение металла при деформировании на разных масштабных уровнях. Макромодель строится на представлении ме-талла в качестве изотропного материала, и она необходима для получения численных значений параметров НДС на макроуровне. Полученные в макромодели абсолютные показатели параметров НДС на каждом шаге расчета накладываются на микромодель, что позволяет произвести расчет распределения параметров НДС в отдельных микроструктурных составляющих любой точки тела. Для сбора информации о геометрических па-раметрах микротопографии выбран ролик из стали 30, поверхность которого обработана лазером (нагрев на глубину более 50 мкм с оплавлением). Помимо исследований микротопографии получены сведения о количе-ственных параметрах микроструктуры поверхностного слоя образца и учтены основные технологические па-раметры процесса: базовые геометрические параметры деталей, температурные и скоростные режимы. Но-визна: в результате моделирования получено распределение эквивалентных напряжений после остывания бандажа (моделировался нагрев бандажа перед сборкой до температуры 350°С). Максимальные напряжения возникают по краям бандажа и в зоне соприкосновения оси и бандажа. На поверхности оси максимальные эк-вивалентные напряжения достигают 150–170 МПа, а на внутренней поверхности бандажа – 772–839 МПа. Максимальные напряжения возникают в области микронеровностей поверхности оси, которая упрочнена ла-зерной обработкой, величина напряжений – 2190 МПа. Практическая значимость: апробация данной мето-дики позволила получить информацию о динамике изменения НДС на уровне микротопографии контактирую-щих поверхностей. Применение данного подхода к построению компьютерных моделей сборки и эксплуатации металлургического оборудования позволит расширить классическую теорию конструирования составных крупногабаритных изделий.
Ключевые слова
Бандажрованный валок, компьютерное моделирование, сборка, микротопография, поверхность, лазерная обработка, напряжение.
1. Прочность прокатных валков / П.И. Полухин, В.А. Николаев, В.П. Полухин и др. Алма-Ата: Наука, 1984. 295 с.
2. Составные прокатные валки: Монография / Л.С. Белевский, А.Ю. Фиркович, И.В. Судоргин и др. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 206 с.
3. Вейко В.П., Смирнов В.Н., Чирков А.М. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. СПб.: НИУ ИТМО. 2013. 103 с.
4. Гречищев Е.С., Ильященко А.А. Соединение с натягом. М.: Машиностроение, 1981. 247 с.
5. Лебедь В.Т. Повышение качества соединения крупногабаритных составных изделий. Харьков: НТУ «ХПИ», 2015. С. 181–184.
6. Алехин А.Г. Повышение нагрузочной способности соеди-нений с натягом на основе лазерной закалки: автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград. 2004. 18 с.
7. J. Kusiak, D.Szeliga, L. Sztangret. Modelling techniques for optimizing metal forming processes // Microstructure Evolution in Metal Forming Processes. 2012. P. 35–66.
8. M.H.A. Bonte, A.H. Van Den Boogaard, J. Huétink. A metamodel based optimisation algorithm for metal forming processes // Advanced Methods in Material Forming. 2007. P. 55–72.
9. K. Saanouni, P. Devalan. Damage Mechanics in Metal Forming: Advanced Modeling and Numerical Simulation. Springer, 2013. 523 p.
10. E.A. De Souza Neto, D. Perić, D.R.J. Owen. Computational Methods for Plasticity: Theory and Applications. John Wiley & Sons, Ltd, 2008. 791 p.
11. Bertram, G. Risy, T. Böhlke. On different strategies for micro-macro simulations of metal forming // Micro-Macro-interaction: In Structured media and Particle Systems. Springer Berlin Heidelberg, 2008. P. 33–39.
12. R. De Borst. Challenges in computational materials science, multiple scales, multiphysics and evolving discontinuities // Computational Material Science. 2008. № 43. P. 1–15.
13. Константинов Д.В., Корчунов А.Г. Мультимасштабное компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №1. С. 36–43.
14. Корчунов А.Г., Константинов Д.В. К вопросу воссоздания реального структурно-фазового состава металла при моделировании процессов ОМД // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2014. № 1. С. 117–121.
15. Моделирование процессов осесимметричного деформирования с учетом микроструктуры металла / Константинов Д.В., Бзовски К., Корчунов А.Г. и др. // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. №4. С. 897–908.