INVESTIGATION OF REGULARITIES OF PLASTIC DEFORMATION OF HOLLOW STEEL PROFILES BY COMPRESSION

Full Text

Известно, что прогресс в машиностроении, в строи- тельстве ведет к поиску новых задач по экономии всех ви- дов ресурсов, снижению эмиссии СО2, функциональности и надежности конструкций [1]. С начала 1990-х гг. получили «ультралегкие» стальные кузова и подвески (ULSAB, ULSAS) [2; 3]. Качественно новые тенденции развития наблюдают- ся сегодня в транспортном машиностроении, в частности при производстве частного автотранспорта, где оптими- зация дизайна и технологии принесет существенное сни- жение массы кузова, расхода энергии на производство, эксплуатацию и вторичную переработку автомобилей [1]. Речь идет о применении новых композиций материалов и их соединения. В последние годы считается перспек- тивной концепцией строительства кузовов транспортных средств на основе применения модульных структур типа «шпангоутно-объемно-рамных конструкций» (рис. 1). Можно заметить, что многое здесь уже освоено при созда- нии пассажирских самолетов и спортивных автомобилей. Новый дизайн и новые технологии материалов, методы соединения дали качественное снижение массы кузова транспортного средства (или «планера» в авиации). Здесь использовалось много композита на основе углеродных волокон с пропиткой, алюминия и магния, масса кузова легкового автомобиля может быть доведена примерно до 200 кг. Кумулятивный эффект таких инноваций проявлялся в снижении потребления энергии на разгон и торможение, нагрузки на дорожное покрытие, на рельсовые пути и др., активно осваивалась переработка вторичных композитов из углеродных волокон. По новым проектам DLR (Германия) [4] в конструкци- ях кузовов автомобилей полые стальные профили находят применение в качестве силовых деталей нижней части кузо- ва, в частности в «порогах» (см. рис. 1). image Рис. 1. Модульная структура типа «шпангоутно-объемно-рамной конструкции» Здесь они выполняли важную функцию защиту от боко- вого удара пассажиров, а также аккумуляторов и деталей привода в днищах электромобилей. Не менее важным яв- ляется наличие дополнительных легких «абсорберов» ме- ханической энергии в критических зонах. В передней части кузова автомобилей у лонжеронов, оптимальным образом деформируемых в торец при встречном ударе. Защитные профили использовались также в конструкциях стоек кузова и дверей. Разнообразным исследованием технологий и но- вейших материалов занимались многие институты и кон- структорские бюро [5-10]. Моделирование и анализ параме- тров значительных деформаций полых профилей позволит оптимизировать конструкции. Области использования про- филей не только средства транспорта, но и технологические 22 машины, а также строительство. Дизайн таких изделий, впрочем, определялся также возможностями технологии их производства [11-14]. Материалы и методы исследования Целью проводимой работы являлось значительное повы- шение характеристик процессов деформации энергопогло- щающих конструктивных элементов транспортных средств и повышения безопасности и надежности техники. Исследование кинематики упруго-пластической дефор- мации полых профилей и труб с контролем процесса погло- щения энергии при нагружении осуществлялось двумя спо- собами: трехточечным изгибом и ударом вдоль оси тела, т.е. осадкой. Проводилось конечно-элементное моделирование кинематики обоих процессов с контролем параметров по- глощения энергии стальных труб различных поперечных се- чений (круглых, эллиптических, прямоугольных и со специ- альными внутренними усилителями в виде перемычек) [15]. Функциональность испытуемых профилей в качестве устройств поглощения энергии, применяемых для защиты пассажиров и техники, оценивалась по двум основным кри- териям: Величиной поглощаемой энергии. Пиковым значением усилия (оно создает ускорение, или перегрузку на объекте защиты) в период нагру- жения. Образцы были испытаны по схемам трех-точечного из- гиба и осевого сжатия образцов в виртуальной конечно-эле- ментной среде QForm [16] с моделированием геометрии тел, где решалась упруго-пластическая задача1 [1]. image Для сборки деталей в исходном положении использова- лась CAD-программа моделирования Solidworks. Исследова- лись трубы разных диаметров и разные по форме (рис. 2). 1 2 3 image 4 image image 5 6 7 Рис. 2. Испытуемые образцы: 1 - круглая труба диаметром 48 мм; 2 - круглая труба диаметром 48 мм с продольной перемычкой толщиной 1 мм; 3 - круглая труба диаметром 48 мм с перемычкой толщиной 2 мм; 4 - круглая труба диаметром 64 мм; 5 - эллиптическая труба; 6 - квадратная труба; 7 - прямоугольная труба Длина испытательных образцов была выбрана при изги- бе 400 мм. Площадь поперечного сечения всех труб, кото- рые использовались в экспериментах, имеет одно значение 384 мм2, кроме труб диаметром 48 мм (с перемычкой шири- ной 1 мм или без перемычки) [1]. Все размеры и профиль ис- пытательных образцов полых профилей показаны в табл. 1. Размеры и профиль исследуемых полых труб при испытании на изгиб Таблица 1 Наименование Площадь поперечного Размер image Размеры трубы, мм Толщина Профиль сечения, мм2 поперечного сечения Длина Толщина перемычки, мм Круглая труба, D 295 48 400 2 - Круглая труба, D 340 48 400 2 1 Круглая труба, D 384 48 400 2 2 Круглая труба, D 384 64 400 2 - Эллиптическая труба, аxb 384 37 × 26 400 2 - Квадратная труба, аxb 384 50 400 2 - Прямоуголь-ная труба, аxb 384 30 × 70 400 2 - image 1 В работе принимал участие Нгуен Тхэ Винь. МАШИНОСТРОЕНИЕ 05.02.00 ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ (технические науки) 05.02.09 Нагрузка прикладывалась к подвижному среднему бой- ку шириной 50 мм. В эксперименте была использована про- грамма QForm VX [16]. При значительной деформации изгибом тонкостенная труба изгибается V-образно, моделирование разных труб позволило сравнивать характер искажения формы попереч- ного сечения. Изменение величины силы определяет величину уско- рения при ударе объекта, фиксировались также величина поглощаемой энергии в функции перемещения и поле тем- ператур деформируемого тела на заданной стадии процесса. На диаграммах изменения величины силы наблюдалось рез- кое ее повышение в начале хода процесса с последующим снижением силы при высоких степенях деформации, это связано с существенным искажением поперечного сечения полых профилей в зоне изгиба [1]. Аналогичным образом проводились испытания образцов на осевое сжатие. Исход- ное положение деталей в виде сборки для экспериментов с полыми образцами различных поперечных сечений прово- дилось, как и в испытаниях на изгиб, с помощью программы Solidworks. Испытуемые трубы длиной 200 мм и с различ- ным профилем поперечного сечения помещались между двумя инструментами и сжимались вдоль оси. Один инстру- мент задавался неподвижным. Изучалась деформация тела и результаты регистрации параметров в виде поглощаемой энергии и усилия (рис. 3). image Рис. 3. Моделирование процесса осевого сжатия круглой трубы диаметром 64 мм с циклическим изменением силы деформирования и ростом суммарной поглощаемой энергии Результаты исследования С помощью программы QForm рассчитывается удельная 3000 поглощаемая энергия всех испытуемых труб. Все значения пиковых усилий, наблюдаемые в самом начале процессе де- 2000 формации труб, и величины поглощаемой энергии при пере- мещении 100 мм показаны в табл. 2. 1000 Здесь диаграмма изменения усилия по перемещению для всех испытуемых труб имеет циклический характер, что можно связать с последовательным образованием складок на стенках трубы при ее осевом сжатии. После каждого ка- сания смежных складок начинается рост силы, а после до- стижения ею определенного максимума развивается новая складка и сила снижается. При деформации труб разного поперечного сечения предельные значения силы деформирования отличают- ся между собой примерно в 3 раза, а удельная поглоща- емая энергия - в 3,5 раза. Результаты испытаний серии image 6000 Удельная полгощаемая энергия, Дж/кг 5000 4000 0 Круглая труба 48 мм Круглая труба 48 мм с вертикальной перемычкой 1 мм Круглая труба 48 мм с горизонтальной перемычкой 1 мм Круглая труба 48 мм с вертикальной перемычкой 2 мм Круглая труба 48 мм с горизонтальной перемычкой 2 мм Круглая труба 64 мм Эллиптическая труба (вертикально) Эллиптическая труба (горизонтально) Квадратная труба Прямоугольная труба 30-70 мм Прямоугольная труба 70-30 мм 0 50 100 150 различных труб могут быть сведены на одну диаграмму (рис. 4). Рис. 4. Сводная диаграмма зависимости поглощаемой энергии от перемещения при изгибе труб Результаты моделирования деформации труб различного поперечного сечения Таблица 2 Наименование Максимальная сила, кН Поглощаемая энергия, кДж Удельная поглощаемая энергия, Дж/кг Круглая труба диаметром 48 мм 23,81 2,022 2231 Круглая труба диаметром 48 мм с перемычкой 1 мм (вертикально) 34,09 2,806 2686 Круглая труба диаметром 48 мм с перемычкой 1 мм (горизонтально) 26,54 2,542 2433 Круглая труба диаметром 48 мм с перемычкой 2 мм (вертикально) 39,63 3,786 3202 Круглая труба диаметром 48мм с перемычкой 2 мм (горизонтально) 27,72 2,622 2217 Круглая труба диаметром 64 мм 32,91 2,762 2336 Эллиптическая труба (вертикально) 38,00 3,532 2987 Эллиптическая труба (горизонтально) 26,66 2,012 1701 Квадратная труба 50 × 50 мм 46,35 3,559 3009 Прямоугольная труба 30 × 70 мм 65,41 6,236 5273 Прямоугольная труба 70 × 30 мм 33,30 1,814 1534 На сводном графике показано, что прямоугольная труба размерами 30 × 70 мм поглощает больше энергии в сравне- нии с трубами иных поперечных сечений. Однако, изгиб этой трубы сопровождался предельно высоким значением уси- лия в начале деформации, т.е. высокого значения ускорения объекта при его ударе. А на поздней стадии деформирова- ния усилие, наоборот, резко снижается, что повышает риск повреждений в защищаемом пространстве объекта. Значи- тельно более низкое значение пиковой нагрузки и заметно более постоянное по ходу процесса поглощение энергии по- казали результаты испытания труб с продольной перемыч- кой в диаметральном сечении. Примечательно, что такие трубы отсутствуют в списке изделий, предлагаемых произво- дителями к продаже. Из полученных данных следует, что линии изменения по- глощаемой энергии прямоугольной трубы 70 × 30 мм и кру- глой трубы диаметром 48 мм с горизонтальной перемычкой 1 мм почти совпадают. Однако в последнем случае выявле- ны значительно меньшие пиковые силы и ускорения. Выводы При существенном изменении формы стальных про- филей можно воспользоваться программой QForm3d, для изучения их деформации. Приведенные результаты виртуальных исследований изгиба и осадки в торец ряда полых профилей в виде труб разных сечений показал и широкие возможно- сти управления процессом поглощения механической энергии посредством выбора дизайна труб, модели- рования процесса их деформации с контролем погло- щаемой энергии и значения максимальной силы.

About the authors

Alla Alexandrovna Gerasimova

National Research and Engineering University “MISIS”

Email: allochka@rambler.ru
candidate of Science (Engineering); associated professor Moscow, Russian Federation

References

Supplementary files