2015
.pdfПопытаемся получить параметрическое решение, выразив напряжение в виде функции некоторого параметра t . Для этого введем обозначения:
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
||||||
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда условие пластичности можно свести к виду:
x2 3y2 s2
Действительно, подстановка x,y дает:
2 3 2
4 2 |
4 2 |
2 |
|
|
6 |
|
|
4 2 |
|
|
|
|
|
|
s |
Каноническое уравнение эллипса:
x2 y2 1 a2 b2
Параметрическое уравнение эллипса: x a cost, y bsin t
Таким образом, в нашем случае:
a s , |
b |
s |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тогда, основываясь на параметрической записи, |
|||||||||||||
получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
||||
|
|
s |
cost, |
|
|
|
|
|
sint |
||||
2 |
|
2 |
|
|
|
||||||||
|
3 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Почленно |
складывая и вычитая эти два уравнения, |
получим параметрические выражения для радиального и тангенциального напряжений:
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|||
s cost |
|
|
sint |
|
s cost |
|
|
sint |
|
|
|
|
|
||||||
3 |
3 |
||||||||
|
|
|
|
|
используя формулу для косинуса суммы (разности) двух углов cos cos cos sin sin
окончательно получим:
11
|
|
|
2 s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos t |
|
|
|
|
3 |
|
6 |
|
|
|
2 s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos t |
|
|
|
|
3 |
|
6 |
Для определения параметра t подставим полученные выражения для напряжений в уравнение равновесия:
2 s |
|
d |
|
|
|
2 s |
|||||
|
|
|
|
|
cos t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
3 d |
|
6 |
|
3 |
Откуда:
1 |
|
|
|
|
|
|
|
cos t |
|
cos t |
|
0 |
|
|
||||||
|
|
6 |
|
6 |
|
d
sin
cos
sin t
cos t
|
|
|
d cos t |
|
|
|
|
6 |
cos t |
|
cos t |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
6 |
используем следующие тригонометрические формулы:
sin cos cos sin ,
cos 2sin sin |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
тогда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sint cos |
cost sin |
|
|
3 |
sint |
1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
cost |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
6 |
|
|
6 |
|
|
6 |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sint |
|
|
||||
|
cos t |
2sint sin |
|
|
||||||||||
|
6 |
|
6 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
продолжая преобразования:
|
|
dt |
|
3 |
sint |
1 |
cost |
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
3 |
|
1 |
|
||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
ctg t dt |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
sint |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
интегрируя, получим
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
1 |
|
||||
ln |
|
|
|
|
|
t |
|
ln sint |
C |
||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2ln |
|
|
t ln sint 2C |
||||||||||
|
3 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln B2 |
|
2 sint |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ln |
|
|
|
|
3t |
|
|
|
|||||
B2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12
2 B2 e3t
sint
Произвольную постоянную В найдем, подставляя
граничные условия в условие состояния пластичности:
R, 0 s :
тогда должны выполняться два условия:
|
|
|
2 s |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 t |
|
|
|
|
t |
|
|
2 |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
cos t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
3 |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
2 s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
cos t |
6 |
|
s t |
|
6 |
|
|
6 |
t |
|
3 |
,0 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
Обоим условиям удовлетворяет t |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2B2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
или B2 |
|
R2e 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
окончательно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 t |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
2sint |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
f t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Построим график функции |
в интервале >1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Этим условиям соответствует интервал t |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
2.963 |
|
|
|
|
t |
5 |
|
|
|||||||||
|
|
|
График имеет максимум |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
6 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Иными словами, для того, чтобы вся труба находилась в |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
пластическом состоянии, |
ни при каких t отношение внешнего |
и внутреннего диаметра трубы не может быть больше 2.963.
Это свидетельствует о том, что часть трубы при R / r 2.963 будет деформироваться упруго.
Для определения давления, необходимого для перевода всей трубы в пластическое состояние требуется подставить
13
|
|
R2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 t |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
r в формулу |
|
|
3 sint e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2 |
|
|
|
|
|
и найти t . Затем |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 s |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos t |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
||
подставить |
его |
в |
формулу |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
. |
График |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
изменения давления в долях от s |
при различных отношениях |
||||||||||||||||
радиусов внешней и внутренней поверхностей трубы приведен |
|||||||||||||||||
ниже. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обратите внимание, что при любом t |
тангенциальное |
||||||||||||||||
напряжение больше радиального . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
С достаточной точностью решение может быть |
|||||||||||||||||
аппроксимировано формулой: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
p 1.06 s ln R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
- |
-5 /6 |
-2 /3 |
|
|
|
- /2 |
|
|
- /3 |
|
|
|||||
|
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лекция 2. Инженерный метод решения задач проектирования технологических процессов
Метод интегрирования уравнений равновесия совместно с условием пластичности дает возможность получить решения только для узкого круга задач, большинстве своем далеких от реальных технологических процессов. Поэтому предпринимались попытки упростить задачу, найти такие приближенные методы решения, которые, с одной стороны, не находились бы в большом противоречии с физикой конкретного технологического процесса, а с другой стороны облегчали бы вычисления и, желательно, приводили бы к аналитическим выражениям.
В последнее время достигнуты большие практические результаты в использовании численных методов для решения технологических задач теории обработки давлением в общем виде, прежде всего на основе использования метода конечных элементов. Этот метод мы также будем рассматривать в курсе, однако значение приближенных методов остается достаточно важным. Приближенные методы, во-первых, дают возможность достаточно быстро определить такие важнейшие
15
показатели, как сила деформирования и работа пластической деформации, а, следовательно, и выбрать технологическую машину для выполнения операции. Во-вторых, они позволяют оценить точность численных решений, поскольку до настоящего времени численные решения еще не достигли такой степени автоматизации и точности, при которой их результатам можно было бы безоговорочно доверять.
Кчислу наиболее распространенных методов относится
инженерный метод.
Инженерный метод в литературе носит несколько названий: метод совместного решения приближенных уравнений равновесия и пластичности, «инженерный» метод, метод течения тонкого слоя по жестким поверхностям, метод осредненных напряжений.
Инженерный метод основан на решении приближенных дифференциальных уравнений равновесия совместно с приближенным условием пластичности без привлечения физических соотношений.
Основной целью в данном методе является определение напряжений на контактных поверхностях, что необходимо для определения деформирующих сил и работы деформации.
Таким образом, достоинством метода является возможность получения аналитических зависимостей для определения важнейших параметров, необходимых для выбора технологического оборудования – величины максимальной технологической силы, необходимой для выполнения операции и величины работы деформирования.
Кнедостаткам метода следует отнести то, что достоверную информацию о распределении напряжений и деформаций по всему объему деформируемого материала получить с помощью этого метода нельзя.
В наиболее общем виде основные положения этого метода изложил и экспериментально обосновал Е.П.Унксов (Евгений Павлович). Основные положения метода состоят в следующем:
16
1.Схему деформированного состояния приводят к плоской или осесимметричной. Это необходимо для уменьшения числа неизвестных составляющих тензора напряжений. В
осесимметричной задаче два нормальных напряжения предполагают равными между собой ( ).
2.Определяют нормальные напряжения только на контактных поверхностях, что необходимо для определения деформирующих сил.
3.Нормальные напряжения считают зависящими только от одной из координат (например, y для плоских и z для осесимметричных задач). Касательные напряжения считают зависящими от другой координаты линейно (соответственно x для плоской и для осесимметричной).
4.Используют приближенные условия состояния пластичности.
Рассмотрим эти допущения подробнее.
1. Приведение схемы напряженного состояния к плоской или осесимметричной необходимо для сокращения числа неизвестных компонент тензора напряжения, т.е. к снижению размерности задачи.
Число уравнений равновесия также в этом случае сокращается.
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
xy |
|
0 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
xy |
|
0 |
|
||||||
Для ПДС и ПНС: |
|
y |
|
|
|
x |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
z |
|
|
|
0; |
|||||||||||
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
z |
|
|
|
|
z |
|
|
z |
0. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Для ОС: |
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17
2.Деформирующая сила может быть определена интегрированием эпюры нормальных напряжений по площади контактной поверхности. Например, для
осесимметричных задач при движении деформирующих инструментов вдоль оси z нормальные напряжения на
контактных |
поверхностях |
- |
z . |
Тогда |
сила |
деформирования: |
|
|
|
|
|
P z dF |
|
|
|
|
|
F |
, где F – текущая |
площадь контактной |
поверхности.
3.Математически это допущение можно выразить следующим образом:
Для |
ПДС: |
y f (x); |
xy Ay |
. Для ОС: |
|
|
|||
z f ( ); |
z Bz |
|
|
|
Как будет показано дальше, такие допущения приводят к сокращению числа дифференциальных уравнений равновесия до одного. Это уравнение будет содержать уже обыкновенные производные взамен частных.
4. Упрощенный вид условия пластичности Мизеса через главные напряжения выражается следующим образом:
1 3 s . Однако, при решении практических задач редко можно предугадать направления главных осей и решать задачу в главных осях. Гораздо чаще приходится иметь дело с общим случаем декартовой или цилиндрической системы координат. Поэтому следует упростить условие состояния пластичности таким образом, чтобы в нем фигурировали не главные напряжения, а компоненты тензора напряжений в произвольных осях.
Е.П.Унксов предложил следующую линеаризацию условия состояния пластичности:
если удельные контактные силы трения малы , то в выражении для условия пластичности можно пренебречь касательными напряжениями;
18
если удельные |
контактные |
силы |
трения велики |
||||||
0.7k K k , |
то |
в условии |
пластичности |
касательные |
|||||
напряжения |
следует |
принять |
равными |
их |
максимально |
||||
|
|
|
k |
s |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
возможному значению |
|
3 . |
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||||
Ранее мы получили следующее выражение для условия |
пластичности Мизеса для плоского деформированного состояния3:
x |
y 2 4 xy2 |
4 |
s2 s* 2 4k 2 |
||||||||
3 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
||
|
|
|
|
x |
y |
; |
|
xy |
|
||
Обозначим |
|
|
2k |
k , тогда условие |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
пластичности примет вид: |
|
|
|
|
|
||||||
2 2 |
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Это |
– |
уравнение |
|
окружности |
радиусом единица в |
координатах , . Линеаризация условия пластичности по Унксову означает замену единичной окружности ступенчатой функцией вида (рис.1):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1. |
|
|
1 0.7
0 0.7
Тогда очевидно, что для малых удельных контактных сил
0 K 0.7k |
упрощенное |
|
условие |
пластичности |
по |
Унксову будет иметь вид: |
|
x y s* ,
а для больших удельных контактных сил
( 0.7k K k ):
3 Величина, равная удвоенному значению постоянной пластичности k обозначается s* 2k
19
x y 0
Продифференцируем упрощенное условие пластичности Мизеса для ПДС по x. Тогда как для больших, так и для малых удельных контактных сил справедливо:
x yx x
Это выражение носит название приближенное условие пластичности для плоского деформированного состояния в дифференциальной форме. Очевидно, что оно справедливо и для малых и для больших сил контактного трения.
Для |
|
осесимметричного напряженного |
состояния |
||
условие пластичности Мизеса: |
|
||||
2 z 2 z 2 6 2z 2 s2 |
|||||
при условии получим: |
|
||||
|
z 2 3 2z s2 |
|
|||
|
|
|
|
, тогда |
|
|
z s |
- для малых удельных контактных сил |
|||
|
|
|
|
||
трения (без звезды!!!) |
|
|
|||
|
z 0 |
- для больших удельных сил трения |
|||
|
|
|
|||
Аналогично ПДС продифференцируем |
упрощенное |
условие пластичности Мизеса по ρ. В результате получим приближенное условие пластичности в дифференциальной форме для осесимметричного напряженного состояния в виде:
z
Рассмотрим применение инженерного метода для различных операций обработки давлением.
Осадка цилиндрической заготовки с постоянным контактным трением
20