Комп’ютерне моделювання процесу виготовлення посудин сферичної форми з листової сталі шляхом гідроформування

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2025.02.054
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 28, № 2, 2025 (червень)
Сторінки 54–60

 

Автори

П. П. Гонтаровський, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: gontarpp@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8503-0959

Н. В. Сметанкіна, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: nsmetankina@ukr.net, ORCID: 0000-0001-9528-3741

Н. Г. Гармаш, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: garm.nataly@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4890-8152

І. І. Мележик, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: melezhyk81@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8968-5581

Т. В. Протасова, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: tatyprotasova@gmail.com, ORCID: 0000-0003-1489-2081

 

Анотація

Надійна і безпечна експлуатація посудин, наповнених газом або рідиною під високим тиском, потребує виконання певних вимог до їх міцності. Важливим також є зниження ваги й матеріалоємності. Численні галузі промисловості, серед яких автомобілебудування, хімічне машинобудування, ракетно-космічна промисловість, що масово поставляють продукцію, для виготовлення компонентів ефективно використовують технологію гідроформування, що являє собою процес обробки металів, при якому конструкції складної форми створюються за допомогою тиску рідини й обмеження переміщень замість традиційних механічних навантажень (або у поєднанні з ними). Успішне впровадження цієї технології стає можливим завдяки перевагам, які має гідроформування порівняно з традиційними методами, такими, як збірка штамповок за допомогою зварювання. У даній роботі пропонується моделювання виготовлення посудин сферичної форми з листової сталі шляхом гідроформування. Використовується розроблене на основі методу скінченних елементів програмне забезпечення, що дозволяє розв’язувати пружнопластичні задачі термомеханіки шляхом кроків за часом або навантаженням у поєднанні з ітераційним процесом на кожному з них, у ході якого уточнюється геометрія деформованої деталі. Для опису напружено-деформованого стану застосовується логарифмічна міра деформацій, яка дає змогу відобразити реальні процеси, що відбуваються у заготовці. Пластичні деформації враховуються за допомогою деформаційної теорії. Завдяки комп’ютерному моделюванню технології гідроформування одержано моделі сферичної форми, які мають найменшу металоємність при високому тиску. Отримані моделі посудин деформуються пружно при повторному навантаженні за рахунок підвищення границі текучості матеріалу, тому не зазнаватимуть пошкоджень від малоциклової втоми. Вони можуть бути використані в аерокосмічній техніці як паливні баки для зрідженого кисню чи фтору та водню. Комп’ютерне моделювання процесу гідроформування дозволяє швидше і дешевше встановити параметри посудин різноманітних розмірів і з різних матеріалів, а також, не вдаючись до багаторазових експериментальних спроб, отримати прийнятний результат.

 

Ключові слова: гідроформування, пружнопластична задача, метод скінченних елементів, логарифмічна міра деформацій.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Gontarovskyi P., Smetankina N., Garmash N., Melezhyk I. Numerical analysis of stress-strain state of fuel tanks of launch vehicles in 3D formulation. In: Nechyporuk M., Pavlikov V., Kritskiy D. (eds). Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2020. ICTM 2020. Lecture Notes in Networks and Systems. Springer, Cham, 2021. Vol. 188. P. 609–619. https://doi.org/10.1007/978-3-030-66717-7_52.
  2. Akimov D. V., Gryshchak V. Z., Gomenyuk S. I., Larionov I. F., Klimenko D. V., Sirenko V. N. Finite-element analysis and experimental investigation on the strength of a three-layer honeycomb sandwich structure of the spacecraft adapter module. Strength of Materials. 2016. Vol. 48. Iss. 3. P. 379–383. https://doi.org/10.1007/s11223-016-9775-y.
  3. Gontarovskyi P. P., Smetankina N. V., Garmash N. G., Melezhyk I. I., Protasova T. V. Three-dimensional stress-strain state analysis of the bimetallic launch vehicle propellant tank shell. Strength of Materials. 2023. Vol. 55. Iss. 5. P. 916–926. https://doi.org/10.1007/s11223-023-00582-9.
  4. Bell C., Corney J., Zuelli N., Savings D. A state of the art review of hydroforming technology. International Journal of Material Forming. 2020. Vol. 13. P. 789–828. https://doi.org/10.1007/s12289-019-01507-1.
  5. Zhang S. H., Wang Z. R., Xu Y., Wang Z. T., Zhou L. X. Recent developments in sheet hydroforming technology. Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 151. Iss. 1–3. P. 237–241. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.04.054.
  6. Alaswad A., Benyounis K. Y., Olabi A. G. Tube hydroforming process: a reference guide. Materials & Design. 2012. Vol. 33. P. 328–339. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.07.052.
  7. Zhang S. H., Danckert J. Development of hydro-mechanical deep drawing. Journal of Materials Processing Technology. 1998. Vol. 83. Iss. 1–3. P. 14–25. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(98)00039-9.
  8. Zhang S. H. Developments in hydroforming. Journal of Materials Processing Technology. 1999. Vol. 91. Iss. 1–3. P. 236–244. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(98)00423-3.
  9. Koç M., Cora O. N. 1 – Introduction and state of the art of hydroforming. In: Koç M. (ed.) Hydroforming for Advanced Manufacturing. England, Cambridge: Woodhead Publishing, 2008. P. 1–29. https://doi.org/10.1533/9781845694418.1.
  10. Zhang Q., Wu C., Zhao S. Less loading tube-hydroforming technology on eccentric shaft part by using movable die. Materials Transactions. 2012. Vol. 53. P. 820–825. https://doi.org/10.2320/matertrans.MF201121.
  11. Bell C., Corney J., Savings D., Storr J. Assessing the potential benefits of manufacturing gas turbine components by utilizing hydroforming technology. In: 13th International Cold Forming Congress, 2–4 September 2015, Glasgow. GBR: University of Strathclyde Publishing, 2015. P. 46–53.
  12. Schmoeckel D., Hielscher C., Huber R., Geiger M. Metal forming of tubes and sheets with liquid and other flexible media. CIRP Annals. 1999. Vol. 48. Iss. 2. P. 497–513. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)63230-2.
  13. Wang Z. R., Liu G., Yuan S. J., Teng B. G., He Z. B. Progress in shell hydroforming. Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 167. Iss. 2–3. P. 230–236. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.05.045.
  14. Jeswiet J., Geiger M., Engel U., Kleiner M., Schikorra M., Duflou J., Neugebauer R., Bariani P., Bruschi S. Metal forming progress since 2000. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2008. Vol. 1. Iss. 1. P. 2–17. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2008.06.005.
  15. Zienkiewicz O. C., Morgan K. Finite Elements and Approximation. Dover Publications, 2006. 350 p.
  16. Gallagher R. H. Finite Element Analysis: Fundamentals. Pearson College Div, 1975. 420 p.
  17. Hontarovskyi P. P., Smetankina N. V., Garmash N. H., Melezhyk I. I. Analysis of crack growth in the wall of an electrolyser compartment. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2020. Vol. 23. No. 4. P. 38–44. https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.038.
  18. Alyokhina S., Kostikov A., Smetankina N., Gontarovskyi P., Garmash N., Melezhyk I. Methodology for determining the thermal and thermal-stress states of a concrete storage container for spent nuclear fuel for assessment of its service life. Nuclear and Radiation Safety. 2021. Vol. 92. No. 4. P. 33–39. https://doi.org/10.32918/nrs.2021.4(92).05.
  19. Gontarovskyi P. P., Smetankina N. V., Garmash N. G., Melezhyk I. I., Protasova T. V. Assessment of stress-strain state of lightweight shell of waffle fuel tank of launch vehicle. International Applied Mechanics. 2024. Vol. 60. Iss. 4. P. 454–463. https://doi.org/10.1007/s10778-024-01297-3.
  20. Hontarovsky P. P., Smetankina N. V., Ugrimov S. V., Harmash N. H., Melezhyk I. I. Simulation of the crack resistance of ion-exchange strengthened silicate glass subject to bending strain. International Applied Mechanics. 2022. Vol. 58. Iss. 6. P. 715–724. https://doi.org/10.1007/s10778-023-01195-0.
  21. Gontarovskyi P., Garmash N., Melezhyk I. Numerical modeling of dynamic processes of elastic-plastic deformation of axisymmetric structures. In: Altenbach H. et al. Advances in Mechanical and Power Engineering. CAMPE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Cham: Springer, 2023. P. 334–342. https://doi.org/10.1007/978-3-031-18487-1_34.
  22. Washizu K. Variational methods in elasticity & plasticity. Oxford – New York: Pergamon Press, 1982. 630 р.
  23. Писаренко Г. С., Можаровский Н. С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести: справочное пособие. Киев: Наукова думка, 1981. 496 с.

 

Надійшла до редакції 03.04.2025

Прийнята 25.04.2025