Розрахунковий аналіз термодеформування прес-форм при гарячому ізостатичному пресуванні

Abstract

В роботі розглядається розрахунковий аналіз термопружного деформування складених прес-форм, призначених для ізостатичного пресування нагрітих порошкових матеріалів. У теперішній час велику популярність набули технологічні процеси виготовлення деталей та елементів конструкцій із порошкових матеріалів. Одним з напрямів є ізостатичне пресування нагрітих порошків надміцних матеріалів у складених матрицях з вуглець-вуглецевих композитних матеріалів. Інтенсифікація виробничих технологічних процесів призводить до підвищення механічних та температурних навантажень на обладнання. Розрахункове дослідження деформування обладнання разом із заготовкою дозволяє зробити рекомендації стосовно раціональних значень конструкційних та експлуатаційних параметрів, за яких, по-перше, обладнання залишається працездатним, а, по-друге, досягається мета технологічної операції. У статті розглянуто розрахункові дослідження термопружного деформування системи «складена прес-форма – заготовка» за умов ізостатичного пресування нагрітих порошків. Аналіз базується на послідовному розв’язанні двох задач: задачі нестаціонарної теплопровідності та задачі термопружного деформування з урахуванням особливостей контактної взаємодії поміж складових елементів конструкції. В якості чисельного метода розв’язання використовується метод скінчених елементів. Базовим обрано вісесиметричний чотирьох вузловий ізопараметричний скінченний елемент із білінійною апроксимацією температури та переміщень. Контактна взаємодію моделюється шляхом введення шарів спеціальних контактних скінченних елементів. Розв’язано задачу нестаціонарної теплопровідності та зв’язану із нею задачу термопружності, на базі чого визначені небезпечні режими нагріву з точки зору навантаженості матриці. Наведено результати розрахунків, що ілюструють розподіл температури у різні моменти часу упродовж технологічного циклу пресування.

The paper considers the computational analysis of thermoelastic deformation of folded molds designed for isostatic pressing of heated powder materials. At present, technological processes for the manufacture of parts and structural elements from powder materials have become very popular. One of the directions is isostatic pressing of heated powders of heavy-duty materials in folded matrices of carbon-carbon composite materials. Intensification of production technological processes leads to an increase in mechanical and temperature loads on equipment. The computational study of the deformation of the equipment together with the workpiece allows us to make recommendations regarding the rational values of design and operational parameters, under which, firstly, the equipment remains operational, and, secondly, the goal of the technological operation is achieved. The article considers the computational studies of thermoelastic deformation of the system "folded mold – blank" under the conditions of isostatic pressing of heated powders. The analysis is based on the sequential solution of two problems: the problem of non-stationary transient heat transfer and the problem of thermoelastic deformation, taking into account the peculiarities of contact interaction between the constituent elements of the structure. The method of finite elements is used as a numerical method of solution. An axisymmetric four-node isoparametric finite element with a bilinear approximation of temperature and displacements was chosen as the baseline. Contact interaction is simulated by introducing layers of special contact finite elements. The problems of non stationary transient heat transfer and the related problem of thermoelasticity are solved, on the basis of which dangerous heating modes in terms of matrix load are determined. The results of calculations illustrating the temperature distribution at different points of time during the technological cycle of pressing are presented.