Лаборатория «Вычислительная механика» CompMechLab®
  CompMechLab  
21 Июня 2016 года
23 Февраля 2016 года
19 Октября 2015 года
28 Марта 2015 года
21 Февраля 2015 года
 
9 Октября 2017 года
24 Июля 2016 года
28 Марта 2016 года
15 Июля 2015 года
7 Февраля 2015 года
 
Голосования не найдены

Конечно-элементное моделирование и исследование механического поведения пластмассовых деталей, изготовленных методом литья под давлением

В лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab) выполнено конечно-элементное (КЭ) исследование поведения пластмассовых деталей, изготовленных методом литья под давлением, в том числе отливки прямоугольного параллелепипеда (балки) и детали сложной геометрии - крышки мотора автомобиля BMW.

Целью работы была демонстрацию возможностей программной системы Moldex3D в области реального 3D-моделирования литья пластмасс, а также интеграции системы Moldex3D и систем конечно-элементного анализа, в частности, программной системы ANSYS. Также была поставлена задача исследовать, насколько дефекты, приобретаемые пластмассовой деталью в процессе производства методом литья под давлением, такие как остаточные напряжения, появление линий холодного спая, усадка и коробление, т.е. деформация формы изделия вследствие действия внутренних напряжений, вызванным неравномерным охлаждением, влияют на механические свойства искомой детали, в частности, на спектр собственных частот колебаний [1].

Произведена оценка усадки и коробления отливки балки, сделано сравнение результатов численного эксперимента и данных, полученных с помощью технологических формул. Численное решение с высокой точностью аппроксимирует аналитическое решение. Также выполнена оценка усадки и коробления при различных местах впрыска материала в формующую полость, выбран оптимальный вариант расположения литников. [2]

На рис. 1 представлена КЭ модель балки, построенная в программе ANSYS, а на рис. 2 - две собственные формы колебаний балки, полученные в ANSYS с учётом дефектов отливки в сравнении с аналитическим решением.

В ходе исследования был проведён анализ литья детали сложной геометрической формы, а именно крышки двигателя автомобиля BMW (на рис. 3 представлена её CAD-модель) [2].



Рис. 1. Конечно-элементная модель балки



Рис. 2. Собственные формы колебания балки

На рис. 1 представлена КЭ модель балки, построенная в программе ANSYS, а на рис. 2 - две собственные формы колебаний балки, полученные в ANSYS с учётом дефектов отливки в сравнении с аналитическим решением.

Рис. 3. CAD-модель крышки двигателя автомобиля BMW

В ходе исследования был проведён анализ литья детали сложной геометрической формы, а именно крышки двигателя автомобиля BMW (на рис. 3 представлена её CAD-модель) [2].

Были получены оценка усадки, коробления и остаточных напряжений данной детали. При анализе отливки моделировался такой важный фактор, как ориентация стекловолокна в отливаемой детали. Кроме того, было экспериментально определено давление выдержки, необходимое для ликвидации линий спая в отливке. Далее в программной системе ANSYS был проведён анализ спектра собственных частот для анизотропной гетерогенной и изотропной моделей детали. Также произведена оценка влияния усадки, коробления и остаточных напряжений на спектр собственных частот детали.



Рис. 4. Заполнение литьевой формы (Moldex3D)



Рис. 5. Объёмная усадка детали (%) (Moldex3D)



Рис. 6. Линии холодного спая (Moldex3D)



Рис. 7. Ориентации волокна (Moldex3D)

Было получено, что в результате отливки объёмная усадка детали составила около 5%. Значения частот первых собственных форм колебаний детали при учёте усадки, коробления и остаточных напряжений понижаются по сравнению с частотами изотропной модели без учётов дефектов производства методом литья.



Рис. 8. Анизотропный гетерогенный материал



Рис. 9. Конечно-элементная модель крышки двигателя в ANSYS

Таким образом, с использованием комплекса программных систем Moldex3D – ANSYS, позволивших смоделировать процесс изготовления детали и учесть его влияние на механические свойства изделия, получен уточнённый спектр собственных частот колебаний крышки двигателя. Немаловажно, что анализ проводился при достаточно высоких значениях коробления и остаточных напряжений. Хотя при этих величинах деталь пригодна и для эксплуатации, но особенности процесса изготовления оказывают заметное влияние на собственные частоты детали.



Рис. 10. Полное коробление в детали - поле распределения (ANSYS)



Рис. 11. Поле распределения остаточных напряжений в детали (ANSYS)




Рис. 12. Вторая собственная форма колебаний - анизотропный гетерогенный материал с учётом усадки, коробления и остаточных напряжений (частота f = 130.64 Гц, ANSYS)



Рис. 13. Вторая собственная форма колебаний - изотропный материал
(частота f = 141.56 Гц, ANSYS)

Полученный спектр собственных частот детали с учётом данных особенностей наиболее близок к спектру частот реальной детали, который необходимо знать, чтобы предотвратить резонанс колебаний мотора и крышки в двигателе. Если же данный резонанс будет допущен, то это приведёт к нежелательным акустическим колебаниям.


--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Список литературы:

1. Т. Оссвальд, Л.-Ш. Тунг, П. Дж. Грэманн, Литьё пластмасс под давлением. Издательство "Профессия", Санкт-Петербург, 2008.

2. Святогоров И.Г. Конечно-элементное моделирование и исследование механического поведения пластмассовых деталей, изготовленных методом литья под давлением. Диссертация на соискание академической степени магистра по направлению 150300 "Прикладная механика", Санкт-Петербург, СПбГПУ, каф. "Механика и процессы управления", научн. руководители: А.И. Боровков, Д.С. Михалюк, 2010.

Посетите наши веб-проекты: