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
 
24 Июля 2016 года
28 Марта 2016 года
15 Июля 2015 года
7 Февраля 2015 года
6 Января 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: