Использование математического моделирования при проектировании технологических процессов изготовления изделий из ВКМ AL-B

Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

177

УДК 621.775 
DOI 10.12737/8156 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО 

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ 

ИЗ ВКМ AL-B  

Галкин Виктор Иванович (профессор, д.т.н.), 

Палтиевич Андрей Романович  (доцент, к.т.н.), 

Преображенский Евгений Владимирович (к.т.н.) 

ФГБОУ ВПО  "МАТИ – Российский  государственный  

технологический университет   имени  К.Э. Циолковского" 

121552, г. Москва,  Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53.  Е-mail: tomd@mati.ru 

 

Рассматриваются вопросы применяемости методов математического моде
лирования к анализу формоизменения материала при обработке давлением. Рассмат
риваются особенности формирования изделий из волокнистых композиционных мате
риалов, критерии образования прочной связи между компонентами. Приведены приме
ры использования конечно-элементных программных продуктов Ansys-DYNA, Qform, 

при моделировании процессов получения изделий из композиционных материалов. 

 

В настоящее время наблюдается значительная востребованность в 

конструкционных силовых элементах большой прочности и малой массы 

[1-2]. Этим целям в полной мере отвечают изделия из гетерогенных мате
риалов, таких как ВКМ системы AL-B. Типичными силовыми элементами, 

получаемыми из этих ВКМ, являются трубы, гнутые профили и оболочки.  

Особенностью данных материалов является сочетание материалов с 

различными физическими и механическими свойствами. ВКМ Al-B состо
ит из пластичной матричной составляющей и жесткого упрочняющего во
локна. Металлическая матрица обеспечивает работоспособность изделия в 

широком диапазоне температур и дополнительно упрочняет сборную 

композицию. Применение в композиционных материалах компонентов с 

различными физико-механическими свойствами создает проблему их фи

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

178

зической и химической совместимости как на этапе изготовления изделий 

из ВКМ, так и в процессе их эксплуатации. Для армированных материалов 

с металлической матрицей проблема физической совместимости обуслов
лена, в основном, различием в коэффициентах линейного термического 

расширения при одинаковых давлениях и температурах. В ряде случаев 

при производстве и эксплуатации композиционных материалов возникает 

проблема химической совместимости компонентов. 

Такая структура ВКМ требует совершенно иного подхода к проек
тированию технологических процессов изготовления изделий и полуфаб
рикатов из ВКМ. Высокие механические свойства материала в первую 

очередь зависят от прочности борного волокна и от качественной связи 

между ним и матричной основой. Получение качественного изделия из ге
терогенных материалов в наибольшей степени связано с процессом ком
пактирования заготовки. 

В процессе эксплуатации изделий из ВКМ матрица распределяет 

приложенную нагрузку между волокнами. Таким образом, качество соеди
нения компонентов композиционного материала имеет основополагающее 

значение, определяющее основные физико-механические свойства ВКМ. 

Любой технологический процесс изготовления ВКМ должен удовлетво
рять следующим требованиям [3]: 

1. Получаемые изделия должны иметь компактное строение. 

2. При изготовлении изделий из ВКМ должна формироваться проч
ная адгезионная связь между матричной составляющей и упрочнителем,  

а также между матричными слоями. 

3. Изделия должны сохранять исходную прочность и сплошность во
локон упрочнителя. 

4. Необходимо обеспечивать равномерное распределение волокон в 

матрице, с заданными шагом, геометрией ячеек и характером армирования 

как на стадии получения полуфабрикатов, так и в готовом изделии. 

Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

179

5. Должна быть обеспечена возможность осуществления последую
щей сварки, пайки, склеивания или клепки, особенно это важно при произ
водстве полуфабрикатов и узлов из ВКМ, которые затем собираются в 

конструкции или изделия. 

Большинство процессов обработки металлов давлением может быть 

применено для получения ВКМ. Однако необходимо отметить, что строе
ние и состав композиционных материалов предопределяют принципиально 

иные подходы к решению проблемы разработки технологических процес
сов производства ВКМ по сравнению с обычными способами обработки 

гомогенных материалов.  

Наиболее оптимальным является получение ВКМ компактного стро
ения за один переход. В этом случае можно обеспечить, с одной стороны, 

должную величину напряжения компактирования, а с другой – лимитиро
вать нагрузку на волокна и время протекания процесса. Недостатки стан
дартного оборудования ОМД заключаются в значительных скоростях пе
ремещения инструмента, что не дает возможности в полном объеме про
изойти временному адгезионному взаимодействию компонентов. Решение 

проблемы находят в многоэтапном характере компактирования. Однако 

это существенно снижает производительность процесса, а длительное пре
бывание заготовки в разогретом состоянии влечет термическое разупроч
нение волокон. Несмотря на то, что до недавнего времени считалось, что 

для производства ВКМ целесообразно использовать типовое оборудование 

ОМД, последние исследования доказывают целесообразность разработки 

специального оборудования, учитывающего специфику ВКМ [4].  

Длительное изучение процессов компактирования и производства 

изделий из ВКМ на кафедре "ТОМД" "МАТИ-РГТУ имени К.Э. Циолков
ского" позволило спроектировать специальное оборудование, учитываю
щее специфику ВКМ. Например, лабораторный прокатный стан, волоку 

специальной конструкции, гибочный стан. 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

180

Взаимосвязь основных параметров технологического процесса опи
сывает система критериальных выражений, основывающаяся на требова
ниях, предъявляемых к изготавливаемому изделию. Критериальные выра
жения позволяют оценить оптимальные и предельно допустимые парамет
ры технологического процесса. 

К настоящему времени сформулированы следующие критерии: 

1. Критерий компактности. 

2. Критерий формирования прочного соединения компонентов. 

3. Критерий сохранения сплошности волокон. 

4. Критерий сохранения прочности волокон. 

Определение требуемых критериальных параметров для различных 

процессов получения изделий из ВКМ эффективно вести с помощью мате
матического моделирования. 

Моделирование технологических процессов изготовления изделий из 

ВКМ принципиально отличается от моделирования формоизменения го
могенных материалов. Стандартные CAE-системы для моделирования 

технологических процессов ОМД в этом случае мало применимы, так как 

материал в случае с ВКМ пористый, т.е. не является сплошной дискретной 

средой. 

В ряде случаев, как например, исследование процесса компактирова
ния в элементарной ячейке ВКМ Al-B программа QForm позволяет опре
делить по слоям действующие НДС (рис. 1.) и температурно-скоростные 

параметры. Однако, если рассматривать процесс компактирования и заго
товку ВКМ в целом, то необходимо либо применять очень большие допу
щения, что обязательно скажется на точности результатов, либо использо
вать иные, универсальные конечно-элементные программы, как, например 

ANSYS-DYNA. Основная задача при проектировании процесса изготовле
ния изделий из ВКМ – это нахождение усилия компактирования в зависи
мости от параметров сборной заготовки и температуры. 

Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

 
181

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.  Распределение напряжений внутри  "элементарной ячейки" 

при различных смещениях шага укладки волокон (Sсм) по слоям, ВКМ Al-B, 

материал матрицы АД1. 

 

При этом параметры технологического процесса должны соответ
ствовать требованиям критериальной системы, что обеспечит получение 

изделия надлежащего качества.  

Исследование процессов гибки и обкатки, выполненное в среде 

ANSYS-DYNA, позволило для процесса гибки профилей из ВКМ опреде
лить такие управляющие параметры, как минимально допустимый относи
тельный радиус гиба, максимальные растягивающие напряжения (рис.2), а 

также сформулировать основные функциональные зависимости. 

Исследование процесса обкатки (рис.3) позволило определить вели
чины требуемого усилия и скорости, описать параметры очага деформации 

и в результате сформулировать функциональную зависимость усилия ком
пактирования от параметров заготовки при заданных скорости, температу
ре и среде. 

Результаты математического моделирования были подтверждены в 

ходе дальнейшего экспериментального исследования, а также показали хо
рошую сходимость с теоретическими данными [5]. 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
182

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
Рис. 2.   Напряжения в очаге деформации при гибке. 
 

 

 

  

 

 

 

 

 
Рис. 3.  Моделирование обкатки оболочек из ВКМ: 

а. Определение усилия прижима валка; 

б. Моделирование распространения напряжения при движении валка;  

в. Напряжения компактирования в очаге деформации. 

 

Лабораторные испытания доказали, что качество полученных изде
лий позволяет использовать их в деталях ответственного назначения, в том 

числе в виде усиливающих элементов летательных аппаратов. На разрабо
танные способы производства армированных труб, длинномерных профи
лей и оболочек из ВКМ получены патенты РФ на изобретение. 

Таким образом, проделанная работа говорит о том, что уже сегодня 

современные программные CAE-системы вполне пригодны для моделиро
а
б
в

Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

183

вания пластической деформации заготовок гетерогенного строения. Хотя 

еще нельзя сказать, что любой технологический процесс компактирования 

металлической композиции  может быть реализован, а время расчетов 

наиболее сложных моделей может  исчисляться сутками. Однако, учиты
вая темпы прогресса в области информационных технологий, можно уве
ренно утверждать, что уже через несколько лет в стандартном арсенале ря
дового технолога появятся специализированные CAE-системы и аппарат
ное обеспечение, возможности которых позволят в реальном режиме вре
мени моделировать альтернативные схемы проектируемых процессов, и в 

частности компактирование композиционных материалов 

 

Библиографический список 

1. Comprehensive composite materials /под ред. A. Kelly, C. Zweben. 

Vol..3 Metal Matrix Composites /ред. тома T.W. Clyne. UK: Cambridge Uni
versity Press (ISBN 0-08-042993-9), 2000. 

2. Lenoe, E.M. and Hoppel, C.P.R. “Metal Matrix Composites for Army 

Applications” Proceedings of the ARL/USMA Technical Symposium, pp. 157
178. West Point, NY, 3 November 2000. 

3. Петров А.П., Галкин В.И., Палтиевич А.Р. Применение аппарата 

математического моделирования при производстве изделий из гомо – и 

гетерогенных материалов методами обработки металлов давлением // 

Сборник научных трудов международной конференции "Деформация и 

разрушение материалов" М.: ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, 2006. 

4. Палтиеви  А.Р. Получение изделий с заданным комплексом меха
нических свойств в процессах обработки металлов давлением с приме
нением методов математического моделирования [Текст] / Палтие
вич А.Р. // Технология машиностроения. – 2008 / - № 8. 

5. Композиционные материалы: Справочник/ В.В. Васильев, В.Д. 

Протасов, В.В. Болотин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.