Наиболее типичные элементарные ячейки авиационных панелей и обечаек в зависимости от характера пластической деформации

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

75

УДК 621.735, 519.711.3 
DOI 10.12737/8145 

НАИБОЛЕЕ ТИПИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЯЧЕЙКИ 

АВИАЦИОННЫХ ПАНЕЛЕЙ И ОБЕЧАЕК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ 

ХАРАКТЕРА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ 

Жаров Максим Владимирович  

доцент, 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 

 

Предлагается классификация элементарных ячеек авиационных панелей и обе
чаек с учетом их формы и степени асимметрии относительно центра ребра панели с 

целью облегчения процесса математического моделирования характера течения ме
талла в условиях изотермической штамповки. 

 

Прежде чем исследовать характер течения металла при изотерми
ческой штамповке авиационных панелей и обечаек посредством математи
ческого моделирования, было бы целесообразно провести анализ характера 

течения металла в одной элементарной ячейке панели. Для этого необхо
димо рассмотреть все возможные  характеристики геометрических пара
метров ячеек. Однако прежде чем производить деление на типы элемен
тарных ячеек, необходимо выделить две принципиально различные группы 

ячеек с точки зрения механизма образования дефектов. Причем критерием 

деления на группы будет являться соотношение толщины ребра и толщины 

полотна панели.  На основе анализа характера течения металла и заполне
ния ребра можно выделить ячейки панелей с относительно толстыми  реб
рами и ячейки панелей с относительно тонкими ребрами. Для относитель
но толстых ребер имеем:   

                           Вребра  >  Sполотна ,                                                       (1) 

где Вребра  – толщина ребра в его основании (зоне прилегания к 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

76

 полотну панели), мм; 

Sполотна – суммарная толщина полотна панели и толщина припуска  

под механическую обработку (в том случае если он есть), мм. 

Для относительно тонких ребер имеем: 

                  Вребра  ≤  Sполотна.                                                     (2) 

Сформированная на основе этих положений классификация элемен
тарных ячеек оребренных панелей и обечаек представлена на рис. 1. 

Деление на ячейки с относительно тонким и относительно толстым 

ребром обусловлено в первую очередь требованиями большинства техни
ческих рекомендаций и положений по производству авиационных панелей 

горячей штамповкой (в том числе и изотермической штамповкой). Извест
но, что одним из основных требований ГОСТов, ОСТов и ТУ на производ
ство оребренных панелей является положение  о том, что толщина полотна 

детали с   припуском   на   механическую   обработку  плоской   части  из
делия  была меньше или равна толщине ребра детали [1, 2].  В ряде случаев 

рекомендуется использовать заготовки, толщина которых меньше или 

равна толщине ребра готовой панели [3]. В противном случае возможно 

образование неисправимого брака – утяжины в подреберной части готово
го изделия. В ряде случаев образуется еще один дефект – зажим в боковой 

части ребра, который образуется в условиях сочетания относительно 

большой высоты и относительно большой толщины ребра при малой тол
щине полотна готового изделия.  Необходимо отметить, что использование 

авиационных панелей с тонкими ребрами и толстым полотном значительно 

ограничивает, с конструкционной точки зрения  и  точки зрения соотноше-

ния прочность (жесткость) конструкции - вес конструкции, область ис
пользования панелей и обечаек. 

Использование панелей с рассматриваемыми дефектами формы не
допустимо,  так   как   область  утяжин  и зажимов представляет собой очаг   

 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

77

 

 

Рис. 1.  Классификация элементарных ячеек авиационных панелей  

и обечаек. 

Основные типы элементарных ячеек 

оребренных панелей и обечаек. 

Ячейки панелей с относительно 

толстыми  ребрами 

Ячейки панелей с относитель
но тонкими  ребрами 

Тип IV

Тип II

Тип V

Тип III

Тип I

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

78

концентратора напряжений, который представляет опасность причины 

разрушения конструкций, работающих под нагрузкой. 

В качестве основного показателя, определяющего влияние формы 

элементарной ячейки на характер течения металла и механизм образования 

дефектов, наиболее целесообразно использовать коэффициент асимметрии 

элементарной ячейки. 

Для определения этого показателя необходимо рассмотреть схему 

получения оребренной панели. Формирование ребра панели происходит 

путем заполнения полости штампа в результате пластического течения ме
талла. Причем в общем случае ребро формируется за счет встречного те
чения двух потоков металла из межреберного пространства (рис.2). 

При математическом моделировании течения металла в условиях 

изотермической штамповки оребренных панелей было установлено, что 

условно область очага деформации можно разделить на три характерные 

зоны (рис. 2).  При данном разбиении зоны А  и  В  являются зонами ин
тенсивной пластической деформации, а зоны  C, D, F представляют собой 

зоны застоя, из которых металл  вытесняется под действием сжатия де
формирующим инструментом в свободную рабочую полость для форми
рования ребра. При моделировании установлено, что в процессе штампов
ки наблюдается встречное течение материала из застойных зон F и D в зо
ну формирования ребра (зону А). Пунктирные линии на рис.2 представля
ют собой границы элементарной ячейки. Местоположение границ элемен
тарной ячейки  определяется энергетической выгодностью движения эле
ментарного объема металла из межреберного пространства  в том или 

ином направлении. 

Очевидно, что металлу, находящемуся в точке х и вытесняемому из 

межреберного пространства (рис. 2), энергетически более выгодно дви
гаться в направлении зоны А, а не в направлении зоны В. 

 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

79

 

Рис. 2.  Характерные зоны очага пластической деформации при             

штамповке оребренных деталей. 

 

Для того, чтобы ввести коэффициент асимметрии iа, который по сво
ему физическому смыслу представляет собой коэффициент интенсивности 

потоков металла, поступающих в очаг деформации при формировании ре
бра, необходимо проанализировать объем металла, поступающего в очаг 

деформации (зона А). 

Можно считать, что  отношение секундных объемов металла, посту
пающих в очаг деформации с  разных сторон,  будет  равно:  

iа = V2 / V1  ,                                                       (3) 

где   V1 – объем металла, поступающий из правого межреберного 

пространства от ребра (зона D), мм3; 

V2 – объем металла, поступающий с левой стороны от ребра (из зоны  

F), мм3. 

Объемы поступающего в очаг деформации металла определяются на 

основе геометрических параметров элементарной ячейки оребренной па
нели (рис.3): 

V1 = L1⋅ b ⋅ ∆S  = L1⋅ b⋅ (St –St+∆t);                             (4) 

V2 = L2⋅ b⋅ ∆S  = L2⋅ b⋅ (St – St+∆t),                             (5) 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
80

где L1 – длина плеча с одной стороны ребра от границы очага  

интенсивной деформации (зоны А) до оси симметрии элемента- 

рной ячейки (рис.3), мм; 

         L2 – длина плеча с другой стороны от ребра, мм;  

         b – ширина элементарной ячейки панели, мм;  

         St – толщина полотна панели в момент времени t, мм;  

         St+∆t – толщина полотна панели в момент времени t+∆t,  мм. 

Тогда, окончательно имеем:  iа = L2 / L1.                                              (6) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.  Схема элементарной ячейки. 

 

Другим геометрическим показателем, определяющим характер тече
ния металла при формировании ребер в условиях штамповки панелей, яв
ляется относительный показатель 

ВS  =   Вребра  / S плоской заготовки ,                                    (7) 

где Вребра  – толщина ребра изделия в зоне, сочленяющейся с  

полотном изделия, мм;  

S плоской заготовки – толщина плоской исходной заготовки, мм. 

b
Lячей
Bребра 

L1
L2

h
St

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

81

С учетом того, что величина ВS  изменяется в определенном диапа
зоне, то этот показатель так же, как и коэффициент асимметрии элемен
тарной ячейки iа,  будет являться величиной переменной. 

Таким образом, разрабатываемая классификация позволяет система
тизировать основные типы авиационных панелей, которые в самом общем 

случае не являются симметричными относительно ребра панели. Это поз
воляет моделировать не процесс формирования панели целиком, а рас
сматривать характер течения металла в ряде элементарных ячеек, из кото
рых складывается авиационная панель или обечайка, модели которых 

представлены на рис. 4. 

 

а)                                                        б) 

 

 

 
Рис. 4.  Модель участка панели с лучевым (а) и продольно
поперечным (вафельным) оребрением (б). 

 

Библиографический список 

1./ РТМ 1.4.1644 – 86. Изотермическая объемная штамповка алюминиевых 

и магниевых сплавов. Руководящий технический материал. – М.: НИАТ, 

1987. – 134 с. 

2. Братухин А.Г., Иванов Ю.Л., Марьин Б.Н. и др. Современные техноло
гии авиастроения / Под ред. А.Г Братухина, Ю.Л. Иванова. – М.: Машино
строение, 1999. – 832 с.