Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Для анализа траекторий деформирования конструкций из современных высокопрочных материалов выполнена реализация в конечно-элементном программном комплексе моделей ползучести с учетом разносопротивляемости, параметра поврежденности и анизотропии. Задачи оптимизации рассматриваются в процессах деформирования в режиме ползучести в стержневой реконфигурируемой оснастке и в процессах пластического деформирования при обтяжке панелей. Разработан метод оптимизации траекторий деформирования конструкций в стержневой реконфигурируемой оснастке, основанный на методе динамического программирования. Алгоритм метода оптимизации реализован в конечно-элементном программном комплексе и позволяет вычислить оптимальную систему траекторий движения стержней, обеспечивающей минимальное значение поврежденности материала. В данной системе траектории могут отличаться и включать участки разгрузки. Программная реализация алгоритма метода оптимизации предусматривает последовательный и распределенный по потокам и вычислительным машинам режим работы. Исследована кинематика механизма обтяжного пресса и получены кинематические зависимости, которые позволяют задать пространственное положение рабочих органов пресса обтяжки. Разработан численный метод решения задач оптимального управления процессом обтяжки листовой заготовки, в котором учитываются криволинейные траектории, аппроксимирующие пути деформирования, полученные при анализе натурных экспериментов. В качестве критерия оптимизации рассматриваются значения остаточных перемещений и поврежденности материала в пластичности. В пространство решений задач оптимизации, разработанным методам, включаются как монотонные, так и немонотонные траектории деформирования, учитывающие частичную разгрузку. В случае анализа немонотонных траекторий деформирования учитывается упругопластический материал с изотропным, кинематическим и комбинированным упрочнением. Результаты моделирования в условиях малых и больших деформаций сравниваются с натурными экспериментами формообразования листовых деталей на специальном обтяжном прессе. Выполненные работы связаны с решением ряда технологических задач формообразования в стержневой оснастке и на обтяжном пуансоне, а разработанные численные методы, реализованные в конечно-элементном программном комплексе, позволяют учитывать сложную геометрию детали, свойства материала и дают возможность еще на стадии подготовки производства оптимизировать параметры формообразования. В ходе выполнения проекта решены задачи моделирования технологии раздачи тонкостенной трубчатой заготовки из титанового сплава в штампе, используя конечно-элементные программные комплексы; исследовано распределение остаточных напряжений, упругое пружинение после снятия нагрузки и утонение стенок детали; сформулирована обратная задача по определению формы штампа в случае осесимметричной детали и разработан итерационный метод решения. В результате решения обратной задачи формообразования трубчатой заготовки вычислена необходимая геометрия матрицы, задающая упреждающую форму заготовки. Результаты численного решения обратной задачи раздачи тонкостенной трубчатой заготовки сравниваются с данными выполненного натурного эксперимента. В рамках анализа процессов деформирования в условиях больших деформаций решена аналитически и числено, методом конечных элементов, задача кручения полого цилиндра из полимерного материала с упрочнением. Исследования, проведённые на протяжении отчётного года, позволили получить следующие результаты: Комплекс программ пользователя в конечно-элементной системе, реализующие определяющие соотношения в ползучести с учетом анизотропии, разносопротивляемости и параметра поврежденности. Численные методы оптимизации и алгоритмы, реализующие поиск оптимальной системы траекторий движения управляющих элементов в стержневой реконфигурируемой оснастке и обтяжном прессе. Анализ решений задач и оценка влияния анизотропии, разносопротивляемости в ползучести и типа упрочнения в пластичности на оптимальную систему траекторий деформирования панели в стержневой оснастке и обтяжном прессе. Решения задач моделирования процессов обтяжки панелей в сравнении с данными натурных экспериментов. Модель и метод решения обратных задач раздачи труб в системе конечно-элементных программ. Анализ решения задач формообразования конструкций по модели больших деформаций в сравнении с натурными экспериментами и аналитическими данными.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Для снижения материальных и временных затрат на разработку и внедрение технологии изготовления обшивок двойной кривизны с использованием процесса обтяжки листовых заготовок предложено в процесс разработки управляющих программ включить дополнительные инструменты численного моделирования, которые обеспечат технолога полным объемом информации на ранних этапах разработки технологии. В состав инструментов численного моделирования входят, в частности, такие комплексы программ, как CAM-система S3F и CAE-система MSC.Marc. Формулируется задача оптимального формообразования, которая заключается в поиске угла поворота заготовки относительно пуансона. Оптимальный угол должен обеспечивать минимальные отклонения заготовки после обтяжки и разгрузки от необходимой заданной геометрии детали при условии кинематических ограничений прессового оборудования. В данном случае в зависимости от угла меняется пространство допустимых траекторий деформирования. Разработанный метод решения задачи оптимизации основан на итерационном алгоритме прямого поиска искомой переменной, а реализация его предполагает использование комплекса программ. Данный метод использован для разработки технологии изготовления окантовки задней двери самолета. Разработанные решения позволили в рамках вычислительного эксперимента отработать технологический процесс обтяжки с оптимальными технологическими параметрами, которые, при натурной отработке, позволили получить детали высокого качества. При изготовлении элементов гидрогазовых систем используются процессы раздачи трубчатых заготовок. В качестве рабочего тела, передающего усилие прессования на стенки деформируемой заготовки, в формообразующих операциях могут использоваться эластичные тела, такие как резины и полиуретаны. Форма штампа при раздаче должна задавать упреждающую форму трубчатой заготовке, которая обеспечивает необходимую остаточную форму после разгрузки. Для расчёта такой оснастки рассматриваются и решаются обратные задачи. При построении метода решения обратной задачи формообразования с контактным жёстким штампом рассматривается квазистатический вариационный принцип с функционалом, включающим контактные условия. Метод решения обратных задач в процессах формообразования труб раздачей по пуансону реализован в системе MSC.Marc для разных постановок задач: с действием рабочего тела на заготовку и с заданным давлением на заготовке. В качестве рабочего тела рассматривается резиновый стержень, механические свойства которого описываются моделью Муни – Ривлина, а константы определены на основе экспериментальных исследований. Результаты расчетов для двумерных и трехмерных постановок на примере осесимметричной детали демонстрируют сходимость итерационного метода и совпадение с экспериментальными данными. Предлагаемый метод может быть использован для определения геометрии пуансона при раздаче неосесимметричной конечной формы трубчатой заготовки, в частности эллипсоидальной, тройник и т.д. Реализация его в CAE-системе позволяет спроектировать оснастку на этапе подготовки производства. Получены аналитические решения задач в условиях больших деформаций: задача о кручении полого цилиндра из полимерного материала с разными типами пластического упрочнения, задача о релаксации напряжений в изогнутой вязкоупругой пластине с различными вязкими свойствами материала при растяжении и сжатии. Вариационная формулировка задач используется при численном решении методом конечных элементов. Учет пластических деформаций в законе Муни – Ривлина реализуется в системе Marc с помощью модели параллельной реологической структуры. Проведено сравнение аналитических, численных и экспериментальных данных, которое показывает совпадение решений.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Для технологических процессов формообразования монолитных панелей при задании аэродинамической формы разработан метод расчета оптимальной кинематической схемы деформирования заготовки, включающий алгоритм уточнения грубого решения. Вычисление оптимального пути деформирования заготовки выполняется с помощью моделирования и анализа нелинейного деформирования панели в условиях пластичности и ползучести с учетом контактных ограничений методом конечных элементов в системе Marc. Начальное приближенное решение находится по общей схеме динамического программирования. Уточнение грубого решения выполняется методом блуждающих трубок с уменьшенными размерами сетки в узкой области, охватывающей грубое приближение. Решение предложенным методом с уточнением сокращается по времени более чем в 3 раза по сравнению с методом по общей схеме динамического программирования. Апробация метода выполнена при моделировании технологических процессов деформирования конструкций с использованием оборудования с числовым программным управлением, такого как обтяжной пресс, реконфигурируемое устройство. Программная реализация метода обеспечивает возможность распараллеливания расчетов по потокам и вычислительным машинам. Проведены исследования алгоритма оптимизации кинематических схем деформирования панелей на основе метода динамического программирования, которые включают анализ устойчивости разностных схем и построение соотношений зависимости решения от характера дробления шагов разностной схемы. Анализ сходимости метода динамического программирования для задач оптимального формообразования в ползучести выполнен, используя комплекс найденных решений при разных величинах шагов сетки пространственной и временной переменной. Построенная аналитическая зависимость влияния величин шагов пространственной и временной переменной на сходимость совпадает численными результатами. Разработанные соотношения позволяют определить параметры сетки для обеспечения устойчивого решения задачи оптимизации методом динамического программирования. 2. В системе инженерного анализа ANSYS проведено моделирование и оптимизация процесса раздачи средней части трубчатой заготовки по жесткой матрице внутренним давлением. Для оптимизации геометрии оснастки, обеспечивающей требуемую остаточную форму трубчатой заготовки после раздачи и разгрузки, образующая жесткого пуансона определялась как сплайн, точки которого являются переменными параметрами. В результате разработан критерий оптимизации, который внедрен в CAE-систему, и методика расчета критерия, с учетом введенных переменных параметров оптимизации и их способов изменений. Рассмотрен способ получения труб для гидрогазовых систем летательных аппаратов методом свертывания из листовой заготовки. Проведен анализ технологических вариантов свертывания листовых заготовок гибкой в жесткой (металлической) матрице, в штампе с эластичной матрицей и в штампе с эластосыпучей средой. На основе натурного эксперимента и моделирования в CAE-системе двух технологических процессов изготовления детали операцией свертывания в эластичной и эластосыпучей среде определены усилия в зависимости от перемещений пуансона. Результаты демонстрируют заниженные усилия в эластосыпучей среде по сравнению с эластичной матрицей. Используя результаты трехмерного моделирования процесса штамповки, определены оптимальные геометрические параметры штампов, которые задают необходимое упреждение трубчатой заготовки, обеспечивающего требуемую остаточную форму после пружинения материала вследствие разгрузки. По найденным геометрическим параметрам изготовлены штампы, проведены натурные эксперименты и получены опытные образцы труб и профилей по следующим способам: свертыванием по диаметру, двухугловой гибкой в одной плоскости, U-образной гибкой. 3. Построены определяющие соотношения в приращениях для использования модели больших деформаций (учитывающей задание для упругих и неупругих деформаций уравнений переноса) в вариационных уравнениях метода конечных элементов. Разработан алгоритм программы пользователя системы Marc для расчета необходимых параметров по теории больших деформаций при моделировании технологических процессов формообразования деталей.