Selection of the rational geometry of specimen for compression test

Abstract

The object of study in this article is the conditions during the compression test. The subject matter is the models that simulate the physical processes during the compression test. The goal is to obtain models, which allow obtaining real information about stress-strain dependence during compression. The tasks to solve are to develop a three-dimensional computer model of a specimen subjected to compression that geometry allows to avoid the nonuniform distribution of stress-strain state. The upsetting of cylindrical specimens is one of the most commonly used methods for compression tests. However, due to the frictional force on both ends of the specimen, a barreling shape is likely to appear in the middle of the cylinder during the compression process, resulting in inaccurate mechanical properties of the final measured specimens. Therefore, this paper conducts qualitative and quantitative research on the physical parameters that affect the degree of barreling during the upsetting process of cylindrical specimens. The following results were obtained. The Concave End Face (CEF)-Upsetting and Headed Specimen (HS)-Upsetting methods have a significant effect on reducing the barreling degree. The smallest difference in the barreling degree is almost close to 101.8 % that appears in the CEF-Upsetting. Further analysis shows that the above two methods have similar principles for reducing the barreling degree, and both reduce the barreling degree in the middle by increasing the deformation of the workpiece ends. Then, the influence of the deformation of the workpiece head zone on the deformation of the non-end (gauge length) zone is analyzed. The rounded corners of the transition zone between the workpiece end zone and the non-end zones of HS-Upsetting have a great influence on the generation of forming defects. The end face groove size of CEF-Upsetting has a significant effect on the barreling degree after upsetting. Under the same other conditions, the barreling degree is the smallest when the ratio of the concave depth (a/D) is 0.12, when the ratio of the concave diameter(Dc/D) doesn’t exceed 0.6, the smaller the ratio of the concave diameter(Dc/D), the smaller the barreling degree. Finally, through the design of the orthogonal test, the functional relationship between the barreling degree and the dimension parameters of the workpiece ends zone is established. Conclusions: It doesn’t prove the feasibility of barreling-less upsetting only, but also provides theoretical support for actual production in the future.

Предметом вивчення в статті є умови під час випробувань на стиснення. Як предмет використовується модель, що симулює фізичні процеси під час випробувань на стиснення. Метою є розробка математичної моделі, що дозволяє отримати реальну інформацію про залежність напружень від деформацій під час стиснення. Завдання: розробити тривимірну комп’ютерну модель зразка, що знаходиться під стисненням, геометрія якого дозволяє запобігти нерівномірному розподілу напружено-деформованого стану. Використовуваними методами є осаджування, що є найпоширенішим методом для випробувань на стиснення. Але завдяки силам тертя на обох кінцях зразка з’являється викривлення середньої зони зразка у вигляді бочкоутворення, що приводить до неадекватних результатів випробування на стиснення. У даній статті міститься кількісне та якісне дослідження фізичних параметрів, які впливають на ступінь бочкоутворення під час осаджування циліндричного зразка. Отримані такі результати. Найбільший вплив на зменшення ступеня бочкоутворення мали зразки з піднутренням торців та з головками. Для зразків з піднутренням торців ступень бочкоутворення зменшувався до 101,8 %. Подальший аналіз показав, що обидва методи застосовують подібні принципи для зменшення ступеню бочкоутворення та обидва зменшують ступень бочкоутворення в середній зоні зразка завдяки збільшення деформації у торців. Крім того аналізу піддались вплив деформації в зоні головки на деформацію зони, що підпадає процесу вимірювання. Найбільший вплив має співвідношення величини зони закруглення та розмірів зразка. Також розміри піднутрення мають значний вплив на ступень бочкоутворення під час осаджування. Під час тих самих умов найменший ступень бочкоутворення був при співвідношенні діаметра зразка та глибини піднутрення 0,12, якщо діаметр його не перевищує 0,6 діаметра зразка. Чим менше співвідношення діаметра піднутрення, тим менше ступень бочкоутворення. В кінці було встановлено завдяки проведенню статистичного ортогонального тесту аналітичне співвідношення між ступеня бочкоутворення та геометричними параметрами зразка. Висновки. Завдяки знайденим раціональним співвідношенням геометричних параметрів зразка можна отримати інформацію о дійсному напружено-деформованому стані під час осаджування, що можна використати для планування реальних виробничих процесів у майбутньому.

Предметом изучения в статье являются условия при испытаниях на сжатие. В качестве предмета используется модель, симулирующая физические процессы при испытаниях на сжатие. Целью является разработка математической модели, позволяющей получить реальную информацию о зависимости напряжений от деформаций во время сжатия. Задание: разработать трехмерную компьютерную модель находящегося под сжатием образца, геометрия которого позволяет предотвратить неравномерное распределение напряженно-деформированного состояния. Используемыми методами является осадка, являющееся наиболее распространенным методом испытаний на сжатие. Однако благодаря силам трения на обоих концах образца появляется искажение средней зоны образца в виде бочкообразования, что приводит к неадекватным результатам испытания на сжатие. В данной статье содержится количественное и качественное исследование физических параметров, влияющих на степень бочкообразования при осадке цилиндрического образца. Получены следующие результаты. Наибольшее влияние на уменьшение степени бочкообразования имели образцы с поднутрением торцов и с головками. Для образцов с поднутрением торцов степень бочкообразования уменьшалась до 101,8 %. Дальнейший анализ показал, что оба метода применяют подобные принципы для уменьшения степени бочкообразования и оба уменьшают степень бочкообразования в средней зоне образца благодаря увеличению деформации у торцов. Кроме того, анализу подверглись влияние деформации в зоне головки на деформацию зоны, подпадающей процессу измерения. Наибольшее влияние оказывает соотношение величины зоны закругления и размеров образца. Также размеры поднутрения оказывают значительное влияние на степень бочкообразования во время осадки. В тех же условиях наименьшая ступень бочкообразования была при соотношении диаметра образца и глубины поднутрения 0,12, если диаметр его не превышает 0,6 диаметра образца. Чем меньше соотношение диаметра поднутрения, тем меньше ступней бочкообразования. В конце было установлено благодаря проведению статистического ортогонального теста аналитическое соотношение между степенью бочкообразования и геометрическими параметрами образца. Выводы. Благодаря найденным рациональным соотношениям геометрических параметров образца можно получить информацию о действительном напряженно-деформированном состоянии при осадке, которую можно использовать для планирования реальных производственных процессов в будущем.