Диссертация (1024714), страница 20

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 20)

Время, откоторого зависят граничные условия, отсчитывается от начала стадии. Для129каждой стадии задаются условия ее завершения, а также параметры точностимоделирования (условия завершения итераций на каждом шаге решения,периодичность вывода результатов и т. д.).Решение осуществляется за несколько шагов. Сначала в файлывыводятся первичные результаты решения, которые в дальнейшем могутбыть исходными данными для продолжения решения с любого шага.

Если жерешение проводится не изначально, то взамен начального состояния моделивводятсяфайлырезультатовтогошага,скоторогоцелесообразнопродолжение решение.Расчеттемпературногополяинапряженно-деформированногосостояния проводится в связной постановке, что позволяет учесть взаимноевлияние тепловых, деформационных процессов и фазовых превращений вметалле сварочной ванне и шве.Схожие приемы используются и за рубежом, при анализе остаточныхсварочных напряжений [178, 179].Приведенная на рис. 2.11 блок-схема комплекса «Сварка» и еговозможности по определению зависимости сварочных напряжений от формыразделки и параметров процесса сварки подтверждают его возможности поанализу полей остаточных сварочных напряжений (ОСН) при дуговой сваркеплавлением корпусных конструкций специальной техники.Применение данного комплекса, либо схожих с ним комплексов [180,181] существенно уменьшает объем экспериментальных исследований приопределении влияния особенностей процесса сварки на напряжения всварных конструкциях, что позволяет его применять при решении самыхразнообразныхприкладныхзадач.Основнымметодомопределенияраспределений ОСН является компьютерное моделирование процесса сваркиметодом конечных элементов.

Данный метод физико-математическогомоделирования позволяет не только получить распределения ОСН по всеймоделируемой области, но и рассмотреть возможности и средства егоперераспределения.1302.5. Компьютерная реализация обобщенной физико-математическоймодели для анализа и оптимизации формирования шва при сварке поузкому зазору2.5.1. Методы численного решенияМетоды численного решения, положенные в основу компьютерныхрасчетов процессов сварки, основываются на численном воспроизведенииэволюцииформированиясварногосоединенияотначалатепловоговоздействия дуги на свариваемый металл до образования сварочной ванны ишва. При этом за малый шаг времени учитывается динамика изменениятекущих значений множества взаимодействующих между собой физическихпараметров, состоящих из множества точек в пространстве формированиясварочной ванны и шва, которое включает в себя газовую среду, основной иприсадочный металл.

Область решения уравнений модели ограничиваетсязначениями физических параметров, которые рассчитываются либо изусловия непрерывности исходных данных, либо экстраполяцией решения изобласти имитации на границы реального процесса [182].На начальном этапе имитации в соответствии с конструкцией стыка,размерамидеталейопределяетсяпространственноеположениезон,соответствующих металлу деталей M1, M2, присадочной проволоке Mf изащитному газу Ga.

Зоны сварочной ванны Mm и закристаллизовавшегосяметалла Mw, а также кратера под дугой Gp, определяются в процессе решенияуравнений модели. Основной задачей при этом является определениепространственного расположения поверхностей раздела сред «расплав-газ»MmGp, «расплав-твёрдый металл» Mm( M1M1Ms), «расплав-газ» MmGg.Положение поверхностей этих сред характеризуется термодинамическимсостоянием вещества, которые определяются решением уравнений энергии иравновесия давлений на граничных поверхностях «расплав - газ».131При построении массива маркеров Bi,j,k свойств среды, исходнымиданными являются толщины свариваемых деталей, пространственноерасположение дуги и требуемые размеры сварного соединения b и h.Нумерация узлов сетки i, j, k оценивается в направлении оси дуги луча x, y’,z’, которая не зависит от ориентации поверхности деталей.

Помимо этогомассив маркеров пополняется значениями принадлежности каждого из i, j, k узлов к соответствующей среде процесса сварки.В процессе воспроизведения процесса сварки могут возникать иразвиваться новые среды в виде расплавленного металла, кратера под дугой,кристаллизующегося сварного шва. Поэтому на основании результатоврешения уравнений энергии и поверхностей ванны расположение маркеров вмассиве Bi,j,k уточняется при каждой итерации. Для всех точек i,j,kпространства определяются температура Ti,j,k и энтальпия Hi,j,k.

Используютсямножества значений теплопроводности между узлами в направлении каждойкоординаты xi,j,k, yi,j,k, zi,j,k..Для описания распределения мощностиэлектрических дуг на поверхности расплава MШ используется множествозначений интенсивности теплового потока qi,j  qk  qr  q f , где слагаемыетеплового потока от тепловыделения в катодном пятне, столбе дуги и потокатеплоты капель вычисляются по зависимостям (2.17, 2.19 и 2.23) взависимости от координат x,y,Z(x,y) точки i,j поверхности сварочной ванны.Теплопереностеплопроводностьюсогласноработ[183,184]целесообразно описывать оператором:H i, j,k  H i, j,ki  1 , j ,k Ti 1, j , k  Ti , j ,k    i  1 , j ,k Ti , j ,k  Ti 1, j , k   2 2  2  1 Ti , j 1, k  Ti , j ,k    1 Ti , j ,k  Ti, j 1, k    i , j  ,k  i , j  2 ,k2 ,i , j ,k  1 Ti , j , k 1  Ti , j , k   i , j ,k  1 Ti , j ,k  Ti , j ,k 1  22 vxi , j  1 ,k H i 1, j , k  H i , j , k   vyi , j  1 ,k H i , j 1,k  H i , j ,k 22где  - шаг времени моделирования,  - шаг сетки.(2.58)132Данный конечноразностный оператор,получен преобразованиемуравнения (2.25) и используется при решении уравнения теплопроводности.Определение температуры в зависимости от значений энтальпиипроизводили, используя кусочно-линейную функцию, приведенную на рис.2.12.Рис.

2.12. Зависимости энтальпии H, теплопроводности , коэффициентаповерхностного натяжения  и давления пара pvap от температуры T длястали 09Г2ССледует отметить, что решение уравнения равновесия давлений (2.31)на поверхности сварочной ванны целесообразно выполнять итерационнымметодом в цикле, вплоть до достижения баланса масс изменениемвнутреннего давления расплава.

Метод конечных разностей на одной илидвух равномерных двухмерных сетках обеспечивает решение уравнениядавлений для верхней и нижней поверхностей ванны.Результатом численного решения уравнений станет верхняя Z iT, j инижняя Z iB, j граница между расплавом металла Mw и окружающей сварочнуюванну воздушной атмосферой Ga.На начальном этапе внутреннее давление расплава pW принимается133равным нулю. Координаты Z it,j1 поверхности сварочной ванны в i,j-й точке наt+1-йследующейитерацииопределяютсяпоконечно-разностнойзависимости, впервые предложенной в работе [103]:Z it,j1 1 ttttt 1   Z i 1, j  Z i 1, j  Z i , j 1  Z i , j 1  A,4r12где At 1 g z max  Zti, j(2.59)r22 2 2kk 2 I 12 e R1  2 I 22 e R2   v x2  v y2  pW ,R1R2Для решения вариационной задачи (2.36) использовали зависимость[185] объема подаваемой в сварочную ванну электродной проволоки от еедиаметра:Vf L 2d f ,1 v f ,1  d 2f , 2 v f , 2  W ,4vw(2.60)Одновременно, по заранее вычисленным координатам поверхности Zi,jсварочной ванны и шва в соответствии с данными работы [185] определяли иобщий объем расплавленного в ней металла:LWjmVZ   Z i , j  Z1, j 2 .(2.61)i 1 j 1Внутреннее давление pW итерационно уточняли в цикле решенияуравнения равновесия поверхности сварочной ванны, используя зависимостиработы [185]:pWt 1  pWt V1 n Zn  1  V f,(2.62)где n – итерационный коэффициент, значение которого выбрано n=99для получения сходимости решения.Приведенные методы численного решения уравнений теоретическоймодели формирования сварочной ванны обеспечивают ее воспроизведениепримоделировании.Дляэтоговычислительныйэкспериментпоисследованию процесса формирования шва при многопроходной сваркереализуетсяпоспециальноразработанномуалгоритмумоделирования формирования многопроходного шва.численного1342.5.2.

Алгоритм численного моделирования формированиямногопроходного шваВычислительный эксперимент по имитации процесса формированияшва при многопроходной сварке реализуется с помощью итерационногопроцесса, в котором на каждой итерации по значениям параметров процессас предыдущего шага устанавливается связь с формированием ванны и шва.Общий алгоритм имитации процесса многопроходной двухдуговойсварки показан на рис. 2.13.Рис.2.13. Общий алгоритм имитации процесса формирования шва примногопроходной сваркеНа начальном этапе численного решения значения параметровзадаются в соответствии с геометрией разделки кромок.

Затем выполняетсяпоследовательное моделирование формирования сварочной ванны и шва присварке каждого прохода, с определением их качественных показателей. Еслиэти показатели соответствуют требованиям к соединению, то они с учетомвновь образованной поверхности шва после предшествующего проходапоступают в компьютерную модель для последовательного моделированияформирования сварочной ванны и шва напоследующих проходах. Есликачественныепоказателипроходанесоответствуюттребованиямксоединению, то происходит автоматическая корректировка всех значимыхпараметров прохода, вплоть до получения положительного результата.135На рис.

Характеристики

Список файлов диссертации