Диссертация (1026249), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Граничные условия контакта сварного образцас подкладкой и прижимамиМетодика расчета контактной термической проводимости подробноизложена в работах [7, 16].Подкладка с формирующей канавкойизготовлялась из меди, а прижимы – из латуни. Граничные условия контакта«стальной образец-медная покладка» и «стальной образец-латунный прижим»рассматривались как сумма термических проводимостей воздушной прослойкиαвоз между микровыступами контактируемых материалов и металлическогоконтакта αМ.Для вычисления коэффициента, учитывающего площадь фактическогоконтактастальногообразцаимеднойподкладки,воспользовалисьвыражением, приведенным в справочнике [87]:Sф где16 , 4 P,HP– давление на образец, МПа;H– твердость материала по Бринеллю, МПа.(3.5)Для расчета Sф использовали экспериментально измеренное давлениеприжимовP=0,6 МПа и данные по твердости меди М1 и латуни Л80 изсправочника [57].
В нашем случае для контакта «стальной образец-меднаяпокладка»получили Sф=0,12, а для контакта «стальной образец-латунный96прижим» - Sф=0,11. Поскольку эти величины относительно малы, то всоответствии с методикой [87], заключили, что термическая проводимостьконтакта приближенно может быть рассчитана только по значению αвоз,которая вычислялась по формуле: воз 2 воз,h медь h сталь(3.6)Величину микронеровностей поверхности сварного образца из листовойстали 12Х18Н10Т в состоянии поставки и медной подкладки определяли спомощью портативного измерителя шероховатости TR 100.
Величинамикронеровностей Ra на поверхности стали составила hSteel=0,54-0,72 мкм (длярасчетов приняли 0,66 мкм), а на поверхности- медиhCu=2,1-3,61 мкм(приняли 2,90 мкм) и латуни - hлат=5,01-9,57 (приняли 6,07 мкм). Зависимостьλ(T) воздуха принимали по данным работы [87].В результате расчетов были получены следующие значения контактнойтермической проводимости:αвозд(Т)=10200+32Т – пара «стальной образец-медная покладка»(3.7)αвозд(Т)=5400+17Т – пара «стальной образец-латунный прижим»(3.8)Реализация контакта в ANSYS/Multiphysics осуществлялась через менюменеджера контакта (Contact Manager), в котором задается контакт междуцелевой поверхностью (Target surface) и контактной (Contact surface).
Дляконтакта «стальной образец-медная покладка» в качестве Target surfaceвыбрали нижнюю грань стального образца, а Contact surface – верхнююповерхность медной пластины, а для контакта «стальной образец-латунныйприжим» в точности да наоборот.Контактнаятеплопередачарассчитывалась по формуле:между контактируемыми поверхностями97q=TCC·(Tt-Tc),где ТСС-(3.9)коэффициент контактного термического сопротивления,обратный величине проводимости, (м2·ºС)/Вт;Tt и Tc- температуры соответственно в узлах контактацелевой и контактной поверхностей, ºС.3.3.
Верификация граничных условий контакта сварногообразца с подкладкой и с прижимамиСварка производилась на образцах из коррозионно-стойкой сталиаустенитного класса 12Х18Н10Т размерами 100·50·2 мм на медной подкладкесварочном стенде с пневмоприжимами. При сварке на всех режимахиспользовали вольфрамовые электроды WL-20диаметром 3 мм с угломзаточки 30°, длина межэлектродного промежутка составляла3 мм иоставалась постоянной.На каждом режиме было выполнено по 3 идентичные сварочныеоперации. Результаты статистической обработки измеренных параметровсварныхшвовпослужилиисходнымиданнымидляопределенияэкспериментальных коэффициентов в численной модели теплопередачи приАрДС на медной подкладке.
Для определения среднего значения выборкиопытных данных использовалась медиана с квантилями 25% (Q25) и 75%(Q75).ДоверительныйИсследованныесосредоточенностиинтервалрежимыэкспериментальныхсваркииполученныеданных–0,95.коэффициентыисточника нагрева k для уточнения численной моделитеплопередачи представлены в Таблице 10.98Таблица 10.Режимы сварки для верификации модели и полученныерасчетом коэффициенты kСилаСкоростьтока,сварки,Ам/ч11512115115ШиринаВысотаШирина обратного обратногошва, ммНапряже-ЭффектКоэффи-ние наивныйциентдуге, ВКПДk, cм-2валика,валика,мммм6,25,00,4210,100,615,5155,64,20,5210,270,648184,92,80,3610,310,6513Проверка расчетной методики определения проводимости тепловогоконтакта стального образца с медной подкладкой и с латунными прижимамиосуществлялась путем записи термических циклов с термопар в меднойподкладке, установленных в соответствии с Рисунком 3.5, и последующим ихсравнением с термическими циклами узлов конечно-элементной сетки на 3Dмодели медной подкладки при расчете контактной теплопередачи.
При этомтермопары типа «К» зачеканивали в медную пластину на глубину 1,5±0,5 мм изаливали термостойким герметиком (см. Рисунок 3.5).а)б)Рисунок 3.5. Схема установки термопар в медную подкладку (а) илатунный прижим (б)99Термические циклы в процессе сварки записывались с помощьюцифрового 4-х канального измерителя температуры CENTER 309. На Рисунке3.6 представлены полученные термические циклы режимов на подкладке иприжимах, расположенных на расстоянии 6 мм от оси шва.а) Vсв=12 м/чб) Vсв=12 м/чв) Vсв=15 м/чг) Vсв=15 м/чд) Vсв=18 м/че) Vсв=18 м/чРисунок 3.6.
Термические циклы в медной подкладке (а, в, д) и прижимах(б, г, е) для Iсв=115A100Температура в точках Т1-Т4 на Рисунке 3.6 представляет собой среднеезначение температуры по результатам трех сварочных экспериментов. НаРисунке 3.7 буквами Т1-Т4 обозначены расположения узлов конечноэлементной модели теплопередачи, которым соответствуют места установкитермопар во время записи термических циклов на подкладке.а)б)в)г)Рисунок 3.7. Распределение температурных полей на численной модели безприжимов (а), с прижимом (б) и определение узлов конечныхэлементов на подкладке (в) и в прижиме (г)При использовании выражений (3.7) и (3.8) в качестве граничных условийконтакта в численной модели теплопередачи необходимо учитывать величинуконвективной теплоотдачи с поверхности В, обуславливающую степень101схожденияэкспериментальныхтермическихцикловвподкладкесчисленными.Конвективная теплоотдача в ANSYS/Multiphysics соотносит температуруокружающей среды (ambient) с температурой на поверхности (surface) последующему выражению [40]:Q=Ah(Tsurface – Tambient),(3.10)где плотность теплового потока при конвекции q зависит от коэффициентатеплоотдачи c поверхности h, площади поверхности А и разности температурTsurface и Tambient.
Экспериментальные данные о конвективной теплоотдаче,приведенные в научной литературе представлены в Таблице 11.Таблица 11.Анализ литературных данных о величине конвективной теплоотдачи споверхностиИсточник информации[18][98][108][123]Коэффициент конвективнойтеплоотдачи, Вт/м2h=6,16+0,04Т-2,857·10-2Т2,при Т<700 ºСh=0,68T·10-2Т , при 0<Т<500ºСh=0,231Т-82,1 , при Т>500ºСНет данных по коэффициентуконвективной теплоотдачи, конвекциязадана как удельный тепловой поток споверхности: q2S=25 Вт/м2Комбинированный коэффициент(конвекция+излучение)h=24,1εT1,61Используя численное моделирование, были проведены сравнительныерасчеты по определению влияния величины конвективной теплоотдачи споверхности В на термические циклы в местах их измерения термопарами в102медной подкладке. На Рисунке 3.8 приведены сравнительные результатымоделирования для каждого из литературных источников.а) Источник [123]б) Источник [108]в) Источник [98]г) Источник [18]Рисунок 3.8.
Сопоставление экспериментальных термических циклов стермопар в подкладке с циклами, полученными c численной моделитеплопередачи в подкладку с учетом различных условийконвективной теплоотдачи для режима Iсв=115А, Vсв=12 м/чИсходя из представленных выше графиков можно сделать вывод, что длячисленных расчетов целесообразно воспользоваться данными по конвективнойтеплоотдаче из работы [18]. В результате сопоставления экспериментальных103термических циклов с термическими циклами с численной модели, былоустановлено, что термическая проводимость, рассчитанная по выбраннойметодике определения теплопроводности воздушной прослойки междумикронеровностямишероховатостейповерхностей,отражаетреальныеусловия сварки с погрешностью 5-7%.3.4. Выбор типа конечных элементов и конечно-элементное разбиение3D-моделиБиблиотека конечных элементов программы ANSYS содержит более 80типов элементов, каждый из которых определяет применимость элемента к тойили иной области расчетов (прочностной, тепловой, магнитный и электрический анализы, движение жидкости или связанные задачи), характерную формуэлемента (линейную, плоскую, в виде бруска и т.д.), а также двумерность (2-D)или трехмерность (3-D) элемента как геометрического тела.
Процедурагенерации узлов и элементов в ANSYS/Multiphysucs состоит из трех основныхшагов [51, 83]:Установка атрибутов элементов;Установка контроля разбиений. ANSYS предусматривает большоеколичество видов контроля разбиений, которые вы можете отключить приотсутствии необходимости;Генерация разбиений.Первый шаг – выбор типа конечного элемента (твердотельный SOLID,оболочка Shell, контактный Conta, сопряженный Coupled Field) в зависимостиот типа решаемых задач;Второй шаг – установка контроляразбиений. Не обязателен квыполнению, так как контроль разбиений по умолчанию подходит для многихмоделей.104Третий шаг – выбор способа разбиения сетки и проверка правильностипостроения сетки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
