Диссертация (1026249), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Инструменты разбиений (Mechtool) в ANSYS (Main Menu >Preprocessor > Mechtool) представляют собой удобный интерфейс длябольшинства случаев контроля разбиений.Хотявсефункции доступныв инструментах разбиения,можновоспользоваться традиционными командами ANSYS (язык программированияAPDL). Функции инструментов разбиения включают:Контроль уровня размеров (SmartSize);Установка контроля размеров элементов;Выбор формы элементов;Выбор типа разбиения (свободный или контролируемый);Разбиение объектов твердотельной модели;Построение сетки;Очищение разбиения.Рассмотрим типы элементов для решения трехмерной задачи нелинейнойтеплопередачи.
Для решения тепловых задач, в соответствие с работами [109,116, 124, 132] рекомендуется использовать тип SOLID 70. Разновидностиприменяемых типов конечных элементов представлены на Рисунке 3.9.а)б)Рисунок 3.9. Типы конечных элементов для решения 3D тепловых задач:SOLID 70 (а) и б) SOLID 90 (б)ЭлементSOLID70поддерживаетвозможностьтрехмернойтеплопроводности.
Он имеет 8 узлов с одной степенью свободы (температура)105в каждом. В основном его применяют для решения трехмерной тепловойстационарной задачи (Steady-state) или нестационарного (Transient) анализа.Цифрами на Рисунке 3.9, а показаны грани, на которые можно задать нагрузки.Для решения структурных задач этот элемент может быть замененэквивалентным ему структурным элементом SOLID 45. Главным недостаткомэтого элемента является невозможность использования его для решенияконтактных тепловых задач. Таким свойством обладает элемент SOLID 90,представленный на Рисунке 3.9, б.
Этот элемент имеет 20 узлов с однойстепенью свободы в каждом. Элементы SOLID 90 применимы длямоделирования контактных тепловых задач и имеют возможность заданиятеплового контакта как функции от температуры. Вследствие чего, выборэтого типа конечного элемента является наиболее рациональным для решенияпоставленной задачи. На Рисунке 3.10 показаны предварительные численныерасчеты температурных полей в сварном образце толщиной 2 мм для режимовсварки Iсв=115А, Vсв=12 м/ч, lмп=3 мм.
Расчет выполнен на компьютере с 4-хядерным процессором Intel core I-7, 16 GB Ram.а) Размер элемента 0,5 мм. Сеткаб) Размер элемента 0,5 мм, в областиравномерная.шва – 0,25 мм.Рисунок 3.10. Определение температурных полей при использованиигексаэдрической и тетраэдрической сетки конечных элементовИз анализа Рисунка 3.10 видно, что тип используемых конечныхэлементов практически не влияет на картину распределения температуры, приэтом время расчета практически не отличается: 126 мин с тетраэдрической106сеткой (84536 элементов) и 155 мин с гексаэдрической сеткой (64200элементов) для пластины длиной 0,1 м.
Однако, авторы статей [97, 108]рекомендуют использовать равномерную гексаэдрическую сетку для решенияконтактных задач, в результате чего для расчетов использовали равномерноеразбиение 3D - модели гексаэдрическими элементами.Для определения влияния размеров конечных элементов на картину полейраспределениятемпературпоповерхностипластинысмоделировалираспределение температурных полей от подвижного нормально-круговогоисточника нагрева при размере гексаэдрических конечных элементов a=0,15;0,2; 0,33; 0,5 и 0,8 мм для толщины образца 3 мм и режима сварки: Iсв=170А,Vсв=10 м/ч, lмп=3 мм. Коэффициент сосредоточенности источника оставалсяпостоянным для всех экспериментов k=5,8 см-2.
Примеры распределениятемпературного полядлясеток сразличными размерами элементовпредставлены на Рисунке 3.11, а-в.а) а=0,5 ммб) а=0,33 ммв) а=0,2 ммРисунок 3.11. Распределение температурных полей в поперечном сечениипластины толщиной 3мм от нормально-кругового источника нагреваИспользуя линейную аппроксимацию данных в среде MathCad по даннымчисленных расчетов была построена линейная зависимость отклоненияполуширины сварного шва от размера конечного элемента по методунаименьших квадратов. За исходную величину полуширины сварного швабыла принята полуширина сварного шва, полученная при использованииконечно-элементной сетки с размером элемента a=0,15 мм и соответствующаяэкспериментальным данным.
Влияние размера конечного элемента на среднее107отклонение от исходной полуширины сварного шва представлено на Рисунке3.12.Рисунок 3.12. Влияние размера гексаэдрического конечного элемента насреднее отклонение от исходной полуширины сварного шваИз анализа Рисунка 3.12 следует, что при использованииконечныхэлементов размером менее 0,33 мм отклонение от номинала не превышает 3 %,что вполне достаточно в численной модели, используемой для инженерныхрасчетов.Таким образом, в результате проведенных численных экспериментоввыяснили, что для численного решения задачи нелинейной контактнойтеплопередачи наиболее целесообразно использовать гексаэдрический типконечных элементов SOLID 90 с размером элемента а=0,33 мм.3.5.
Обработка результатов моделированияОбработкарезультатов численных экспериментов показывает,чтозависимость ширины шва от коэффициента сосредоточенности нормальнокругового источника близка к линейной в исследованных диапазонах режимасварки,поэтомуполученныеврезультатемоделированиязначениякоэффициентов сосредоточенности линейно аппроксимировали в среде пакетаMathCad по методу наименьших квадратов. Графики, иллюстрирующие108зависимость ширины сварного шва от коэффициента сосредоточенностинормально-кругового источника нагрева, представлены на Рисунках 3.13 3.15.а) lмп=2 ммб)lмп=3 ммв) lмп=2 ммг) lмп=3 ммРисунок 3.13.
Зависимости коэффициента сосредоточенности нормальнокругового источника от скорости сварки (а, б) и ширины сварного шва откоэффициента сосредоточенности (в, г) для толщины образца 1,5 мм109а) lмп=2 ммб) lмп=3 ммв) lмп=2 ммг) lмп=3 ммРисунок 3.14. Зависимости коэффициента сосредоточенности нормальнокругового источника от скорости сварки (а, б) и ширины сварного шва откоэффициента сосредоточенности (в, г) для толщины образца 2,0 мм110а) lмп=2 ммб) lмп=3 ммв) lмп=2 ммг) lмп=3 ммРисунок 3.15. Зависимости коэффициента сосредоточенности нормальнокругового источника от скорости сварки (а, б) и ширины сварного шва откоэффициента сосредоточенности (в, г) для толщины образца 3,0 мм111Полученныерезультирующиеприобработкеформулыдляданныхчисленноговычисленияширинымоделированиясварногошвапредставлены в Таблице 12.Таблица 12.Определение ширины сварного шва с помощью линейной аппроксимациикоэффициентов численной моделиТолщинаметалла,ммСилатока I,АДиапазонскоростейсварки V,м/чlмп=2 ммlмп=3 мм9012-21e=5,69-0,044Vсвe=6,63-0,147Vсв10515-24e=9,95-0,234Vсвe=5,22-0,031Vсв11518-27e=9,24-0,220Vсвe=7,56-0,103Vсв1259021-3010-12e=12,04-0,267Vсвe=6,78-0,171Vсвe=11,88-0,277Vсвe=7,03-0,171Vсв11510-18e=5,66-0,016Vсвe=5,57-0,097Vсв14016-25e=6,23-0,037Vсвe=9,07-0,217Vсв16018-26e=8,383-0,153Vсвe=11,64-0,295Vсв17010-16e=8,58-0,110Vсвe=10,09-0,224Vсв19012-18e=9,30-0,125Vсвe=10,6-0,021Vсв21014-20e=8,23-0,123Vсвe=7,78-0,151Vсв22518-25e=10,91-0,175Vсвe=10,71-0,150Vсв1,52,03,0Ширина сварного шва e, ммОчевидно, что расположение прижимов оказывает влияние на параметрыгеометрии сварного шва ввиду теплоотдачи с внешней поверхности сварногошва.
Следовательно, в полученных формулах необходимо учитывать этообстоятельство. Используя численное моделирование, определим на сколько112влияет расположение прижимов на определенном расстоянии от оси шва наконечную величину ширины сварного шва.3.6. Численная оценка влияния расположения прижимов отоси шва на ширину сварного шваДля определения степени влияния прижимов на ширину сварного шва ихрасполагали на расстоянии a=6 и 8 мм от оси сварного шва. В качествеграничных условий контакта использовали ранее полученные выражения (3.7)и (3.8).
Распределение температурных полей по поверхности пластинытолщиной 2,0 мм для режимов сварки Iсв=115A, Vсв=10 м/ч, lмп=3 мм(оставалась постоянной) представлено на Рисунке 3.16. Размер конечногоэлемента 0,5 мм, тип элементов – гексаэдрический.а)б)Рисунок 3.16. Распределение температурных полей от подвижных источниковна свободной поверхности пластины с расположением прижима нарасстоянии а=8 мм (а) от оси шва и на расстоянии a=6 мм (б)На Рисунке 3.17 сплошной линией показаны экспериментальные значенияширины шва для двух режимов: 1) Iсв=115А, Vсв=10 м/ч, lмп=3 мм 2) Iсв=160А,Vсв=26 м/ч, lмп=3 мм. Пунктирной линией показаны результаты численного113моделирования ширины шва по изотерме плавления комбинированногоисточника нагрева.Рисунок 3.17.
Влияние расположения прижимов на расстоянии а=6 и8 мм от оси шва на ширину сварного шваИз анализа Рисунка 3.17 отчетливо видно, что расположение прижимов нарасстоянии 6 мм и более от оси шва до места контакта прижима и образцапрактическиневлияетнаширинушваприсваркетонколистовыхкоррозионно-стойких сталей аустенитного класса, отклонение в результатах непревышает погрешности эксперимента.3.7. Численная оценка влияния ширины канавки в медной подкладкена ширину обратного валикаДля определения влияния ширины канавки в медной подкладке проводиличисленные эксперименты на следующих режимах сварки - толщина металла 2мм, Iсв=115А, Vсв=12 м/ч, lмп=3 мм. Распределение температурных полей собратной стороны шва в зависимости от ширины канавки в медной подкладкепоказано на Рисунке 3.18.114а) Ширина канавки b=6 ммб) Ширина канавки b=8 ммРисунок 3.18.
Распределение температурных полей при численном решениизадачи теплопередачи (тип сетки – гексаэдрический, размерэлемента – 0,33 мм) с обратной стороны образцаНа Рисунке 3.19 представлен график зависимости полуширины обратноговалика от ширины канавки в медной подкладке.Рисунок 3.19. Зависимость полуширины обратного валика шва от шириныканавки в медной подкладке (пунктирная линия – данные с численноймодели, сплошная – результат эксперимента)Из анализа Рисунка 3.19 видно, что решение задачи теплопередачичисленным методом с учетом условий контакта «стальной образец-меднаяпокладка»и«стальнойобразец-латунныйприжим»позволяетдляисследованной области моделирования с погрешностью не более 7% описать115ширину обратного валика в зависимости от ширины канавки в подкладке висследуемом диапазоне параметров режима сварки.3.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
