Диссертация (1026249), страница 15
Текст из файла (страница 15)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЗАКРЕПЛЕНИЯ НАОСТАТОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИНА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙМОДЕЛИ СВАРКИВчетвертойглаветермодеформационногопредставленацикламетодикаавтоматическойоценкиаргонодуговойвлияниясваркинеплавящимся электродом стыковых соединений на медной подкладке наостаточные деформации продольных и кольцевых швов тонкостенныхцилиндрических оболочек из коррозионно-стойких сталей аустенитного классаи даны рекомендации по уменьшению остаточных деформаций после сваркина приспособлениях с медной подкладкой.4.1. Общие требования к сборочно-сварочным приспособлениямРазработка сварочных приспособлений — один из этапов технологическойподготовкипроизводствановыхизделий.Конструированиеновогоприспособления или модернизация существующего производятся на основе:1)изучения чертежей и технических условий (ТУ) на сварнуюконструкцию;2)разработки (изучения) технологического процесса изготовленияизделия;3)анализа производственной программы выпуска изделий.Сварочные приспособления проектируются в основном по методам,аналогичным методам проектирования приспособлений для механическойобработки, однако от последних они отличаются способами фиксирования изакрепления деталей и изделий [45]:1)числаСобираемое под сварку изделие обычно состоит из значительногоразличныхдеталей.Ихустановкавприспособлениеведется124последовательно, а фиксирование обычно осуществляется независимо друг отдруга.
Кроме того, их необходимо закреплять либо прижимами, либоприхватками и прижимами (при минимальных зазорах);2)Приспособления должны снижать деформирование деталей иконструкций, вызываемое температурным воздействием сварки;3)При недостаточном закреплении в процессе сварки возможнораскрытие стыков, увеличение зазоров, изменение превышения кромок идругих параметров соединения, собранного под сварку.Сборочноеприспособлениеблагодарясвоейжесткостидолжнообеспечивать заданное расположение деталей в сборочной единице приприхватке и сварке.Заданную точность установки деталей в приспособлении обеспечиваютфиксирующие элементы, точность расположения которых зависит от допусковна линейные размеры изделия, диаметры фиксирующих прижимов, размерыплоских упоров и т.п.
Допуски на линейные размеры в сборочно-сварочныхприспособленияхвыбираютвпределах0,5...0,75допусковнасоответствующие размеры в изделиях [45]. Возникновение погрешностейзакрепления связано с возможными деформациями деталей и приспособления,а также смятием их контактных поверхностей под действием зажимногоусилия. Усилие зажатия, особенно при сварке тонкостенных оболочек, взаводских условиях контролировать достаточно сложно, поскольку зажатиеизделия в приспособлении для сварки осуществляется вручную. Чрезмерноезажатие приводит к превышению допусков размеров по цилиндричности инеобходимости применения после сварки кольцевых стыковых швов операциикалибровки, что существенно увеличивает себестоимость изделия.Максимальное радиальное усилие разжатия концентрических секторовпри сварке кольцевых стыковых швов оболочек ограничено пределомтекучести материала.
Однако слишком малая его величина может привести крадиальным перемещениям свариваемых кромок вследствие термического125расширения при нагреве значительной зоны вблизи кромки, и припоследующей сборке таких оболочек друг с другом возникает ступенька, чтонедопустимо [45]. При поузловой сварке часто возникают затруднения из-занесовпадения посадочных и присоединительных размеров собираемых послесварки узлов вследствие возникших перемещений, поэтому часто приходитсявыполнять подгонку отдельных узлов вручную, а иногда и осуществлятьпредварительную полную сборку, что существенно снижает возможностимеханизации и автоматизации сварочного производства.Помимо конструктивных особенностей сварочного приспособленияиусловий закрепления изделия, на распределение остаточных деформаций послесварки влияют факторы, связанные с тепловложением в сварное изделие –величина вводимой погонной энергии и теплоотдача в медную подкладку.Учитываято,чтовдинамичноразвивающемсяавиационномдвигателестроении окончательная отработка режима сварки выполняется наполномасштабных и дорогостоящих узлах ТРД (турбореактивных двигателей)актуальным вопросом является получения расчетной модели, которая можетобеспечить не только выбор режимов сварки, исключающих необходимость вих экспериментальной корректировке на производстве, но и спрогнозироватьостаточные деформации изделия после сварки.Поскольку отработка режимов сварки во многих случаях осуществляетсяуже на готовых узлах, то целесообразно разработать расчетную модель дляпрогнозирования остаточных деформаций после сварки на примере реальноиспользуемогосварочногоприспособлениядлясваркитонколистовойобечайки и фланца опоры турбины низкого давления (ТНД) на меднойподкладке, которое представлено на Рисунке 4.1.
Черной заливкой показанопоперечное сечение сварного изделия.126Рисунок 4.1. Приспособление для сварки кольцевого шва обечайки и фланцаопоры турбины низкого давления двигателя АЛ-31ФПриспособление состояло из планшайбы 1, которая крепится напланшайбе вращателя; корпуса 2, внутри которого расположен штокпневмопривода 3, осуществляющего осевое поджатие сварного изделия;внутреннейоси4,внутрикоторойнаходитсяштокпневмопривода;аргонопроводящей свободной муфты 5; конусов 6 и 7, соединенные с осьюштифтом 8, осуществляющие радиальное разжатие концентрических секторов1279 и 10 с медной подкладкой 11; прижима 12, предназначенного для осевогозажатия сварного изделия; упора 13, на котором фиксируется фланец сварногоизделия; пневмоцилиндра 14, выполняющий функцию горизонтальногоперемещения штока.
Все устройство собиралось на планшайбе 1, котораястягивается болтами с планшайбой вращателя.Схема зажатия сварного изделия в приспособлении осуществлялась внесколько стадий:1)Воздух под давлением подавался по рукавам в правую сторону отпоршня пневмопривода 14 двустороннего действия. Перемещающийся восевом направлении шток за счет конусов 6 и 7 приводил в действиеконцентрические сектора 9 и 10 в радиальном направлении в областистыкового соединения фланца и обечайки.2)Происходило радиальное разжатие концентрическими секторамисварного изделия с последующим осевым зажатием прижимом 12.Широко распространенные аналитические методы расчета jcnfnjxys[напряжений и деформаций дают приближенную оценку и не позволяют учестьбольшинства факторов, влияющих на распределение деформаций после сваркина приспособлении.
С развитием вычислительной техники для оценкисобственных деформаций и напряжений конструкций появилась возможностьпримененияконечно-элементногомоделированиясиспользованиемкоммерческих пакетов программ общего назначения (ABAQUS, ANSYS,SolidWorks) и специализированного (SYSWELD, Weld Planner) программногообеспечения. Точность численных расчетов с использованием таких моделейсущественно выше.1284.2. Численные методы расчета сварочных деформаций и напряженийДля численного расчета деформаций и напряжений после сварки обычноиспользуют прямой и косвенный методы [79, 95].Прямой метод в основном используется в двунаправленных связанныхзадачах, в которых результат термического анализа влияет на механический(деформационный) анализ и наоборот термический зависит от механического.Результатом механического анализа является картина распределениянапряжений и деформаций.
Для использования прямого метода выбранныйэлемент модели должен включать в себя как тепловые степени свободы, так имеханические. Результаты термического и механического анализов могут бытьполучены в одно и то же время. Однако в некоторых случаях влияниемеханического анализа на термический настолько мало, что им можнопренебречь [95].Косвенный метод может быть использован для решения связанных задач водном направлении, то есть решения задачи термического и механическогоанализов выполняются раздельно. Распределение температуры для всех узловможет быть получено из термического анализа на первом этапе ииспользоваться как нагрузка на узлы для решения механического анализа навтором. При этом тепловые элементы должны быть преобразованы вмеханические элементы во втором шаге [95].Механическийанализприсвязанноммоделированиизависитотраспределения температурного поля в термическом анализе.
Тем не менее,необходимо соблюдать ряд важных мер для того, чтобы получить результаты,близкие к реальности [95]:1.В механическом анализе должна быть точно такая же конечно-элементная сетка (тип и размер конечных элементов), что и в термическоманализе;1292.Тип элементов, используемых в термическом анализе должен бытьизменен на соответствующий тип элемента для механического анализа;3.Послепроведениятермическогоанализанеобходимоввестимеханические свойства материала;4.Переходная стадия механического анализа должна быть идентична спереходной частью термического анализа, это означает, что точное числошагов по времени и времени одного шага должны совпадать, чтобы избежатьпутаницы и ошибочных результатов;5.Для каждого шага по времени механического анализа необходимосчитывать макрос из текстового файла.В соответствии с работами [96, 125] наиболее целесообразным выборомварианта поведения пластичности, поддерживаемых комплексом ANSYS, дляпостроениятермодеформационноймоделиаргонодуговойстыковойоднопроходной сварки тонколистовых образцов из коррозионно-стойкой сталиаустенитногоклассаявляетсямодельбилинейногокинематическогоупрочнения (Bilinear Kinematic Hardening, BKIN) [38], общий вид которойпоказан на Рисунке 4.2, а.
Опция билинейного кинематического упрочнения(см. Рисунок 4.2, б) предполагает, что полный диапазон напряжений равенудвоенному значению предела текучести для учета эффекта Баушингера(Bauschinger) [36, 38, 96], согласно которому при повторном нагружении впротивоположном направлении (сжатии), вследствие эффекта Баушингера,материал деформируется легче, чем если бы он деформировался под действиемнагружения того же направления, что и предыдущее. Эффект обнаруживаетсяпри малых значениях предварительной деформации (до 1%), уменьшаясь приувеличении её величины [36]. Данная опция рекомендуется для общегоиспользования при малых деформациях для материалов, подчиняющихсякритерию пластичности Мизеса [38] (который включает в себя большинствоиспользуемых металлов).130а)б)Рисунок 4.2.
Эффект Баушингера (а) [38] и проявление билинейныхкинематических свойств упрочнения в модели BKIN (б) [40]Поскольку нашей задачей является оценка влияния геометрии сварногошва и условий закрепления изделия на распределение остаточных деформаций,целесообразно рассмотреть типы сварных швов, представляющие наибольшийинтерес при прогнозировании остаточных деформаций и наиболее частовстречающихся в конструкциях узлов и агрегатов ТРД в авиационнойпромышленности:1) продольный сварной шов при сварке обечайки;2) кольцевой сварной шов при сварке обечайки с фланцем на меднойподкладке в приспособлении, представленном на Рисунке 4.1.При моделировании остаточных деформаций в таких изделиях в качествепервого приближения рассматривалось полученное аргонодуговой сваркойстыковое соединение тонколистовых образцов одинаковой толщины сприжимом к медной подкладке.1314.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
