Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Рис. 13Д. Схема взаимодействия процессов прв сварке: ! . пропсссы в сварочном источника пипппш; 7 — пронсссы в исючникс знсргии сварки, наориыср в сварочной дую; 3 - протскаиис злскзрнчсскаю тока через свариос сосдннснис; 4 - распространснис тсплоты при нагрсвс н охлвждснин: 5— струкгурныс, фазовыс и хнмичсскнс прсаращсння, в тоы число гзчавлснис н кристаллизация сварного шва; 6- изысканна свойств наторкала в сварном швс и зоне тсриичсского влияния; 7 — диффузиа примесей, ысхаинчсскос гирсисшиваннс иатсриала сварною шва; о — образованна сварочных дсфорыаипй н напражсннй; 9- повреждение нли полнос разрушсинс сварного сосднисниа (4)-+(2) Изменение температуры поверхности Вчияет на горение сварочной дуги.
(2)-+(7) Источник энергии является, как правило, и источником присадочного материала. Кроме того, из дуги поступают газы и другие примеси. (3)-+(4) Протекание электрического тока в свариваемых деталях вызывает их разогрев. (4)-+(3) Перепад температур на границе разнородных материалов создает термоЭДС. (3)-+(7) Электрический ток влияет иа движение материала в сварочной ванне. (4) -+(5) Изменение температуры вызывает фазовые превращения в зоне термического влияния и влияет на ход химических реакций в сварочной ванне. (5) — «(4) Превращения и реакции сопровождаются выделением и поглощением тепла.
(4)— ( ) рактп ескл все свонства материала зависят от темпсратуры. (4) -+ (7) П ) ( ) ерепад температур вызывает термоднффузню, (4) -+ (3) Нагрев вызывает расширение матернала. (8) -+ (4) П н (5) -+ 6 П в ) ( ) р пластической деформации выделяется тепло. ( ) ревращення н реакцнн приводят к нзменению свойств. (5) -+ (7) Образующлеся вещества переносятся днффузней н перемешнваннем. (6) -+ (З)„(6) -+ (4),(6) -+ (5), (6) -+ (7)„ (6) -+ (3), (6) -+ (9) Протеканне всех процессов в матерлале завислт от его свойств.
( ) Днффузия н перемешнванне меняют сост ства. (7) -+ (3) П ( ) еремешлванне в шве (прн сварке трением) вызывает деформации и напряжения. (7) -+ (9) Диффузля н яеремешнванне способствуют образованню пор н включеннй. (8) -+ (2), (8) -з (3) Деформация влияет на протекание тока н поступление энергии„особенно прн контактной с ке. (8) -+ (5) 8 -+ ), (8) -ь (6) Деформацнонное старение нзменяет о сварке. структуру н свойства. (8) -+ (9) Сварочные деформации н напряженка вызывают образование различных дефектов. (9) -+ (8) Появлепле несплошностей нзменяет форму с ного соедлнення. му сварного Рассмотренная схема демонстрирует сложность комплекса вязывающнх нх явлепроцессов прн сварке н многочпсленность связываю Часть факторов, возникающих прн сварке (нагрев и охлаждеэксплуатацнонных нагрузках, т. е.
действовать на готовую конструкцию, влияя на ее работоспособность. Высокнн уровень достоверности н точности оценкп возденствия на сварную конструкцню комплекса процессов, протекающих в ней прн ее изготовлении н эксплуатацнн, обеспечивают только два метода: !) проведенне полномасштабных натурных экспериментов на реальных сварных конструкциях; дов. 2) компьютерное моделирование на основе численных х мето- В настоящее время первый метод, долгое время остававшнйся единственным н ым надежным, все более уступает второму методу.
Ос- 702 полным современным способом исследования влиянля процессов сварки на сварную конструкцию становится проведение кчлсленных экспериментов» на компьютерных моделях материалов н процессов. По сравнению с проведением обычных натурных экспериментов, компьютерное моделирование требует предварительных усилий для создания моделей в виде программного обеспечення. Однако в дальнейшем решение исследовательсклх н практических задач с помощью компьютерных моделей оказывается значлтельно более быстрым, дешевым н эффектнвным. Эксперименты на образцах материала остаются необходнмымн для определения его свойств, для проверкн моделя ц ее корректнровкн при решении новых задач, но нх объем и сложность резко сокращаются за счет прнмеиенля компьютерного моделирования. Что касается точности приближенных численных методов, то на практике она, как правило, оказывается выше, чем у кточных» аналитических методов расчета.
Обычно для получения аналнтнческого решения задачу приходится упрощать, а расчет по сложным аналитическим формулам выполнять на компьютере. В то же время приближенные методы обеспечивают решение с любой заданной точностью. Для ее повышения необходимы только дополннтельные ресурсы компьютера (память н время счета). Пользователь всегда может выбрать разумную точность на основе лнформацнн о назначении расчетов и сроках нх завершения, о точности исходных данных н о возможностях имеющихся компьютеров. Не только при разработке нового, но п при использовании готового программного обеспечении пользователю необходимо разбираться в принципах его работы, в применяемых физических моделях н численных методах их реализации.
Это необходимо для того, чтобы понимать возможности и границы прнменнмостн программы. Особенностью ряда численных методов, реаллзованных на компьютере, является трудность выявлення ошибок, связанная со сложностью решаемых задач и отсугствнем возможности проверки нх решения другимл способами. Инженерный опыт, позволяющий обратнть внимание на явные ошибки, также не всегда помогает. Часто неверные результаты (напрнмер, прн ошибках во время ввода исходных данных) выгладят вполне правдоподобнымн и непротиворечивыми. Задачами данной главы являются: 1) изложение принципов и основных формул, используемых при построеннн моделей сварочных процессов на основе численного метода конечных элементов (МКЭ); 703 2) ) Описание исходных данных, порядка их ИОдГотОвки и ввода„ 3) описание получаемых при моделировании результатоа, методов их анализа н использования.
Рассмотрим методы моделирования физических процессов на деталк), форма и размеры которого заданы. К нескольким точкам проводника подведено напряжение от источника то этих тОчек ока (потенциал го чек известен). По проаодкику течет ток плотность различна в Разных точках вследствие сложной формы и ника н ного раз удельною сопротивления. Требуется определить плотность тока (значение н направление), а таске эле,„ потенциал в ле .ркческнк в заданных точках на поверхности и в толще металла.
В простейшем случае (лдиннык ровный стержень из однородного металла) э а ) ту зал чу решить легко, но в реальных случаях получения сварных соединений методамн дуговой или конта р ад ча чаще всего не имеет аналитического решения. контактной Математическое описание процесса сводится к составлению днффе1зснциальнОГО или интегральноГО уравнения. Для и текли ни тока в прсчюднике дифференциальное уравнение мо- нна. залачн о У ит жет быть вывалено нз условия постоянства заряда в элементарном объеме металла. Это условие наруУи 4' т, шается во время переходных процес- сов прн замыкании и об(тыве цепи, Л' но может быль использовано прн х равновесном, установившемся, медленно изменяющемся протекании Рис. 13.2.
Схема протекания тока. Чтобы зарял в объеме злементока через элементарный па- тарного параллелепипеда с6' раллелепипел в направлении = й:ф о!г (рис. !3.2) . ) не изменялся, оси х сумма токов, напраиленных внутрь этого параллелепипеда через все его границы, должна быль равна нулю. Согласно закону Ома в дифференциальной форме, плотность тока~' прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е, т. е. градиенту потенциала (': 1 1ВУ г'= — Е= —— Р Р си где р — улельное сопротивление вещества, и — нормаль к поверхности, через которую течет ток. Знак минус означает, что ток течет в то4 1 направлении убывания потенциала.
Ток равен произведению плотности тока на плошадь поверхности, через которую ои проте» кает, Заряд, попадающий за единицу времени в элементарный параллелепипед с6' через две его грани. перпендикулярные к оси х, прямо пропорционален разности токов„протекающих через левую и правую грани (см.
Ркс. 13.2): Если ток, втекающий через левую грань ( и ) кающий через правую (!Хз) то в Обье заряда Приравнивая нулю суммарное накопление заряда, попа дающего в элементарный параллелепипед через все его 6 !раной, получаем уравнение постоянства заряда (первое правило Кирхгофа): — — — — + — — + — — с(г ОУ сЬ = О, которое приводит к уравнению Лапласа (13.2) для потенциала произвольной внутренней точки проводнкка.
Уравнение (13.2) необходимо проинтегрировать по всему объему проводника с учетом граничных условий, и эту задачу при сложной форме проводника не удается решить аналитически, особенно если она нелинейная (если удельное сопротивление неодинаково в разных точках тела, тем более если оно зависит от плотности тока, т. е.
от результатов решения задачи). Для этой же задачи можно вывестн интегральное уравнение из условия минимума энергии. При заданной разности потенциалов на границах тела выделение энергии при протекании тока обратно пропорционально сопротивлению цепи. Ток течет по пути наименьшего сопротивления, совершая минимально возможную работу. Вся работа Р за единицу времени может быль найдена, если проинтегрировать по объему тела выражение закона Джоуля- Ленца в дифференциальной форме: 705 Установившемуся процессу протекания тока соответствует такое распределение потенциалов л плотностей тока внутри проводника, при котором значение интеграла в формуле (! 3.3) минимально.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
