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

Текст из файла (страница 2)

3. Тепловые процессы при сварке (решение задач теплопроводности аналитическими и численными методами). Как распределяется тепло при сварке в изделии, пожалуй, самое основное, что необходимо знать, т.к. от этого будет зависеть форма сварного шва, размеры зоны термического влияния, временные и остаточное деформации и напряжения, время пребывания металла в критическом диапазоне температур, когда происходят структурные превращения. [6]

4. Диффузионные процессы при сварке (разработка физико-математических моделей, анализ химической микро- и макронеоднородности сварных соединений, поведения водорода при сварке). Перераспределение химических элементов при сварке в околошовной зоне и металле шва может вызвать изменение механических характеристик сварного шва. В результате ликвации околошовная зона обедняется, например, углеродом, что приводит к образованию мягкой прослойки, по которой в дальнейшем произойдет разрушение, а в центре шва наоборот, увеличится концентрация примесей, например серы и фосфора, что вызовет образование горячих трещин. [6]

5. Металлургия сварки (плавление и затвердевание металла шва, фазовые превращения в твердом состоянии, прогнозирование свойств различных зон сварного соединения). Характер кристаллизации сварочной ванны, рост и строение кристаллов, механические свойства различных зон сварного соединения, данные задачи помогут подобрать наиболее рациональный режим сварки, ее последовательность, оптимальную температуру подогрева и сварочные материалы. [6]

Глава 3. Особенности моделирования сварочных процессов

Для решения вопросов, актуальных сварочных соединений, необходимо совместное рассмотрение целого комплекса физико-химических процессов при сварке. При этом необходимо учитывать процессы, протекающие в источнике энергии для сварки, источнике питания, протекание электрического тока через соединение, распространение теплоты при нагреве и охлаждении, структурные, фазовые и химические превращения, плавление, кристаллизацию шва, изменение свойств материала в шве и зоне термического влияния, диффузию примесей, а также сварочные деформации и напряжения [3].

Часть этих процессов, возникающих при сварке и родственных ей технологиях (нагрев и охлаждение, агрессивные среды, деформации), может присутствовать и в эксплуатационных нагрузках, т. е. действовать на готовую конструкцию, влияя на ее работоспособность. Достоверность и точность оценки воздействия на сварную конструкцию комплекса процессов, протекающих в ней при ее изготовлении и эксплуатации, обеспечивают натурные эксперименты на реальных изделиях или исследования поведения математической модели (ММ) [3].

Полная ММ должна точно описывать все физико-химические явления и их взаимодействие, присущие данному процессу. Однако такую модель невозможно разработать ввиду неполноты знаний об объекте, поэтому реальные модели отображают изучаемые процессы с некоторой неточностью.

Основными физическими процессами при сварке являются тепловые, диффузионные, деформационные, электрические и газогидродинамические явления. Большинство из них может быть описано в рамках аппарата математической физики дифференциальными уравнениями указанных выше типов. Математическая формулировка задачи включает выбор параметров, характеризующих физический процесс, нахождение (или вывод) соответствующего дифференциального уравнения и описание краевых условий. Некоторые законы, используемые при описании сварочных процессов и из которых выводятся дифференциальные уравнения процесса и граничные условия, приведены в приложении 1.

Для вывода дифференциальных уравнений необходимо составить условия баланса потоков для произвольного объема F с границей G, ограничивающей объем, и, пользуясь формулой Остроградского, установить связь между плотностью теплового потока q через поверхность и дивергенцией потока в виде соотношения (1):

Процессы сварки плавлением сопровождаются относительным перемещением источника теплоты и изделия, причем размеры зоны, занятой собственно процессами плавления — кристаллизации, значительно меньше этого перемещения в пространстве. Для сокращения объема вычислений разумно рассматривать только зону формирования шва, а в математическом описании баланса потоков - учесть поток переноса теплоты вследствие движения системы со скоростью сварки. [3]

Все представленные в приложении 1 уравнения отражают только механизмы явлений (теплопроводности, диффузии) и полностью абстрагированы от условий протекания моделируемого процесса. Для решения конкретных задач такие уравнения необходимо дополнить так называемыми условиями однозначности, определяющими физические свойства рассматриваемого объекта и окружающей его среды, геометрические размеры зоны моделирования, условия взаимодействия граничных поверхностей объекта с окружающей средой (граничными условиями), а также начальное состояние системы объект — окружающая среда. Совместное решение дифференциальных уравнений с уравнениями однозначности обеспечивает единственность решения для каждого конкретного процесса.

Виды граничных условий

Одномерное распространение тепла в среде с теплоемкостью c, плотностью , коэффициентом теплопроводности  описывается уравнением

Граничное условие первого рода: На границе рассматриваемой области задается значение температуры, возможно, как функции времени

T (r_s,t)  T_s(t ) (3)

Граничное условие второго рода: На границе рассматриваемой области задается значение величины теплового потока, возможно, как функции времени

Граничное условие третьего рода: Это граничное условие описывает конвективный теплообмен поверхности тела с окружающей средой. Величина теплового потока на границе зависит от температуры окружающей среды и температуры на границе

где T₁ - температура окружающей среды,  - коэффициент теплообмена. В общем случае коэффициент теплообмена величина переменная и зависит от условий обтекания границы и характеристик окружающей среды (жидкости). Граничное условие четвертого рода: Описывает условия на границе контакта двух тел с различными теплофизическими характеристиками. На границе контакта двух тел r  r_s выполняются условия равенства температур и тепловых потоков:

(при этом уравнение теплопроводности (2) записывается для двух тел).Таким образом, математическая постановка задачи об одномерном распространении тепла в сплошной среде состоит из уравнения (2), начального условия (3) и двух граничных условий в любой комбинации (3) - (5). В случае сопряженной задачи (когда рассматривается перенос тепла через два или несколько тел, находящихся в идеальном контакте) математическая постановка состоит из уравнений теплопроводности (2) в каждом теле, начальных условий (3) и граничных условий (6) на границах контакта и двух граничных условий в любой комбинации из (3)-(5) на других границах рассматриваемых тел. [4]

При решении теплофизических задач граничные условия 1-го рода определяют температуры на границах области решения уравнения, условия 2-го рода — вводимые потоки источников теплоты, условия 3-го рода — потоки тепловых потерь на конвекцию и излучение, зависящие от температуры. В случае граничных условий 4-го рода для идеального контакта задают условия равенства температур и тепловых потоков, для контактного сопротивления — равенство тепловых потоков и скачок температуры, а для границ, на которых выделяется (поглощается) теплота фазового перехода, — равенство температур и скачок теплового потока, пропорциональный скрытой теплоте (условие Стефана). [3]

Перечисленные граничные условия описывают взаимодействие моделируемого объекта с внешней средой. Они включают уравнения, описывающие процессы в источнике питания, устройствах подачи сварочных материалов, работу механизмов сжатия и деформирования свариваемых деталей и т. п. Как правило, эти уравнения являются алгебраическими.

Глава 4. Применение МКЭ в исследовании сварочных процессов

Математическое моделирование сварочных деформаций в тонких пластинах

В данном случае происходит моделирование сварочных деформаций тонколистовых пластин. При сварке тонколистовых пластин из-за их малой жесткости остаточные напряжения вызывают деформацию. Если сравнить, например, величину продольного изгиба или угловой деформации, измеренную на стадии испытаний, с данными математического моделирования, то лишь небольшое расхождение в величинах позволит говорить об адекватности математической модели. Для подтверждения результатов моделирования проводятся экспериментальные исследования: варят шов длиной 70 мм без закрепления. На рис. 2 показан единичный шов. После сварки определяли прогиб в центре шва. На рис. 3 величина h характеризует разницу между начальной и конечной деформациями плиты в направлении оси Y. [2] Далее разработали компьютерную методику расчета последовательно выделенных термоупругопластичных конечных элементов для определения температурных полей, остаточных напряжений и сварочных деформаций. Анализ трехмерных конечных элементов осуществляли для количественного изучения сварочных деформаций пластины с единичным швом.

Рис. 2. Пластина со сварным швом: а – вид сверху, б – величина деформации

Рис. 3. Схема измерения прогиба плиты

На рис. 4 представлена сетчатая модель конечных элементов, использованная для моделирования. Элементы сетки более плотные поблизости от центра оси шва, в то время как по мере удаления от зоны сварного шва ячейки более крупные. Количество делений в направлении толщины пластины и наплавленного валика равно четырем. Для изучения формы сварного шва в применяемой FEM – МКЭ модели три размера сварного шва были получены и измерены экспериментально. Здесь форма шва определяется на основании этих параметров (рис. 3). При анализе принято, что условия сварки соответствуют экспериментальным. Источник теплоты и термический анализ. Анализ распространения теплоты при сварке с заданными параметрами осуществляли на трехмерной модели тонкой плиты. На данной стадии характер распространения темпера-турного поля в каждой элементарной ячейке рассчитывался для всего сварочного процесса. Для термического анализа были выбраны трех-мерные восьмиугольные ячейки и элементы (SOLID 70). Температурозависимые физические свойства нержавеющей стали применяли в процессе анализа при распространении температурного поля. Для анализа использовалось уравнение (2). [2]

Рис. 4. Модель конечных элементов. Тонкая стрелка показывает механические граничные условия

Диффузионная сварка осесимметричных биметаллических соединений

Конструкцию сварного соединения в данном случае можно представить в виде осесимметричного составного тела вращения (рис. 5). Тип взаимодействия между слоями определяется функциональным назначением поверхностей при сварке. На контактных свариваемых поверхностях деталей в процессе сборки и нагревания рассматривается проскальзывание без трения; после охлаждения – слои сцеплены. На технологических поверхностях, контактируемых с внутренней или внешней обоймами, на всех этапах сварки поверхности проскальзывают без трения. Поставленную задачу определения остаточных напряжений в трехслойном упругопластическом теле после его нагрева и охлаждения невозможно решить в аналитическом виде. Наиболее приемлемым методом для отыскания ее решения является вариационная формулировка задачи в рамках теории малых упругопластических деформаций с последующей дискретизацией вариационной задачи методом конечных элементов. Во всех разработанных схемах диффузионной сварки соединений с охватываемыми поверхностями контакта обойма должна ограничивать перемещения поверхностей деталей в радиальном направлении, что предполагает ее более высокие характеристики жесткости. [5]

Рис.5. Конструкция сварного соединения

В среде Abaqus для математического моделирования и определения всех компонент напряжений и деформаций реализованы следующие шаги расчета: 1. Сборка конструкции методом запрессовки требуемой детали в ответную некоторым усилием Р. На модель накладываются ограничения перемещения торца ответной детали вдоль оси соединения, а именно принимаются равными нулю. Взаимодействие между свариваемыми поверхностями – проскальзывание без трения. [5]

Характеристики

Список файлов реферата