23-03-2020-Глава 7 Сварочные деформации и напряжения (841337), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Существует большое количество авторских и профессиональных программных комплексов, различающихся по сложности конструкций, доступных для моделирования, и по полноте охвата процессов, протекающих при различных способах сварки. Кроме стержневых, применяют плоские и объемные КЭ для моделирования листовых конструкций и массивных деталей. Возможно объединение в одной модели КЭ разных видов.

Расчет сварочных деформаций и напряжений состоит из определения:

1. температурных полей при сварке;

2. механических свойств материала, зависящих от температуры;

3. температурных деформаций и деформаций от структурных превращений;

4. собственных деформаций, напряжений и перемещений.

В результате моделирования определяют вначале временные, а затем остаточные напряжения, деформации и перемещения. Процесс моделирования может быть продолжен на стадию эксплуатации сварной конструкции, что позволяет учесть взаимодействие остаточных напряжений с рабочими напряжениями от эксплуатационных нагрузок. Для проведения расчета, кроме информации о форме и размерах конструкции, необходимы следующие исходные данные:

1) характеристики сварочного источника нагрева (мощность и ее распределение по пятну нагрева, скорость сварки, порядок наложения швов);

2) условия теплоотдачи и температурные зависимости теплофизических свойств материалов (коэффициентов теплоемкости сρ, теплопроводности λ, теплоотдачи с поверхности α_т);

3) характеристики температурного расширения (дилатограммы) материалов, образующих сварное соединение;

4) условия закрепления сварного соединения в процессе сварки и нагрузки в процессе эксплуатации;

5) температурные зависимости механических свойств материала (модуля упругости E, коэффициента Пуассона μ и предела текучести σ_т).

Для приближенных расчетов могут быть использованы усредненные свойства материала и дилатограмма, соответствующая уравнению прямой . Точное определение свойств требует проведения испытаний в условиях, близких к реальному сварочному циклу.

В этом случае вначале производят приближенный расчет изменения температуры и сварочных деформаций (термодеформационнго цикла сварки). Затем проводят испытания материала в условиях этого цикла для определения свойств материала с учетом его структурных превращений, упрочнения и ползучести. Полученные из этих испытаний свойства используют для повторного уточненного расчета деформаций и напряжений.

При сварке разнородных материалов или применении присадочного материала, отличающегося от основного, свойства материалов разных зон соединения могут не совпадать. Тогда их необходимо получить и задать по отдельности для каждой зоны.

Рассмотрим пример моделирования МКЭ деформаций пластины из низколегированной стали при ее нагреве движущимся источником (сварочной дугой). Для упрощения модели будем считать скорость сварки очень большой, а нагрев одновременным по всей длине. Тогда все поперечные сечения пластины находятся в одинаковых условиях и достаточно смоделировать одно из них. Источник движется по оси симметрии пластины, что позволяет включить в модель только одну из двух симметричных половин сечения. Модель показана на рис. 7.17. Ее размер в направлении длины пластины ℓ = 1 (1 мм, если размеры заданы в миллиметрах). Толщина пластины s = 8 мм, ширина 2b = 200 мм. Сетка элементов неравномерная, элементы мельче вблизи источника, где градиенты температуры и деформации выше.

Рис. 7.17. Плоская конечноэлементная модель пластины:

ℓ, s, 2b –размеры пластины; x –траектория движения источника теплоты

При моделировании тепловых процессов теплопроводность λ = 0,4 Вт/(см·К), объемная теплоемкость cρ = 5 Дж/(см³·К) и коэффициент теплоотдачи с поверхности α_т = 0,006 Дж/(см²·с·К) приняты не зависящими от температуры. Граничные условия вводятся на контуре модели (рис. 7.18); поперечные сечения (x = const) являются адиабатическими границами. Распределенный по осевому сечению (y = 0) источник теплоты с удельной мощностью q = 50 Вт/мм² действует в течение 1 секунды, после чего происходит выравнивание температур и остывание пластины. Окружающая среда – воздух с температурой 20 °С, такую же начальную температуру T_нач имеет пластина.

Рис. 7.18. Граничные условия для модели

Для расчета деформаций и напряжений применим идеальную упруго-пластическую модель материала с параметрами упругости, не зависящими от температуры (модуль упругости Е=2·10⁵ МПа, коэффициент Пуассона µ = 0,3). Коэффициент линейного расширения α=12·10^-6 К^-1. Предел текучести при температуре ниже 500 °С σ_Т = 240 МПа, в интервале от 500 до 600 °С снижается по линейному закону, выше 600 °С σ_Т = 1 МПа. Поперечные сечения пластины (x = const) остаются плоскими и не перемещаются в направлении оси x (вдоль шва). Эта схема – плоской деформации – соответствует большой ширине пластины. Несмотря на тепловое расширение середины пластины, ее длина ℓ практически не изменяется. Условие симметрии пластины обеспечивает закрепление осевого сечения (y = 0) в направлении ширины пластины (по оси y). В результате решения получаем значения температур, деформаций и напряжений в каждой точке модели для любого момента процесса. Результаты достаточно близки к полученным на стержневой модели (см. рис. 7.6). На рис. 7.19 показана зависимость продольного напряжения σ от температуры в одной из точек. По характеру она близка к представленным на рис. 7.7.

На рис. 7.20 показаны эпюры максимальных температур и продольных остаточных напряжений в поперечном сечении пластины. Сопоставление с рис. 7.8 показывает близкое совпадение с эпюрами продольных напряжений в широкой пластине. Растягивающие остаточные напряжения возникают в зоне, испытавшей нагрев на ΔТ_т. В зоне, нагревавшейся до 2ΔТ_т и выше они близки к пределу текучести (240 МПа). Значение ΔТ_т = 105 К близко к рассчитанному для стержневой модели (100 К).

Рис. 7.19. Зависимость продольного напряжения от температуры в точке на расстоянии 5,5 мм от середины пластины

Рис. 7.20. Распределение максимальных температур T и продольных остаточных напряжений σ_x в поперечном сечении пластины

На эпюре видно, что размеры зоны пластических деформаций b_пл ≈ 37 мм, b_м ≈ 21 мм, b_т = 29 мм, следовательно, усадочная сила .

Расчет по формулам (7.9, 7.10) при и дает достаточно близкое значение

.

7.8. Поперечная усадка при сварке пластин

7.8.1. Поперечная усадка при стыковой сварке с полным проплавлением

Рассмотрим полоску, вырезанную из пластины двумя поперечными сечениями, расстояние между которыми dx (см. рис. 7.17). В связи с симметрией будем рассматривать только половину этой полоски ( ). При нагреве мощным быстродвижущимся источником с эффективной мощностью q основные потоки теплоты идут в направлении оси y, потоками в направлении оси x можно пренебречь и считать поперечные сечения адиабатическими границами (схема мгновенной укладки шва). В каждый элемент полоски размером dy (рис. 7.21) попадает некоторое количество теплоты dQ, в результате температура повышается:

. (7.24)

Рис. 7.21. Схема поперечного расширения пластины при нагреве

В результате металл расширяется и размер dy увеличивается. Приращение размера du зависит от условий расширения в направлениях x и z.

1) Если расширение по всем направлениям свободное (при сварке встык двух тонких стержней), то ;

.

Приращение размера b: , где – общее количество теплоты, попавшее за время cварки в половину полоски. Тогда . Проведенный анализ показывает, что при мгновенной укладке шва изменение ширины пластины не зависит от распределения температуры в ней по оси y, то есть ширина пластины увеличивается мгновенно в момент попадания теплоты и в дальнейшем уменьшается только по мере ее выхода из пластины в окружающую среду.

2) Если расширение свободное только в ширину и в толщину, а поперечные сечения остаются плоскими и длина не меняется (сварка тонких широких пластин), то ; ; ; ; . За счет стеснения продольных деформаций поперечное расширение увеличивается на треть (при упругих деформациях).

3) Если расширение свободное только в ширину, а длина и толщина не меняются (электрошлаковая сварка толстых широких пластин), то

.

Общая формула

(7.25).

Пластические деформации происходят без изменения объема (µ = 0,5). При этом коэффициент A повышается до 1,5 для тонких пластин и до 3 для толстых.

При мгновенной укладке шва на незакрепленные пластины их ширина 2b увеличится от нагрева на (q₀ –удельная погонная энергия, попавшая в обе половины пластины при сварке), а после остывания практически вернется к прежнему размеру (поперечная усадка незначительна).

Если края закреплены, то ширина пластин будет оставаться постоянной, но в них по мере нагрева будут расти поперечные сжимающие напряжения σ_y и упругие деформации укорочения.

При нагреве до высоких температур предел текучести металла снижается. В результате текучести упругие деформации перейдут в пластические (произойдет пластическое поперечное укорочение пластин, при этом увеличится их толщина и образуется выпуклость шва, см. рис. 7.3), а сжимающие напряжения снизятся вместе с пределом текучести. В итоге расширение пластин на стадии нагрева составляет малую часть от ожидаемого согласно формуле (7.25).

При остывании предел текучести снова повысится. По мере остывания в пластинах будут нарастать растягивающие поперечные напряжения. Уровень остаточных поперечных напряжений σ_{y ост} после полного остывания зависит от расширения при нагреве, которое возникло бы при отсутствии закреплений Δ(2b) и от расстояния между закреплениями 2b:

. (7.26)

Чем шире пластины, тем меньше поперечные остаточные напряжения. При сварке узких пластин в жестком закреплении эти напряжения могут достигать предела текучести. Если теперь освободить пластины от закреплений, то обнаружится их поперечная усадка – сокращение исходной ширины 2b на величину Δ_поп:

Характеристики

Список файлов лекций