Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Підвищення ефективності виробництва, якості, надійності та експлуатаційних властивостей конструкцій є актуальним у сучасних умовах розвитку науки і техніки. Застосування різнорідних матеріалів у конструкціях енергетичного машинобудування дозволяє підвищити надійність і експлуатаційні характеристики виробів при вирішенні науково-технічних задач. При цьому найбільш ефективним і поширеним способом з'єднання різнорідних матеріалів є паяння.

При паянні вузлів зі сполученням матеріалів і сплавів різних за фізико-хімічними і фізико-механічними властивостями головною проблемою вважається забезпечення працездатності їх з'єднань. Незважаючи на численні дослідження вітчизняних і закордонних спеціалістів, присвячені з'єднанню різнорідних матеріалів, багато наукових і прикладних задач дотепер залишаються маловивченими і вимагають вирішення. Зокрема, в технічній літературі дуже обмежена кількість робіт, присвячених дослідженням впливу фізико-механічних властивостей матеріалів, геометричних характеристик конструкції на утворення і розподіл власних напружень і деформацій в паяних вузлах. Відсутні експериментально підтверджені методики розрахунку, які дозволяли б на стадії проектування визначити величину і характер розподілу напружень та деформацій у складних вузлах. Немає чітких рекомендацій з раціонального конструктивного оформлення вузлів з різнорідних матеріалів. Через зазначені причини науково-технічна задача розробки основних принципів раціонального конструювання вузлів з різнорідних матеріалів є актуальною. Її вирішення дозволило б проектувати оптимальні конструкції без проведення великої кількості матеріаломістких експериментів.

Робота присвячена розвитку наукових уявлень про вплив фізико-механічних і геометричних характеристик на утворення власних напружень і деформацій при виготовленні паяних конструкцій з різнорідних матеріалів і розробці основних принципів раціонального конструювання таких вузлів. Основна частина досліджень стосується виготовлення МГД-вузлів енергетичних установок з різнорідних матеріалів.

Мета і задачі роботи.

Метою дослідження є розробка комплексу конструктивно-технологічних рішень оптимального оформлення вузлів з різнорідних матеріалів, що забезпечують необхідний рівень службових властивостей і працездатність паяних з'єднань.

Об'єктом дослідження є паяні з'єднання з різнорідних матеріалів.

Предметом дослідження є вплив конструктивних та фізико-механічних факторів на поля власних напружень та деформацій.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

- розроблено методику розрахунку полів власних напружень і деформацій у паяних конструкціях з різнорідних матеріалів з урахуванням фізико-механічних і геометричних характеристик деталей, що з'єднуються;

- експериментально перевірена методика розрахунку власних напружень і деформацій у паяних конструкціях з різнорідних матеріалів та проведено порівняння експериментальних і теоретичних значень;

- досліджено вплив фізико-механічних, геометричних і конструктивних факторів на рівень власних напружень і деформацій у паяних конструкціях з різнорідних матеріалів;

- досліджено вплив пластичних деформацій на рівень максимальних напружень в паяних вузлах з різнорідних матеріалів;

- розроблено основні принципи раціонального проектування вузлів з різнорідних матеріалів;

- оптимизована конструкція МГД-вузла енергетичної установки з ніобієвого сплаву і композиційної міді та ущільнення газотурбінного двигуна з корозійнотривкої сталі та композиційного матеріалу.

1. Загальний стан питання створення вузлів зі сполученням різнорідних матеріалів, таких як кераміка, графіт, тугоплавкі метали і сплави та інші

Розглянуто основні проблеми, що виникають при виготовленні таких вузлів і обумовлені властивостями матеріалів. Суттєве розходження фізико-хімічних властивостей конструкційних матеріалів обумовлює переважне технологій паяння для їх з'єднання. Розходження фізико-хімічних і фізико-механічних властивостей матеріалів, що з'єднуються, приводить до виникнення при паянні власних напружень і деформацій, що в багатьох випадках зв'язано з утворенням неприпустимих дефектів або руйнуванням конструкцій.

Наведено огляд технічної і патентної літератури що до технологій паяння і конструктивному оформленню вузлів з різнорідних матеріалів. Розглянуто існуючи методи розрахунку власних напружень і деформацій. Доведено, що для моделювання полів напружень і деформацій перспективним є застосування чисельних методів, зокрема, методу кінцевих елементів (МКЕ).

З літературних даних відомо, що рівень і характер розподілу власних напружень і деформацій залежать від багатьох факторів: коефіцієнтів температурного розширення, модуля пружності матеріалів, геометрії вузла. Роль різних факторів у літературі оцінюється неоднозначно.

Для зниження рівня власних напружень застосовуються різні конструктивно-технологічні засоби. Вибір конкретного засобу для зниження рівня власних напружень визначається матеріалами, що використовуються, геометрією вузла та іншими умовами.

На підставі аналізу матеріалів глави визначені задачі експериментальних досліджень, моделювання полів власних напружень і деформацій, розрахунків впливу конструктивних факторів і розробки основних принципів конструювання вузлів з різнорідних матеріалів.

2. Розробка методики експериментального дослідження напружно-деформованого стану (НДС) паяних вузлів з різнорідних матеріалів

Наведені про властивості досліджуваних матеріалів, викладена методика експериментального дослідження НДС. Розглянуто різновиди похибок експериментальних досліджень.

Як джерело когерентного випромінювання використовувався гелій-неоновий лазер ЛГН-215 потужністю 50 мвт та довжиною хвилі =0,6328 мкм. Рівномірне нагрівання зразка здійснювалося нагрівальним елементом спеціальної конструкції. Температура контролювалася терморезистором. Голограми фотографувалися за допомогою фотоапарату “Зеніт ЕТ”.

3. Розробка методу розрахунку НДС при паянні різнорідних матеріалів

Визначено початкові і граничні умови необхідні для розрахунку НДС.

МКЕ ґрунтується на представленні конструкції як сукупності геометрично визначених окремих кінцевих елементів, з'єднаних між собою у вузлових точках. У цих точках прикладаються деякі фіктивні зусилля взаємодії, що характеризують дію розподілених внутрішніх напружень, прикладених уздовж реальних меж стикання суміжних елементів. Таким чином, задача зводиться до розрахунку пружної системи з кінцевим числом ступенів свободи. У розрахунках прийнято, що матеріали однорідні, ізотропні, лінійно-пружні і фізико-механічні властивості не залежать від температури.

Виходячи із сутності МКЕ розроблено алгоритм і складена програма розрахунку НДС паяних вузлів з різнорідних матеріалів. Порівняння результатів розрахунку з експериментальними показало їх добру кореляцію, середня розбіжність не перевищувала 10%.

4. Результати моделювання полів власних напружень і деформацій паяних вузлів з різнорідних матеріалів

Аналіз результатів моделювання полів напружень двох і тришарових з'єднань показує, що в загальному випадку можна виділити дві зони. У першій зоні, безпосередньо біля торців, поля напружень мають складний характер і компоненти тензора напружень x, y, xy мають порівнянні значення максимальних величин (x y, xy 0,6x). Напруження в другій зоні, в районі поперечної осі симетрії з'єднання, досить точно розраховуються формулами, заснованими на гіпотезі плоских перетинів. В залежності від довжини цих зон з'єднання можна умовно розділити на короткі (L=B), довгі, витягнуті уздовж границі розділу (L>B), і високі, витягнуті впоперек границі розділу (L<B). У коротких і високих з'єднаннях друга зона практично відсутня.

Розглянуто особливості впливу фізико-механічних і геометричних факторів на поля напружень у двошарових з'єднаннях. На підставі аналізу НДС встановлено, що зменшення висоти або модуля пружності одного із шарів приводить до зниження рівня максимальних напружень на 20...40%.

На підставі аналізу результатів впливу товщини і модуля пружності проміжного прошарку на рівень максимальних напружень у тришарових з'єднаннях встановлено, що збільшення товщини прошарку приводить до зниження у всьому з'єднанні рівня максимальних нормальних напружень на 25...30%, а дотичних до 50%. Застосування проміжних прошарків з модулем пружності, що дорівнює 0,1…0,2 від модуля пружності основного матеріалу, знижує рівень максимальних напружень на 25…30%.

Визначено вплив пластичних деформацій на розподіл і рівень максимальних напружень. Для оцінки впливу пластичних деформацій введені поняття "відносної пружності матеріалу" - відношення границі текучості матеріалу до максимальних напружень у ньому, обумовленим пружним рішенням, і коефіцієнту впливу пластичних деформацій - відношення максимальних напружень з урахуванням пластичних деформацій до напружень при пружному рішенні. Спочатку пластичні деформації з'являються в зоні з'єднання, де зосереджені великі дотичні xy і нормальні x напруження. Помітний вплив пластичних деформацій на рівень максимальних напружень спостерігається при значеннях e нижче 0,9…1,0.

Аналіз результатів впливу фізико-механічних і геометричних факторів на розподіл та рівень максимальних напружень дозволив сформулювати основні вимоги до конструктивного оформлення паяних вузлів з різнорідних матеріалів:

-до поверхні матеріалу з меншим КТР варто висувати підвищені вимоги до якості поверхні, відсутності на ній дефектів і конструктивних концентраторів напружень;

- у двошарових з'єднаннях слід прагнути до зменшення товщини і модуля пружності одного з матеріалів;

- у з'єднаннях із проміжним прошарком рівень максимальних напружень можна знизити, збільшуючи відносну товщину прошарку, або зменшуючи її модуль пружності.

- при застосуванні пластичних матеріалів варто враховувати вплив пластичних деформацій на рівень максимальних напружень.

5. Вивчення НДС МГД-вузла і ущільнення газотурбінного двигуна

Приведено розрахунок напруженого стану МГД-вузла, що включає різнопрофільні елементи з різнорідних матеріалів. На підставі аналізу результатів розрахунків і експериментальним шляхом показано, що під дією напружень, що виникають при охолодженні вузла після пайки, відбувається неприпустима деформація тонкостінного каналу. Для зниження рівня залишкових напружень запропоновано вдосконалення зміна конструкції МГД-вузла шляхом армування струмопідвідів додатковими компенсуючими елементами, з матеріалів з низьким КТР. На підставі аналізу впливу висоти компенсуючого елемента, на рівень максимальних напружень встановлена його оптимальна висота, яка повинна знаходиться в межах 9…11 мм. Застосування компенсатора висотою 10 мм дозволило знизити напруження в тонкостінному каналі до рівня менше критичних і звести до мінімуму деформації втрати стійкості.

Проведений аналіз НДС ущільнення газотурбінного двигуна зі сталі 12Х18Н10Т та сплаву Х18Н72В5-МП дозволив визначити оптимальні розміри складових елементів вузла. Цей захід збільшив кількість придатних до експлуатації паяних вузлів на 30 % відсотків.

Результати аналізу напруженого стану і озимизовані конструкції ущільнень газотурбінних двигунів використовуються на державному підприємстві "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування „Зоря-Машпроект”.

Висновки

1. Основні проблеми, при з'єднанні паянням різнорідних матеріалів, обумовлені значних розходженням фізико-хімічних і фізико-механічних властивостей матеріалів, що з'єднуються. Більшість друкованих робіт присвячена вирішенню проблеми одержання якісного з'єднання, але рівень власних напружень і деформацій, що виникають в таких з'єднаннях, ускладнюють одержання якісних натурних вузлів.

2. Відомі розрахункові методи, засновані на гіпотезі плоских перетинів і методах теорії пружності, дозволяють оцінити НДС вузла тільки в окремих випадках і не завжди з необхідною точністю. Чисельні методи дають більш повну картину НДС, однак їхнє застосування вимагає експериментальної перевірки.

3. З використанням МКЕ розроблено алгоритм розрахунку НДС паяних вузлів з різнорідних матеріалів.

4. З використанням методу спекл-інтерферометрії проведено експериментальне дослідження НДС зразка типу тришарового бруса. Порівняння отриманих експериментальних даних з результатами моделювання за допомогою розробленої програми показало, що розбіжність не перевищує 5-10%.

5. На основі чисельного моделювання НДС встановлено, що в двох- і тришарових з'єднаннях розподіл напружень має складний характер. Напруження зосереджені на границі розділу і біля торців з'єднання. Встановлено, що для істотного зниження рівня максимальних напружень необхідні оптимізація геометрії з'єднань і варіювання модуля пружності матеріалів, можна домогтися.

6. Досліджено вплив рівня пластичний деформацій на розподіл і рівень максимальних напружень. Встановлено, що при зростанні рівня пластичних деформацій знижується рівень максимальних напружень. Пропонуються прості залежності для наближеної оцінки впливу пластичних деформацій на рівень максимальних напружень.

7. На підставі дослідження НДС двох- і тришарових з'єднань запропоновані основні принципи раціонального конструктивного оформлення вузлів з різнорідних матеріалів.

8. Запропонований метод моделювання дозволив зробити оптимізацію конструкції МГД-вузла. Вірогідність запропонованих результатів підтверджена виготовленням дослідних зразків.

9. Проведений аналіз НДС і оптимізація конструкції ущільнення газотурбінного двигуна, дозволив збільшити вихід придатних до експлуатації вузлів на 30 відсотків.

Література

1. Ермолаев Г.В. Лабарктава А.В., Применение ЭВМ для решения задач механики паяных узлов // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 1999. - № 2 (366). - С.55-64.

2. Ермолаев Г.В. Лабарткава А.В., Моделирование полей напряжений в паяных соединениях из разнородных материалов // Автоматическая сварка. - 1999. - № 11. - С.17-21.

3. Лабарткава А.В., Золотий Ю.Г. Дослідження власних деформацій у паяних вузлах з різнорідних матеріалів // Матеріали VI всеукраїнської конференції "Фундаментальна та професійна підготовка вчителів фізики", вересень 2001 р. - Миколаїв, 2001. - С.176-181.

4. Ермолаев Г.В., Лабарткава А.В., Прохоренко В.М. Компьютерное моделирование полей собственных напряжений и деформаций в узлах из разнородных материалов // Матеріали міжнародної конференції "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво", вересень 2002 р. - Миколаїв, 2002. - Т.ІІ. - 308с.

5. Исследование собственных деформаций в паяных узлах из разнородных материалов методом спекл-интерферометрии / В.М. Прохоренко, Г.В. Ермолаев, А.В. Лабарткава, и др. // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - № 5 (383). - С.52-57.

6. Компьютерное моделирование полей собственный напряжений и их экспериментальное исследование при соединении разнородных материалов / В.Ф. Квасницкий, Г.В. Ермолаев, А.В. Лабарткава и др. // Сб. труд. междунар. конф. "Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах", сентябрь 2002 г. - пос. Кацивели, Крым, Украина: 2002. - С.136-139.

Размещено на Allbest.ru