Розробка та застосування методу складних перерізів для розрахунку залишкових деформацій від зварювання поздовжніх швів одномірних конструкцій

Для досягнення визначеної мети в роботі вирішені такі задачі:

- розроблена концепція і математична модель для розрахунку на стадії нагрівання максимальних пластичних деформацій скорочення при зварюванні ПШ ОЗК;

- розроблений розрахунковий алгоритм визначення функції поздовжньої усадки металу в околі ПШ ОЗК;

- розроблений новий метод складних перерізів (МСП) для розрахунку залишкових деформацій ОЗК на основі визначення функції усадки при зварюванні ПШ. Метод охоплює весь діапазон можливої жорсткості ОЗК на позацентрове стиснення залишковою усадочною силою і враховує НДС від попередньо заварених швів;

- на основі МСП розроблені розрахункові алгоритми і програми в обчислювальному середовищі MathCAD для розрахунку: залишкового НДС при зварюванні ПШ ОЗК типових поперечних перерізів; параметрів оптимізації погонної енергії зварювання ПШ другої черги за критерієм відсутності залишкового прогину; технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину ОЗК типових поперечних перерізів;

- результати наукових розробок впроваджені на окремих виробничих підприємствах країни, а також в навчальний процес при підготовці інженерно-технічних фахівців у галузі зварювання, в тому числі і на міжнародному рівні.

1. Розроблена концепція і математична модель розрахунку на стадії нагрівання максимальних пластичних деформацій скорочення при зварюванні ПШ ОЗК. Модель призначена для визначення функції усадки і побудови методу складних перерізів для розрахунку залишкового НДС і прогину ОЗК. Метод складних перерізів базується на наближеному визначенні повної деформації у точках зони пластичних деформацій скорочення вздовж проекції на площину зварного з'єднання рухомої квазістаціонарної просторової кривої максимальних температур при зварюванні і забезпечує єдиний підхід до розрахунку залишкових деформацій ОЗК будь-якої жорсткості.

2. Розроблено новий інженерний метод складних перерізів для розрахунку залишкових деформацій при зварюванні ПШ ОЗК. Метод розроблено на основі визначення функції усадки, що відрізняє його від відомих інженерних методів науковою обґрунтованістю конфігурації складних розрахункових перерізів і забезпечує більшу точність розрахунку НДС ОЗК, особливо для конструкцій пониженої жорсткості при позацентровому стисненні їх в залишковому стані усадочною силою. Тим самим здійснено розширення сегменту наближених інженерних методів розрахунку НДС для ОЗК.

3. На основі МСП розроблені розрахункові алгоритми і програмне забезпечення: для визначення залишкових деформацій; для оптимізації погонної енергії зварювання ПШ другої черги за критерієм нульового залишкового прогину; для розрахунку технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину ОЗК типових симетричних поперечних перерізів при зварюванні ПШ.

Практичне значення одержаних результатів. Використання розроблених розрахункових методів дозволяє виконати розрахунок і проаналізувати НДС ОЗК при застосуванні штатної технології зварювання ПШ, при необхідності зменшення або повного усунення залишкового прогину розрахувати оптимальні значення погонної енергії зварювання швів другої черги за наявності такої можливості або розрахувати конструктивно-технологічні параметри теплової правки залишкового прогину і в такий спосіб суттєво підвищити якість виготовлення ОЗК. З використанням розроблених розрахункових методів на підприємстві ВАТ „ХК „Луганськтепловоз” відкориговані технологічні процеси виготовлення зварної балки (креслення 5ЕС.070.409 СБ) електровоза 2ЕЛ-5 завдовжки 17 метрів з поперечним перерізом, складеним з двох швелерів № 16, та зв'язуючої балки коробчатого перерізу грохота ГІЛ-52 на підприємстві ЗАО Луганський машинобудівний завод. Крім того, розроблені розрахункові методи впроваджені в навчальний процес ВНЗ України (НТУУ „КПІ”, Національному університеті “Львівська політехніка”, ТДТУ ім. Пулюя) в рамках вивчення навчальної дисципліни „Напруження та деформації при зварюванні” при підготовці фахівців в галузі зварювання зі спеціальностей 7.092301 (8.092301) - технологія та устаткування зварювання, 7.092302 (8.092302) - зварювальні установки, 7.092303 (8.092303) - технологія і устаткування відновлення та підвищення зносостійкості машин і конструкцій, а також для підготовки у Міжгалузевому учбово-атестаційному центрі інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона під егідою Міжнародного Інституту Зварювання персоналу зварювального виробництва за кваліфікаціями: Міжнародний інженер-зварник (IWE), Міжнародний технолог-зварник (IWT), Міжнародний спеціаліст-зварник (IWS).

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить результати теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних як особисто автором, так і при його безпосередній участі. Самостійно розроблені розрахункові алгоритми і прикладні програми для визначення: НДС при зварюванні ПШ ОЗК типових симетричних поперечних перерізів на основі функції усадки; параметрів оптимізації за критерієм нульового залишкового прогину погонної енергії зварювання швів другої черги для ОЗК, в яких можливо реалізувати даний підхід; конструктивно-технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину ОЗК, коли спосіб оптимізації погонної енергії зварювання не може бути реалізованим. Самостійно проведені експериментальні дослідження НДС на зразках з метою перевірки розробленого МСП. У співавторстві розроблялась математична модель та концепція розрахункового методу складних перерізів. В цій роботі автору належать методи розрахунку ширини ЗПДС та визначення максимальних значень пластичних деформацій скорочення на стадії нагрівання при зварюванні ПШ ОЗК.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на ІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології”, 25-27 червня 2003 р. м. Київ; на міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих наукових співробітників „Сучасні зварювальні і споріднені технології та їх роль у розвитку виробництва”, 28-31 жовтня 2003 р., Україна, м. Миколаїв; на ІІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології”, 25-27 травня 2005 р., м. Київ; на науковому семінарі зварювального факультету НТУУ „КПІ”; на щорічних науково-технічних конференціях викладацького складу зварювального факультету НТУУ „КПІ”, 2002 - 2006.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 10 працях: 6 статей у спеціалізованих виданнях, що увійшли до переліку ВАК України та у 3 збірниках тез доповідей міжнародних науково-технічних конференцій, 1 патент України.

Подальша реалізація алгоритму розрахунку відповідно до МСП стосується визначення залишкового НДС. Крива на рис. 2 розраховується із застосуванням матричного числення і тому вона представлена на основі обчислення вектора-стовпчика своїх значень в залежності від вектора-стовпчика координат точок по ширині ЗПДС. Для подальшого її використання в розрахунках виконується інтерполяція матричних результатів за відомою методикою. Як правило, інтерполяційна крива добре збігається з кривою , що підтверджується коефіцієнтом кореляції Пірсона для векторів та , який, зазвичай, дорівнює 1.

Розрахунок НДС для залишкового стану виконується на основі розв'язування системи рівнянь рівноваги силових факторів тепер уже для будь-якого поперечного перерізу ОЗК з доданням граничних умов для пружної деформації у точках на межі зони пластичних деформацій видовження на стадії охолодження. Пластична деформація видовження на стадії охолодження зменшує по висоті епюру пластичних деформацій скорочення (рис. 2). Вигляд залишкової епюри пластичних деформацій скорочення показаний на рис. 3. Залишкові деформації у поперечному перерізі несиметричного стикового з'єднання показані на рис. 4. Порівняння розрахунків з експериментальними даними показує задовільну їх кореляцію. Зварювалось під флюсом симетричне стикове з'єднання із сталі Ст.3 розмірами з погонною енергією . Зіставлення усадочних сил, визначених МСП, експериментально та іншими методами показано на рис. 5.Найбільше відхилення від експерименту за методами Ніколаєва Г.О., Вінокурова В.О. та Трочуна І.П., а найменше - за методами автора (МСП), Гатовського К.М., Касаткіна Б.С.

У третьому розділі з метою апробації МСП наведені розроблені алгоритми і результати розрахунків НДС ОЗК на прикладі модельних задач про нагрівання поздовжньої окрайки штаби (рис.6) за схемами ПШЛД та РЛД та зварювання тавра (рис. 7) за схемою нагрівання ПШЛД. Розглядались такі модельні задачі: а) для штаби (схема ПШЛД) , , із сталі ВСт. 3сп, погонна енергія нагрівання - , усадочна сила , залишковий прогин ; б) для штаби (схема РЛД) , , із сталі ВСт. 3сп, погонна енергія нагрівання - , усадочна сила , прогин ; в) для тавра (схема ПШЛД) із сталі ВСт. 3сп завдовжки з поясом , ребром , товщиною пояса і ребра , погонна енергія нагрівання - , усадочна сила , залишковий прогин . Розподіл повних , пружних , і пластичних деформацій у поперечному перерізі штаби і тавра у залишковому стані показано на рис. 8 і 9. Як видно з рис. 8 і 9, залишковий НДС у штабі і таврі, обчислений за МСП не протирічить загальним уявленням теорії напружень і деформації при зварюванні і відомим з літератури результатам, отриманим за іншими інженерними методами.

У четвертому розділі викладена концепція забезпечення відсутності залишкового прогину ОЗК шляхом оптимізації погонної енергії зварювання швів, так званої, другої черги, розглянуті основи розробки алгоритмів розрахунку параметрів оптимізації, наведені результати розрахунків для модельних задач ОЗК типових поперечних перерізів. Ідея виготовлення ОЗК без залишкового прогину шляхом оптимізації погонної енергії зварювання швів другої черги відноситься до конструкцій, у яких у поперечному перерізі є не менше двох ЗПДС від поздовжніх швів, розташованих по різні сторони центральних осей перерізу. Технологія виготовлення передбачає певну послідовність зварювання швів. Спочатку зварюються шви першої черги з утворенням ЗПДС з однієї сторони центральної осі перерізу і відповідним прогином конструкції. Далі виконується зварювання швів другої черги з утворенням ЗПДС з другої сторони центральної осі і прогином у протилежну сторону. Сумарний прогин може бути далеким від нульового значення з різних причин, детально розглянутих в роботі. Окрім інших причин, важливе значення для таких ОЗК має процес пластичного видовження в ЗПДС раніше заварених швів першої черги, який значним чином буде впливати на розбаланс сумарного згинального моменту, навіть для осесиметричного перерізу конструкції. Звідси стає зрозумілою ідея оптимізації погонної енергії зварювання швів другої черги, яка має зменшити сумарний згинальний момент до практично нульового значення.

Алгоритм розв'язування подібних задач складається з двох частин. У першій частині на основі МСП розв'язується задача про залишковий НДС для даної ОЗК після зварювання швів першої черги. У другій частині розв'язується оптимізаційна задачі. Вводиться один (може бути і більше) параметр оптимізації . Тоді при погонній енергії зварювання швів першої черги , для швів другої черги вона буде дорівнювати . Значення може бути як більше, так і менше 1 і має бути розраховане відповідно до математичної моделі задачі. Сутність математичної моделі полягає в наступному. Для процесу нагрівання при зварюванні швів другої черги і для залишкового стану після цього складається одна об'єднана система рівнянь рівноваги силових факторів у складному перерізі на стадії нагрівання і у будь-якому перерізі в залишковому стані з доданням граничних умов для пружної деформації у точках на межі зони пластичних деформацій видовження в ЗПДС швів першої черги на стадії охолодження. Інколи і на стадії нагрівання необхідно додавати такі умови для точок тих же зон. Необхідність урахування такого процесу на стадії нагрівання перевіряється поточним моніторингом результату розрахунку оптимізаційної задачі і здійснюється відповідною корекцією об'єднаної системи рівнянь.

На етапі розв'язування першої частини задачі залишковий НДС після зварювання швів першої черги розраховується у повній відповідності до МСП стосовно визначення функції усадки. Знайдена функція усадки в ЗПДС швів першої черги враховується і при складанні рівнянь об'єднаної системи для стадії нагрівання в процесі зварювання швів другої черги і визначення границь ЗПДС швів другої черги. Однак, в ЗПДС швів другої черги в процесі реалізації алгоритму оптимізації параметра , точно визначати функцію усадки за таким же алгоритмом в обчислювальному середовищі MathCAD занадто важко. Тому запропоновано ввести певне спрощення, сутність якого полягає в обчисленні на стадії нагрівання функції усадки не на основі розрахунку значень повної деформації в точках по ширині ЗПДС як таких, що мають місце на кривій , а на основі розрахунку її значень для поперечного перерізу, в якому визначається величина в даному елементі конструкції. Таке спрощення за нашими оцінками зменшує в межах до 5 % точність розрахунку залишкового НДС, але з практичної точки зору з цим можна погодитись.

Кількість рівнянь об'єднаної системи може бути різною в залежності від форми поперечного перерізу ОЗК і розмірів кожного з його конструктивних елементів. Нижче для модельних задач, які будуть розглянуті в даному розділі, кількість рівнянь об'єднаної системи буде названа.

Першою розрахована і проаналізована класична модельна задача для штаби з нагрітим окрайком, яка вже розглядалась у розділі 3 для схеми нагрівання ПШЛД. Кількість рівнянь об'єднаної системи становить 7 і система має вигляд

,

де і - осьові сили; і - згинальні моменти поздовжніх напружень відносно осі , перпендикулярної до площини штаби; і - пружні деформації. Названі силові фактори відносяться до розрахункових перерізів відповідно на стадіях нагрівання другої окрайки (індекс ) і в залишковому стані після її охолодження (індекс ). Знайдене значення . Це означає, що для отримання штаби без прогину погонну енергію нагрівання другої окрайки треба збільшити приблизно на 33 % порівняно з погонною енергією нагрівання першої окрайки. Розподіл по перерізу залишкових деформацій без оптимізації і з оптимізацією показано на рис. 10 і 11. Без оптимізації прогин - , з оптимізацією - .

Досить поширеним є симетричний двотавровий переріз ОЗК з поясами різної ширини. Алгоритм оптимізації погонної енергії приварювання до ребра другого пояса є значно складнішим. Об'єднана система налічує 15 рівнянь. Супутній моніторинг розподілу деформацій у перерізі на стадії нагрівання і в залишковому стані за результатами розрахунку є обов'язковим. Для двотавра , з поясами і , ребром , товщиною всіх елементів із сталі ВСт. 3сп розроблені алгоритми і програми розрахунку деформацій та прогину без оптимізації режиму приварювання другого пояса та з його оптимізацією. Результати розрахунку показані на рис. 12 і 13. Без оптимізації залишковий прогин буде в сторону ширшого пояса. З оптимізацією прогин практично відсутній (). Параметр оптимізації погонної енергії приварювання другого пояса меншої ширини . Розрахунки параметрів оптимізації за розробленим алгоритмом для різних співвідношень ширини поясів показують зростання із збільшенням ширини і зменшення . Якщо значення і поміняти місцями, то отримаємо , що з технологічної точки зору не є прийнятним і в такому разі треба використовувати інші підходи, зокрема теплову правку залишкового прогину.

Широке розповсюдження мають ОЗК коробчастого перерізу, складеного з 4-х елементів у вигляді стінок та поясів, зварених між собою поздовжніми швами у певній технологічній послідовності, наприклад, як показано на рис. 14 цифрами. Попередньо стержень збирається на прихватках і вважається, що в силовому відношенні всі елементи перерізу працюють при зварюванні як єдине ціле, а теплові потоки з одного елемента на інший через не заварені шви не розповсюджуються. Товщина всіх елементів однакова, хоч це питання не є принциповим. Режими зварювання швів 1 і 2 однакові, а швів 3 і 4 оптимізуються за критерієм відсутності залишкового прогину конструкції з розрахунком відповідних параметрів оптимізації і . Приймаємо також припущення, що повна деформація на стадії нагрівання у поперечних перерізах стержня між тими двома крайніми з них, в котрих визначаються відрізки ЗПДС ліворуч і праворуч шва, практично є однаковою і відповідає закону площини, що підтверджується багатьма розрахунками подібних задач. З метою скорочення часу на розрахунки оптимізаційної задачі будемо припускати, що максимальну пластичну деформацію скорочення в межах ширини ЗПДС на стадії нагрівання можна визначати за спрощеним алгоритмом як різницю між повною деформацією поперечного перерізу і сумою температурної та пружної деформацій у точках кривої в межах ширини ЗПДС з обох боків шва.

Об'єднана система рівнянь, складається для стадій нагрівання і залишкових станів при зварюванні швів 3 і 4. При складанні рівнянь можливі помилки концептуального характеру стосовно уявлень про механізми перебігу процесу пружно-плас-тичного деформування, які необхідно контролювати супутнім моніторингом результату розрахунку на предмет перевищення в ЗПДС окремих елементів перерізу пружною деформацією рівня межі текучості. За наявності такого стану здійснюється корекція відповідних рівнянь системи і розрахунок повторюється заново. Досвід подібних розрахунків свідчить, що помилки зустрічаються досить рідко, а корекція системи рівнянь багато часу не вимагає.

На рис. 15 представлені кінцеві результати розрахунку модельної оптимізаційної задачі для коробчатого стержня із сталі ВСт.3сп при таких початкових даних: розміри перерізу стержня по середній лінії контуру - , ; товщина поясів і стінок однакова; погонна енергія зварювання швів 1 і 2 . Ставилась задача оптимізувати режими зварювання швів 3 і 4 порівняно з режимом зварювання швів 1 і 2, тобто знайти параметри та , а також у порядку моніторингу прослідкувати за кінетикою деформацій в елементах стержня на різних етапах виконання зварних швів. Об'єднана система налічує 48 рівнянь, на жаль достатньо громіздких. Час розв'язування задачі на сучасному ПК складає в залежності від розмірів перерізу орієнтовно 30 - 60 хвилин. Результати обчислень детально наведені в роботі. За розрахунками , . Це означає, що погонну енергію зварювання шва 3 практично можна залишити без зміни, а для шва 4 її необхідно збільшити орієнтовно на . При цьому залишковий прогин стержня буде відсутнім, а усадочна сила .

У п'ятому розділі представлена узагальнена математична модель наближеного інженерного методу розрахунку технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину ОЗК з ортогональним розташуванням конструктивних елементів у поперечному перерізі в тих випадках, коли шляхом оптимізації погонної енергії зварювання окремих швів вирішити це питання не вдається з тієї чи іншої причини. Модель враховує геометричну форму і розміри поперечних перерізів типових ОЗК, а також залишкові пластичні деформації скорочення в ЗПДС швів та їх зміну на стадії нагрівання і охолодження при тепловій правці, що дозволяє в режимах реального часу проводити числові експерименти для дослідження впливу режиму зварювання на такі технологічні параметри теплової правки прогину як ширина зони нагріву, середня температура зони нагріву, координата центра зони нагріву для несиметричних випадків і визначати їх оптимальні значення. Визначальна система рівнянь рівноваги силових факторів та умов для пружної деформації у перерізі ОЗК наведена нижче:

,

де - параметри повної деформації поперечного перерізу на стадії нагрівання для правки; - ширина зони нагріву елемента перерізу; - повна залишкова деформація перерізу після правки; - координата центра зони нагріву по ширині (за необхідності); , - границі зон пластичного видовження відповідно на стадіях нагрівання (за наявності таких границь відповідно до прийнятої версії про кінетику пластичного деформування) і охолодження; ,- пружні деформації на стадії нагрівання і в залишковому стані відповідно; , , , , , - осьові сили і моменти в поперечному перерізі ОЗК відносно осей та на стадії нагрівання та в залишковому стані відповідно; - пружна деформація на рівні межі текучості; ; . Повна деформація на стадії нагрівання , де - габаритні розміри поперечного перерізу ОЗК. Розподіл температури по ширині зони нагріву є лінійним і визначається залежністю:

,

де - коефіцієнт лінійного розширення.

На основі створеної математичної моделі розроблені алгоритми і прикладні програми та розв'язані чотири модельні задачі по розрахунку технологічних параметрів теплової правки для таких перерізів ОЗК: прямокутний (штаба), симетричний тавровий, симетричний двотавровий з поясами різної ширини, коробчастий з двома односторонніми боковими швами. В роботі наведені і проаналізовані результати розрахунків, які підтверджують працездатність методу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Виготовлення ОЗК з поздовжніми швами в багатьох випадках супроводжується утворенням значного за величиною залишкового прогину поздовжньої осі конструкції, особливо при її пониженій жорсткості на позацентрове стиснення залишковою усадочною силою від зварювання поздовжніх швів.

2. Аналіз відомих інженерних методів розрахунку НДС ОЗК показав, що всі згадані методи мають ті чи інші недоліки, часто концептуального характеру, які в цілому зводять нанівець можливості на сучасному інженерному рівні якісного розв'язання науково-технічної задачі розрахунку НДС конструкції, величини очікуваного її залишкового прогину та оптимізації тепловкладення при зварюванні або тепловій правці з метою зменшення прогину і підвищення в такий спосіб точності виготовлення ОЗК.

3. Методи зменшення залишкового прогину, в основному, є наближеними, орієнтовними, трудомісткими, мало технологічними, енерговитратними, недостатньо підкріплені розрахунковими методами і потребують подальших досліджень.

4. Вперше на основі уявлень про кінетику пружно-пластичного деформування при зварюванні поздовжніх швів ОЗК розроблена математична модель для розрахунку функції усадки і побудови концепції більш точного методу складних перерізів з метою застосування його для визначення НДС, залишкового прогину та оптимізації тепловкладення при зварюванні чи тепловій правці ОЗК.

5. Вперше розроблено, експериментально перевірено і практично апробовано новий більш точний МСП для розрахунку НДС та прогину ОЗК при зварюванні ПШ. МСП розширює сегмент відомих інженерних методів, але концептуально відрізняється від них більш повним урахуванням кінетики пружно-пластичного деформування при зварюванні та наявністю методики розрахункового визначення в процесі розв'язання задачі функції поздовжньої усадки металу в околі зварних швів. Експериментальна перевірка результатів розрахунку усадочної сили за розробленим методом, а також порівняння її з розрахунками за методами інших авторів підтвердили якісну та кількісну адекватність розробленої математичної моделі, а також працездатність розробленого МСП, який більшою мірою узгоджується з результатами експериментів і поширюється на діапазон конструкцій пониженої жорсткості.

6. На основі МСП створені алгоритми і розроблені в математичному пакеті MathCAD прикладні програми для розрахунку НДС ОЗК, оптимізації (за наявності відповідних умов) тепловкладення при зварюванні швів другої черги за критерієм відсутності залишкового прогину, розрахунку технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину. Характерною особливістю розроблених алгоритмів оптимізації є супутній моніторинг кінетики пружно-пластичних деформацій при зварюванні кожного поздовжнього шва, що дає можливість уникати значних помилок у процесі розрахунків в межах попередньо прийнятих припущень.

7. Показано, що незначне, в межах до , умовне розрахункове перевищення пружною деформацією рівня в окремих ЗПДС при зварюванні деяких із швів мало впливає на напружено-деформований стан конструкцій та параметри оптимізації погонної енергії зварювання швів другої черги, що дає можливість не проводити корекцію рівнянь розрахункової системи і тим самим зменшити відповідний обсяг додаткової роботи по розв'язуванню задачі.

8. Вперше розроблено двоваріантний напівобернений метод розрахунку технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину ОЗК, зумовленого зварюванням поздовжніх швів.

9. Результати досліджень використані на підприємстві ВАТ „ХК „Луганськтепловоз” при виготовленні зварної балки електровоза 2ЕЛ-5 завдовжки 17 метрів з коробчастим поперечним перерізом із двох швелерів № 16 та на підприємстві ЗАО Луганський машинобудівний завод при проектуванні технології зварювання балки коробчастого перерізу грохота ГІЛ-52. Розроблені методи розрахунку також впроваджені в навчальний процес в НТУУ „КПІ”, Національному університеті “Львівська політехніка”, ТДТУ ім. Пулюя, а також при підготовці міжнародних інженерів по зварюванню під егідою Міжнародного Інституту Зварювання у Міжгалузевому учбово-атестаційному центрі інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України при вивченні дисципліни „Напруження та деформації при зварюванні”.

ПЕРЕЛІК НАУКОВИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Прохоренко О.В. Оптимізація погонної енергії зварювання поздовжніх швів одномірних зварних конструкцій за критерієм відсутності деформації залишкового прогину. // Технологические системы. - 2006. - № 1(33). - С. 62 - 71.

2. Прохоренко О.В. Розрахунок технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину одномірних зварних конструкцій. Повідомлення 1. Конструкції першого типу. // Технологические системы. - 2006. - № 2(34). - С. 55 - 59.

3. Прохоренко О.В. Розрахунок технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину одномірних зварних конструкцій. Повідомлення 2. Конструкції другого типу. // Технологические системы. - 2006. - № 3(35). - С. 78 - 86.

4. Прохоренко О.В. Алгоритми розрахунку деформацій методом складних перерізів при нагріванні поздовжнього окрайка штаби. // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2006. - № 6(100), частина 1 - С. 32 - 36.

5. Прохоренко В.М., Карпенко А.С., Прохоренко Д.В. Расчет функции усадки при сварке одномерных конструкций. Сообщение 1. Нагрев мощным быстродвижущимся линейным источником. // Технологические системы. - 2005. - № 4(30). - С. 49 - 55.

Автору належать методи розрахунку ширини ЗПДС та визначення максимальних значень пластичних деформацій скорочення на стадії нагрівання при зварюванні поздовжніх швів ОЗК.

6. Прохоренко В.М., Карпенко А.С., Прохоренко Д.В. Расчет функции усадки при сварке одномерных конструкций. Сообщение 2. Нагрев движущимся линейным источником. // Технологические системы. - 2005. - № 5-6(31-32). - С. 46 - 49.

Автору належить узагальнення методу складних перерізів для умов зварювання одномірних конструкцій за схемою лінійного рухомого джерела нагрівання.

7. Патент України 40352 Ф, 7 G01L1/06. „Спосіб визначення ширини зони пластичних деформацій при зварюванні” / Прохоренко О.В. Опубл. 16.07.2001; Бюл. № 6.

8. Прохоренко О.В. Метод криволінійних перерізів для розрахунку ширини зони пластичних деформацій при зварюванні. // ІІ Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології”. Збірка тезисів. - К.: 25-27 червня 2003. - С. 35.

9. Карпенко А.С., Прохоренко О.В. Розрахунок температури нагріву при термічній правці прогину зварних балок. // Міжнародна наук. техн. конф. студентів, аспірантів і молодих наукових співробітників „Сучасні зварювальні і споріднені технології та їх роль у розвитку виробництва”. Матеріали конференції, - Україна, м. Миколаїв, 28-31 жовтня 2003. - С. 69.

10. Прохоренко О.В. Розробка нового алгоритму розрахунку ширини зони пластичних деформацій скорочення при зварюванні поздовжніх швів одномірних конструкцій. // Матеріали ІІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології”. - К.: 25-27 травня 2005. - С. 91.

АНОТАЦІЯ

Прохоренко О.В. Розробка та застосування методу складних перерізів для розрахунку залишкових деформацій від зварювання поздовжніх швів одномірних конструкцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

В роботі представлена математична модель наближеного інженерного методу складних перерізів (МСП) для розрахунку на основі визначення функції усадки залишкового напружено-деформованого стану (НДС) і прогину поздовжньої осі при зварюванні поздовжніх швів (ПШ) одномірних зварних конструкцій (ОЗК) за схемами нагрівання потужним швидкодіючим лінійним джерелом (ПШЛД) та рухомим лінійним джерелом (РЛД). МСП апробовано шляхом розробки алгоритмів, програм та виконанням числових розрахунків НДС і залишкового прогину для модельних задач ОЗК типових поперечних перерізів та співставленням експериментальних результатів з розрахунковими. На основі МСП розроблено математичні моделі, алгоритми та програми для оптимізації погонної енергії зварювання ПШ другої черги за критерієм відсутності залишкового прогину для деяких видів геометричної форми поперечного перерізу ОЗК. Розв'язані числові модельні задачі. Результати розрахунків підтвердили працездатність розробленого методу розрахункової оптимізації тепловкладення при зварюванні за критерієм відсутності залишкового прогину для ОЗК, що мають декілька зон пластичного скорочення у поперечному перерізі. Кореляція розрахункових результатів по залишковому НДС з відомими літературними даними не є суперечливою. Розроблена математична модель методу розрахунку технологічних параметрів теплової правки залишкового прогину ОЗК типових поперечних перерізів для випадків, коли оптимізація погонної енергії зварювання швів другої черги неможлива з огляду на особливості геометричних форм деяких видів поперечних перерізів. Розроблені алгоритми, програми та виконані числові розрахунки модельних задач теплової правки залишкового прогину для чотирьох видів перерізу. Результати роботи знайшли практичне використання на вітчизняних підприємствах та в навчальному процесі вузів при підготовці фахівців зварювального виробництва.

Ключові слова: одномірні зварні конструкції, поздовжні шви, зварювання, теплова правка, напружено-деформований стан, залишковий прогин, математичні моделі, оптимізація тепловкладення.

АННОТАЦИЯ

Прохоренко Д.В. Разработка и применение метода сложных сечений для расчета остаточных деформаций при сварке продольных швов одномерных конструкций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по спе-циальности 05.03.06 - Сварка и родственные технологии. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

В работе представлена математическая модель инженерного метода сложных сечений (МСС) для расчета на основе определения функции усадки остаточных деформаций и прогиба продольной оси при сварке продольных швов (ПШ) одномерных сварных конструкций (ОСК) для схем нагрева мощным быстродвижущимся линейным источником и подвижным линейным источником.

МСС апробирован путем разработки алгоритмов, программ и выполнением числовых расчетов для модельных задач ОСК типовых поперечных сечений, выполнением экспериментальных исследований на примере симметричного стыкового соединения и сопоставлением экспериментальных результатов с расчетами по МСС, а также инженерным методам других авторов.

Апробация подтвердила работоспособность МСС и лучшую его корреляцию с экспериментальными данными по усадочной силе в сравнении с инженерными методами других авторов, особенно для конструкций пониженной жесткости.

На основе МСС разработаны математические модели, алгоритмы и программы для оптимизации погонной энергии сварки ПШ второй очереди по критерию отсутствия остаточного прогиба для некоторых видов геометрической формы поперечного сечения ОСК: прямоугольник (полоса с двумя нагретыми продольными кромками), симметричный двотавр с поясами различной ширины, коробчатое сечение с четырьмя продольными швами.

Решены числовые модельные задачи. Результаты расчетов подтвердили работоспособность метода расчетной оптимизации тепловложения при сварке некоторых ОСК по критерию отсутствия остаточного прогиба.

Разработана математическая модель метода расчета технологических параметров тепловой правки остаточного прогиба ОСК типовых поперечных сечений для тех случаев, когда оптимизация погонной энергии сварки швов второй очереди невозможна в связи с особенностями геометрических форм поперечных сечений, когда в сечении есть только одна зона пластических деформаций укорочения от сварки ПШ. При несимметричном ее расположении относительно центра сечения ОСК остаточный прогиб большей или меньшей величины будет иметь место всегда и его устранение может быть достигнуто только тепловой правкой.

Разработаны алгоритмы, программы и выполнены числовые расчеты модельных задач тепловой правки остаточного прогиба для четырех видов сечений: прямоугольного (полоса с продольной нагретой кромкой), симметричного таврового (приваривание пояса к ребру тавра), симметричного двутаврового с поясами различной ширины (приваривание поясов к стенке двотавра), коробчатого с двумя односторонними боковыми швами (приваривание стенки к П-образному профилю). В работе приведены и проанализированы результаты расчетов, которые подтверждают работоспособность метода.

Результаты работы нашли практическое использование на отечественных предприятиях ОАО “Холдинговая компания “Лугансктепловоз” при изготовлении сварной балки электровоза 2ЕЛ-5 и ЗАО Луганский машиностроительный завод им. А.Я. Пархоменко при изготовлении связь-балки коробчатого профиля грохота ГИЛ-52, а также в учебном процессе при подготовке специалистов сварочного производства в НТУУ “КПИ”, Национальном университете “Львовская политехника”, ТГТУ им. Пулюя, Межотраслевом учебно-аттестационном центре ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины.

Ключевые слова: одномерные сварные конструкции, продольные швы, сварка, тепловая правка, напряженно-деформированное состояние, остаточный прогиб, математические модели, оптимизация тепловложения.

SUMMARY

Prokhorenko D.V. Development and application of complex sections method for the calculation of residual strains by welding longitudinal welds of one-dimensional constructions. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences degree in speciality 05.03.06 - Welding and Allied Technologies. - National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic institute”, Kyiv, 2007.

The generalized mathematical model of engineering complex sections method (CSM) on basis of shrinkage function for calculation residual strains and long axis flexure by welding longitudinal welds of one-dimensional welded constructions (ODWC) for schemes of heating by powerful fast moving line source and movable line source is produced in this work.