Численное моделирование контактной рельефной сварки крестообразных соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Численное моделирование контактной рельефной сварки крестообразных соединений

В.А. Ерофеев,

И.Б. Пьянков,

А.А. Арсеньева

Аннотация

Разработана физико-математическая модель определение параметров процесса контактной рельефной сварки крестообразных соединений, при которой обеспечиваются требования к качеству формирования соединения. Основой модели является система уравнений электрического потенциала, теплопроводности и пластической деформации, а также соотношения, связывающие свойства металла с его термодинамическим состоянием. Для воспроизведения изменения формы стержней в ходе сварки текущее строение зоны формирования соединения отображается как изменение свойств точек гетерогенного пространства моделирования в соответствии с пластической деформацией металла. Полученные результаты показали приемлемость модели для оценки качества рельефной сварки разнообразных соединений.

Ключевые слова: компьютерный инженерный анализ, математическая модель, контактная рельефная сварка, геометрия соединения.

Контактная рельефная сварка крестообразных соединений широко применяется при изготовлении арматуры железобетонных строительных конструкций ввиду её высокой производительности [1…6]. Отсутствие методик расчёта режима рельефной сварки затрудняет определение оптимальных параметров, которые обеспечивают качество соединения. Решение этой задачи возможно только при физико-математическом моделировании явлений, определяющих формирование сварного соединения [7..9].

Известные физико-математические модели процесса контактной сварки [10...12] учитывает электрические, тепловые и деформационные процессы при формировании соединения, взаимодействие процесса со сварочной машиной, форму рабочей поверхности электрода, шунтирование. Большинство моделей разработано для точечной сварки. Пространство моделирования включает как свариваемые детали, так и электроды сварочной машины.

Проблемой математического моделирования рельефной сварки является значительное изменение геометрической формы при пластической деформации. Поэтому систему уравнений модели необходимо решать для пространственной гетерогенной области в форме параллелепипеда, внутри которой расположены детали и электроды, а также свободное пространство (воздух), а их положение трансформируется в зависимости от текущих результатов решения.

Геометрическими параметрами сварочного процесса являются размеры свариваемых стержней d1 и d2, диаметр электродов de, расстояние w от дна водоохлаждаемого канала до рабочей поверхности электродов, рис.1. Основными параметрами сварочного процесса являются напряжение U0 холостого хода сварочного трансформатора, усилие F их сжатия и длительности импульса тока tw и охлаждения tk в электродах машины.

Пространство моделирования в форме прямоугольного параллелепипеда, рис.1, описывается в декартовой системе координат x,y,z, центр которой совпадает с центром контакта между свариваемыми деталями.

Рис.1. Строение пространства моделирования контактной рельефной сварки

Строение области моделирования специальной дискретной функцией W(x,y,z) как принадлежность точки с координатами x,y,z соответствующему множеству точек электродов Е 1, Е 2 или деталей М 1, М 2, или свободному пространству B

(1)

Свойства среды в этом пространстве различны и определяются материалом и геометрией электродов и свариваемых стержней, которые изменяются вследствие изменения температуры и деформации металла. Деформация описывается как изменение расстояния D между осями стержней.

Результат сварки оценивается площадью контакта S между стержнями, а также величиной их деформации (осадки) . Дополнительными показателями формирования являются ширина зон термического влияния ZT и температура поверхности электродов TE.

Формирование сварного соединения и условия работы электродов определяется электрическими, тепловыми и деформационными явлениями.

Интенсивность тепловыделения определяется распределением электрического потенциала и плотности тока, которые зависят от напряжения и сопротивления сварочного трансформатора и электрического сопротивления стержней. Так как электросопротивление стержней зависит от температуры и деформации металла, то оно изменяется при сварке, что влияет на распределение интенсивности тепловыделения в свариваемых стержнях.

Усилие сжатия электродов создаёт объёмное давление в металле, превышающее как предел прочности металла. Так как температура возрастает при удалении от оси контакта между стержнями, а предел прочности убывает, то пластическое течение вызывает перетекание металла из центральной зоны к периферии контакта и сближению осей стержней.

Математическая модель процесса. Распределение параметров процесса описано в декартовой системе координат x,y,z, рис.1.

На начальном этапе моделирования размеры областей задаются геометрией электродов и размерами свариваемых стержней. Учитываются удельные электрическое сопротивление е, теплопроводность , плотность и сопротивление металла пластической деформации . Теплоёмкость, фазовые и агрегатные превращения учитываются нелинейной функцией, связывающей температуру T с объёмной энтальпией H.

Распределение интенсивности тепловыделения по зоне моделирования определяется решением уравнения электрического потенциала, которое имеет вид

. (2)

Граничные условия:

- в плоскостях параллельных поверхности листов z = 0, U=0; z = zm, U = Ue,, где Ue - напряжение между электродами машины;

- на границах зоны моделирования

.

Для решения этого уравнения необходимо задать напряжение между электродами Ue. Это расчёта этого напряжения при решении уравнения потенциала вычисляются сварочный ток I, электрическое сопротивление зоны моделирования Ree.

; . (3)

По значению сопротивления зоны моделирования уточняется напряжение на электродах Ue . Для машин переменного тока учитываются напряжение холостого хода машины Uxx, активная Rм и индуктивная Хм составляющие внутреннего электрического сопротивления сварочной машины. Ввиду инерционности тепловых процессов при толщине стержней арматуры строительных конструкций изменением мгновенного значения тока с частотой 50 Гц можно пренебречь.

. (4)

Распределение интенсивности тепловыделения определяется

. (5)

Для определения распределения температуры решается уравнение теплопроводности

. (6)

Начальные условия этого уравнения учитывают температуру свариваемых стержней и электродов T0 в момент начала сварки:

Граничные условия уравнения энергии:

- в плоскостях, параллельных осям стержней в электродах

;

- на границах зоны моделирования

.

Площадь S контакта между стержнями определяется решением вариационной задачи

. (7)

Где Fk - усилие сжатия Fk, приложенное к стержням, вызывает пластическую деформацию, которая увеличивает площадь контакта между ними.

При пластической деформации стержней изменяется расстояние D между осями стержней на величину ?, значение которой определяется решением вариационной задачи

. (8)

В соответствии с изменением расстояния D в ходе решения трансформируется строение (1) зоны формирования соединения, рис.1.

Для численного решения системы уравнений электрического потенциала и энергии использован метод конечных разностей. Уравнения решены на равномерной трёхмерной сетке, узлы которой покрывают электроды и свариваемые стержни.

Решение уравнений выполнялось в общем цикле времени с малым временным шагом, значение которого выбиралось из условия устойчивости численного решения системы уравнений.

Примером является вариант сварки круглых стержней из стали 09Г 2 диаметром 10 и 12 мм. Электроды из бронзы БрХ, диаметр тела 16 мм, расстояние до дна водоохлаждаемого канала 10 мм. Усилие сжатия 6 кН. Длительность импульса тока 0.5 с, напряжение холостого хода 4 В, электросопротивление машины 50+160j мкОм.

На рис. 2 показано изменение параметров сварочного процесса в течение импульса тока, на рис. 3 - распределение интенсивности тепловыделения в осевых сечениях и в плоскости контакта в разные моменты времени, на рис. 4 - температуры.

Рис.2. Изменение в процессе сварки максимального Tmax и среднего значений To температуры контакта, электрического сопротивления R зоны формирования соединения, мощности тепловыделения P, площади контактов S и сближения ? осей свариваемых стержней

Изменение мощности P тепловыделения определяется электрическим сопротивлением R зоны формирования соединения, рис.2. В начальный период электрическое сопротивление R быстро нарастает с ростом температуры, рис.4, а затем снижается из-за роста площади S контакта.

Интенсивность тепловыделения q, рис.3, сосредоточена на периферии контакта между стержнями и снижается с ростом площади контакта. Тепловыделение в контактах стержней с электродами существенно меньше вследствие большой их длины контакта в направлении осей стержней.

Рис.3. Изменение распределения интенсивности тепловыделения q в осевых сечениях (a, b) и в плоскости контакта (c)

Рис.4. Изменение распределения температуры T в осевых сечениях (a, b) и в плоскости контакта (c)

Наибольшая температура достигается на концах диагонали контакта между стержнями, рис.4. Температура слоёв металла стержней, прилегающих к электроду, не достигает значений, при которых возникает значительная пластическая деформация.

Полученные результаты показывают, что данная модель позволяет оценивать физическое состояние металла при контактной рельефной сварке. Предложенный способ описания геометрии сварного соединения применим к разным конструктивным формам, что позволяет выполнить решение системы уравнений (2..8) без внесения изменений в алгоритм численного решения путём соответствующего изменения функции (1). Это позволяет решать задачу определения оптимальных параметров сварки для множества разнообразных конструктивных форм соединений при контактной рельефной сварки.

Выводы

1. Разработана физико-математическая модель процесса контактной рельефной сварки, которая позволяет виртуально воспроизводить электрические, тепловые и деформационные процессы, определяющие физическое состояние металла при заданных параметрах режима и геометрии соединения. сварка крестообразный электрический

2. Предложен способ описания разнообразных конструкций сварного соединения, позволяющий выполнить численное решение системы уравнений модели по единому алгоритму.

Список литературы

1. Технология и оборудование контактной сварки / Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриев и др.; Под общ. ред. Б.Д. Орлова. - М.: Машиностроение. 1986. - 352 с.

2. Оборудование для контактной сварки: Справочное пособие / Под ред. В.В. Смирнова. - СПб.: Энергоатомиздат. 2000. - 848 с.

3. Гиллевич В.А. Технология и оборудование рельефной сварки / Машиностроение 1976, 152 c.

4. Гиллевич В.А. Особенности образования соединения при рельефной сварке. - "Автоматическая сварка", 1968, № 12, с. 35--38.

5. Гиллевич В.А. Об особенностях режима рельефной сварки. "Автоматическая сварка", 1969, № 1, с. 38--41.

6. Гиллевич В.А. К вопросу о выборе режимов рельефной сварки. - "Сварочное производство", 1970, № 11, с. 22--23.

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_engineering

8. http://sorpas.software.informer.com/

9. http://plmpedia.ru/wiki/SYSWELD

10. Судник В.А., Ерофеев В.А., Кудинов P.A., Дилтей Ч., Больманн X.-К. Имитация контактной точечной сварки сталей с помощью программного обеспечения SPOTSIM //Сварочное производство, 1998, №8. С. 3-8.

11. Ерофеев В.А., Логвинов Р.В. Компьютерная имитация контактной точечной сварки листов с покрытиями. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. № 3. С. 63-70.

12. Масленников А.В., Ерофеев В.А. Компьютерное моделирование условий обеспечения коррозионной стойкости соединений при контактной точечной сварке. Сварка и диагностика. 2009. № 5. С. 14-18.

Размещено на Allbest.ru