Математическое моделирование процесса контактной точечной сварки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Ульрих, Татьяна Александровна

• Ульрих, Татьяна Александровна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ульрих, Татьяна Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Процесс контактной точечной сварки.

1.2. Электроды для машин контактной сварки.

1.3. Математическое моделирование технологического процесса контактной сварки.

1.4. Решение задач термоупругопластичности и контактных задач.

1.5. Выводы по главе.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ

2.1. Постановка задачи контактной сварки.

2.2. Основные уравнения математической модели.

2.3. Граничные и начальные условия для процесса контактной точечной сварки.

2.4. Методы численной реализации.

2.5. Принципы построения алгоритма решения связанной нелинейной задачи электродинамики и термомеханики.

2.5. Выводы по главе.

3. ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ

3.1. Решение тестовых задач.

3.2. Сопоставление результатов математического и физического моделирования процесса сварки.

3.3. Выводы по главе.

4. СВОЙСТВА ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВОЙ МЕДИ

4.1. Характеристика дисперсноупрочненных композиционных материалов на основе порошковой меди.

4.2. Определение теплофизических характеристик дисперсноупрочненных материалов.

4.3. Выводы по главе.

5. АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДОВ ИЗ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Моделирование процесса сварки нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

5.2. Особенности сварки деталей из низкоуглеродистых сталей.

5.3. Сравнительный анализ работы различных электродов и оценка влияния технологических параметров на их стойкость.

5.4. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование процесса контактной точечной сварки»

Уровень современной порошковой металлургии позволяет создавать новые композиционные материалы с требуемым сочетанием физико-механических свойств. Уральским научно-исследовательским институтом композиционных материалов (г. Пермь) разработан ряд новых дисперсноупрочненных композиционных материалов (ДУКМ) на основе порошковой меди системы Си-А1-Т1-С-0. Введение дисперсных частиц в сравнительно небольших концентрациях обеспечивает повышение температурного порога рекристаллизации при сохранении высокой электропроводности и технологической пластичности материала. Горячая экструзия брикетированных заготовок улучшает термическую стабильность и жаропрочность композитов. Новые материалы были рекомендованы для производства элементов сварочной техники (электродов для контактной сварки, сопел плазмотронов и др.).

Электроды машин контактной сварки работают в сложных условиях теплового и механического циклического воздействия и являются самым быстро изнашиваемым элементом оснастки. Применение новых электродных сплавов с целью повышения стойкости электродов представляется весьма перспективным. Для широкого применения композитов требуется определение их свойств в широких диапазонах температур, а также исследование поведения материалов в конкретном технологическом процессе. Наиболее рациональный подход к таким исследованиям - сочетание физического и математического моделирования технологического процесса.

Современные методы и средства математического моделирования позволяют решать сложные связанные, нелинейные задачи электродинамики и термомеханики, описать все особенности технологического процесса, выявить качественную картину воздействия различных факторов, а также расчетным путем установить количественные функциональные зависимости.

Цель работы. Создание и апробация математической модели, описывающей взаимосвязанные электрические, тепловые и деформационные явления в процессе контактной точечной сварки. Сравнительный анализ работы различных электродов и изучение особенностей процесса сварки электродами из ДУКМ с целью совершенствования технологии.

Научная новизна. Впервые сформулирована и реализована математическая модель контактной точечной сварки, основанная на решении связанной системы дифференциальных уравнений электродинамики и термомеханики с учетом фазовых переходов материалов, температурной зависимости физико-механических свойств, динамики изменения электрических и термических контактных сопротивлений. При формулировке модели сварочных процессов впервые реализована теория неизотермического пластического течения для изотропного упруго-пластического упрочняющегося материала.

Получены зависимости теплофизических характеристик новых ДУКМ на основе порошковой меди системы Си-АИ-ТьС-О в широком диапазоне температур.

Практическая значимость. Создан пакет программ, позволяющий оперативно моделировать конкретный технологический процесс. Он может быть рекомендован для решения широкого спектра задач сварочного производства, термообработки, металлургии и др.

Выявлены особенности процесса контактной сварки электродами из ДУКМ и даны рекомендации по назначению технологических режимов сварки, обеспечивающих как качество сварного соединения, так и высокую стойкость технологической оснастки.

На основании численного анализа и результатов экспериментальных данных проведена оценка стойкости различных электродов.

Результаты работы использованы при разработке технологии КТС элементов самотечного транспорта на ОАО «Пермский мукомольный завод». По материалам диссертационной работы подана заявка на выдачу патента РФ "Электрод для контактной точечной сварки".

Отдельные модули пакета прикладных программ используются в учебном процессе Пермского государственного технического университета.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Ульрих, Татьяна Александровна

8. Результаты работы использованы при назначении технологических режимов контактной точечной сварки элементов самотечного транспорта на ОАО «Пермский мукомольный завод». Элементы пакета прикладных программ используются в учебном процессе Пермского государственного технического университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Построена математическая модель контактной точечной сварки. Математическая формулировка включает связанную систему дифференциальных уравнений электро-, теплопроводности и термомеханики, а также краевые условия, соответствующие реальному технологическому процессу.

2. Разработаны методика и алгоритм численной реализации поставленной задачи, который реализован в пакете прикладных программ для персонального компьютера.

3. Проведена оценка адекватности математической модели путем решения ряда тестовых задач и сравнением результатов вычислений с экспериментальными данными физического моделирования процесса контактной точечной сварки.

4. Экспериментально определены основные теплофизические свойства новых дисперсноупрочненных композиционных материалов на основе порошковой меди.

5. Изучены особенности процесса контактной сварки электродами, изготовленными из композиционного материала КМ-4. На основе анализа численных результатов даны рекомендации по назначению рациональных технологических режимов. Исследовано состояние оснастки в циклическом процессе многоточечной сварки.

6. Проведен расчет теплового и напряженного состояния составного электрода, основная часть которого выполнена из меди, а рабочая - из материала КМ-4. Показано, что зона пластического деформирования вставки электрода сосредоточена вблизи контактной поверхности и существенно ниже, чем у электрода, целиком выполненного из КМ-4. На конструкцию составного электрода подана заявка на выдачу патента.

114

7. Разработанный пакет прикладных программ позволяет решать широкий спектр задач сварочного производства, термообработки, металлургии и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ульрих, Татьяна Александровна, 2000 год

1. Кабанов Н.С. Сварка на контактных машинах. М., Высш. шк., 1985. 271 с.

2. Орлов Б.Д., Чакалев A.A., Дмитриев Ю.В. и др. Технология и оборудование контактной сварки. М., Машиностроение, 1986. 352 с.

3. Ерофеев В.А. Тепловыделение в контактном слое при контактной электросварке // Сварка цветных металлов. Тула, 1985. С.29 - 36

4. Горбунов А.Д., Быковский О.Г., Пеньковский О.В. и др. Разработка разностной математической модели контактной точечной электросварки. Запорож. машиностроит. ин-т. Запорожье, 1989. 41 с. Деп. в Укр. НИИНТИ 13.01.89, №294-Ук 89

5. Cho H.S., Cho Y.J. A study of the thermalbehavior in resistance spot welds // Weld. J., 1989, №6. P. 236-244

6. Чакалев A.A., Прохоров A.H. Совершенствование термодеформационной модели контактной точечной сварки // Сварочное производство, 1989, №4. С. 29-32

7. Колосов В.И. Формирование температурных полей при контактной сварке // Свароч. пр-во, 1994, №6. С.27-28

8. Чакалев A.A. Контактная сварка металлов с защитными покрытиями // Итоги науки и техн., ВИНИТИ, сер. Сварка. 1990, т.21. С. 49-128

9. Контроль точечной и роликовой электросварки. М., Машиностроение, 1973. 304 с.

10. Полис У.Ю., Рудзит Я.А., Атауш В.Е. Расчет исходного контактного сопротивления при точечной контактной микросварке // Сварочное производство, 2000, №1. С.24-28

11. Моравский В.Э. Методика определения переходного сопротивления в холодном контакте // Автоматич. сварка, 1990, №4. С.24-29

12. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М., Металлургия, 1978. 96 с.

13. Слиозберг С.К., Чулошников П.Л. Электроды для контактной сварки. Л., Машиностроение, 1972. 96 с.

14. Tanaka Y., Sacaguchi M., Shirasawa H. Electrode life in résistance spot welding of zinc plated sheets // Int. I. Mater, and Prod. Technol. 1987 -2, №1. P. 64-74

15. Roach B.W. Résistance welding of modem coated materials // Weld. Rev. 1988 7, №4. P. 226, 228, 230

16. Чередниченко Н.Г., Попов А.И., Рылов Л.A., Мартинович В.В. Применение дисперсно-упрочненных медных сплавов для электрических контактных машин // Сварочное производство, 1993, №11-12. С. 13-14

17. Григорьев М.Н., Мануйлов В.Р., Петров А.П., Громов Д.А. Электродный материал для точечной сварки // Сварочное производство, 1997, №5. С.29-30

18. Иванова И.И., Полушко А.П. Порошковые электродные материалы для контактной сварки // Электротехника, 1997, №9. С.57-61

19. Куликов И.В., Рогов О.Б., Картавин Ю.А. Методы увеличения стойкости электродов для контактной сварки // Сварка в машиностроении. Материалы семинара. Москва, 1995. С.103-105

20. Рылов Л., Мартинович В., Чередниченко Н., Попов А. Опыт применения новых дисперсно-упрочненных сплавов для электродов контактных машин // Соврем, пробл. свар, науки и техн. Междунар. н.-т. конф. Ростов-на-Дону, 27-30 сент. 1993. С.176-177

21. Оценка теплового состояния металла при точечной электросварке с помощью ЭЦВМ / Чакалев А.А., Подлесных В.П., Орлов Б.Д. и др. // Сварочное производство, 1973, №10. С.5-7

22. Чакалев A.A., Казаков С.М., Ерофеев В.А. Саморегулирование процесса контактной сварки // Сварочное производство, 1986, №8. С. 1-3

23. Прохоров А.Н., Чакалев A.A., Юрин О.Г. Математическая модель процесса контактной точечной сварки // Сварочное производство, 1991, №4. С.39-42

24. Гельман A.C. Контактная электросварка. М., Машгиз, 1949. 500 с.

25. Nied H.A. The Finite Element Modeling of the Resistance Spot Welding Process // Welding Journal, 1984, vol. 63. P. 123-132

26. Расчеты методом конечных элементов процесса контактной точечной сварки / Cao Biao // Jixie gongcheng xuebao (Chin. J. Mech. Eng.), 1995-31, №2. C.99-104

27. Wei P.S., Wang S.C., Lin M.S. Transport phenomena during resistance spot welding // Trans. ASME. J. Heat Transfer, 1996 118, №3. p. 762773

28. Greitmann M.J., Rauch R. Rechen programm zur numerischen Simulation // Praktiker, 1997 49, №2. P.55-56

29. Gupta O.P., De Amitava An improved numerical modeling for resistance spot welding process and its experimental verification // Trans. ASME. J. Manuf. Sei. and Eng., 1998 120, №2. P.246-251

30. Вакатов A.B. Математическое моделирование процесса контактной точечной сварки оцинкованной стали// Сварочное производство, 1999, №5. С.7-8

31. Судник В.А., Ерофеев В.А. Расчеты сварочных процессов на ЭВМ. Тула:ТПИ, 1986. 100 с.

32. Ерофеев В.А., Кудинов P.A. Компьютерная модель контактной точечной сварки // Компьютерн. технологии в соединении материалов: Тезисы докл. Всерос. науч.-техн. конфер., Тула, 25-26 октября 1995 г. с.34-35

33. 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

34. SPOTSIM: Modellierung und numerische Simulation des Widerstandspunktsch weisens mit experimenteller Verifikation/ Dilthey U., Bohlmann H.-C., Sudnik W. u.a. // DVS Bericute. 1998, №2

35. Попковский В.А., Березиенко В.П. Поле остаточных напряжений при контактной точечной сварке //Автоматическая сварка, 1987, №8. С.10-14

36. Математическое моделирование сварочных процессов: Уч. пособие / В. В. Башенко, Е.М. Васильев, Б.Л. Григорьев, В.А. Кархин, A.M. Левченко и др. Ленингр. гос. тех. ун-т. Л., 1991. 80 с.

37. Шевченко Ю.Н., Бабешко М.Н., Пискун В.В., Савченко В.Г. Пространственные задачи термопластичности. Киев, Наук, думка, 1980. 264 с.

38. Олейник В.А., Махненко В.И. Расчетный алгоритм для исследования напряжений и деформаций при электрошлаковом переплаве сплошных и полых осесимметричных слитков // Прикладная механика, 1976, №12. С.56-62

39. Савченко В.Г. Исследование упруго-пластического состояния тел вращения при переменном неизотермическом нагружении с учетом ползучести // Прикладная механика, 1982, №12. С.12-17

40. Гатовский K.M., Кархин В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений: Уч. Пособие. Л., ЖИ, 1980. 331 с.

41. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев, Наук, думка, 1976. 320с.

42. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных напряжений и деформаций. М., Машиностроение, 1984. 280 с.

43. Квитка A.JL, Ворошко П.П., Бобрицкая С.Д. Напряженно-деформированное состояние тел вращения. Киев, Наук, думка, 1977. 209 с.

44. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. М.: Машиностроение, 1998. 256 с.

45. Галин JI.A. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. М.: Наука, 1980. 303 с.

46. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 509 с.I

47. Няшин Ю.И., Чернопазов С.А. К постановке контактной задачи упругопластичности // Прикладная математика и механика, 1989, №6. С. 1023-1027

48. Грузь А.Н., Зозуля В.Д. О контактном взаимодействии // Прикладная механика, 1992, №7. С.3-5

49. Никитенко Н.И. Исследование процессов тепломассообмена методом сеток. Киев, Наук. Думка, 1978. 213 с.

50. Цаплин А.И. Теплофизика внешних воздействий при кристаллизации стальных слитков на машинах непрерывного литья. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1995. 238 с.

51. Термопрочность деталей машин / Биргер И . А., Шорр Б. Ф. М., Машиностроение, 1975. 455 с.

52. Поздеев A.A., Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения. Теория и приложения. М., Наука, 1982. 112 с.

53. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., Высш. школа, 1980. 469 с.

54. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М., Энергоиздат, 1981. 416 с.

55. Самарский A.A., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М., Наука, 1978. 592 с.

56. Самарский A.A. Теория разностных схем. М., Наука, 1977. 653 с.

57. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М., Наука, 1977. 454 с.

58. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. спец. вузов / Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов A.B. М., Высш. школа, 1990. 207 с.

59. Колтунов М.А., Васильев Ю.Н., Черных В.А. Упругость и прочность цилиндрических тел. М., Высш. школа, 1975. 526 с.

60. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М., Мир, 1975. 543 с.

61. Лежнева A.A., Цаплин А.И., Шардаков И.И. Метод конечных элементов. Учебное пособие. ППИ, 1981. 73 с.

62. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М., Мир, 1979. 392 с.

63. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., Высш. шк., 1967. 600 с.

64. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., Машиностроение, 1975. 400 с.

65. Миллер B.C. Контактный теплообмен в элементах высокотемпературных машин. Киев, Наук, думка, 1966. 164 с.

66. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике: Справочник / Под редакцией Б.Е. Неймарк. М.: Л., 1967. 240с.

67. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. М., Металлургия, 1983. 352 с.

68. Вертман A.A., Самарин A.M. Свойства расплавов железа. М., Наука, 1969.280 с.

69. Справочник по машиностроительным материалам. В 4-х томах. М., Машгиз, 1959.

70. Зюзин В.И., Третьяков A.B. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. Справочник. Челябинск, Металлургия, 1993. 368 с.

71. Лифшиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. М., Машгиз, 1959. 368 с.

72. Леонова Э.П. Механические свойства металлов в окрестности температуры кристаллизации /Упругость и неупругость. М., Изд-во МГУ, 1981. С.221-251

73. Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Гурьянова М.К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. М., Машиностроение, 1971. 63 с.

74. Теплофизические свойства веществ. Справочник под ред. Н.Б. Варгафтик. М.; Л., Госэнергоиздат, 1956. 367 с.

75. Францевич И.Н., Воронов Ф.Ф., Бакута С.А. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов. Справочник. Киев, Наук, думка, 1982. 287 с.

76. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинина Л.К. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М., Металлургия, 1987. 792 с.

77. Смирнягин А.П., Смирнягина H.A. Промышленные цветные металлы и сплавы. М., Металлургия, 1974. 488 с.

78. Теплофизические измерения и приборы / Платунов Е.С., Буравой С.Е., Курепин В.В., Петров Г.С. Л., Машиностроение, 1986. 256 с.

79. Вдовин H.A., Колмогоров Г.JI., Лоскутов К.Н., Ульрих Т.А. Определение теплофизических характеристик дисперсно-упрочненных композиционных материалов //Вестник ПГТУ. Компьютерная и прикладная механика. Пермь, ПГТУ, 1998. С.93-98

80. Ульрих Т.А., Колмогоров Г.Л., Ошивалов М.А. Анализ теплового и термонапряженного состояния оснастки при контактной точечной сварке // Сварочное производство, 2000, №3. с. 19-23

81. G.L. Kolmogorov, M.A.Oshivalov, T.A.Ulrih Contact spot welding stresses // Third International Congress on Thermal Stresses THERMAL STRESSES '99, June 13-17, 1999, Cracow, Poland, J.J. Skrzypek and R.B. Hetnarski (Eds.) pp. 177-180

82. Ульрих Т.А., Ошивалов M.A., Колмогоров Г.Л. Термодеформационная модель контактной точечной сварки // Механика и технология материалов и конструкций. Пермь, ПГТУ, 1998. С.82 88

83. Ульрих Т.А., Ошивалов М.А. Решение связанных задач электродинамики, теплообмена и термоупругопластичности // Математическое моделирование физико-механических процессов. Тезисы докладов. Пермь, 1999. С. 54-55

84. Чулошников П.Л. Контактная сварка. М., Машиностроение, 1987. 176 с.

85. Кочергин К.А. Контактная сварка. М., Машиностроение, 1987.240 с.

86. Коваленко А.Д. Термоупругость. Киев, Выща школа, 1975. 216 с.

87. Шевченко Ю.Н. Термопластичность при переменных нагружениях. Киев, Наукова думка, 1970. 285 с.

88. Бахвалов Н.С. Численные методы. М., Наука, 1973. 632 с.

89. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Вычислительные методы. Т.1. М., Наука, 1976. 304 с.123

90. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова A.B. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. JL, Машиностроение, 1976. 168 с.

91. Бартеньев О.В. Современный фортран. М., Диалог-МИФИ, 1998. 397 с.

92. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на фортране. М., Мир, 1977. 584 с.

93. Костин В.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. М., Машиностроение, 1990. 256 с.1. Утверждаю1. АКТвнедрения электродов для контактной точечной сварки

94. На ОАО "Пермский мукомольный завод" контактная точечная сварка применяется для соединения элементов самотечного транспорта (листы оцинкованной стали толщиной 0,8 мм). Используется машина контактной сварки МТР-1201 УХЛ4.

95. При выполнении работы использованы рекомендации научно-исследовательской работы "Математическое моделирование процесса контактной точечной сварки", выполненной на кафедре "Динамика и прочность машин" под руководством профессора Г.Л. Колмогорова.

96. В настоящее время изготовлена и передана для внедрения на ОАО "Пермский мукомольный завод" опытная партия электродов для контактной точечной сварки из материала КМ-25.

97. Научный руководитель, д.т.н., профессор

98. Главный механик ОАО "Пермский мукомольный завод"профессор

99. УТВЕРЖДАЮ" »ектор по учебной работе ПГТУ1. В.ППервадчук¿3" мая 2000 г.1. АКТоб использовании в учебном процессе результатов диссертационной работы Ульрих Т.А. "Математическое моделирование процесса контактной точечной сварки"

100. Зав. кафедрой теплотехники к.т.н., доцент лс/ К.С. Галягин