Напружено-деформований стан зварних з’єднань за електродинамічної обробки
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Устименко П.Р. Напружено-деформований стан зварних з’єднань за
електродинамічної обробки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 –
Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний
технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського», Київ, 2023.
Дисертація присвячена дослідженню впливу електродинамічної обробки (ЕДО),
зокрема її динамічної складової, за різних технологічних режимів на напруженодеформований стан (НДС) модельного стикового зварного з’єднання з алюмінієвого
сплаву АМг6 за допомогою розроблених математичного та експериментальних
методів. Чисельним методом було проведено оцінку впливу швидкості руху
електрода-ударника, його форми, величини початкового розтягу модельного зварного
з’єднання; використання між місцем обробки та електродом-ударником мідної
підкладки-посередника та впливу підвищених температур на напруженодеформований стан з’єднання. Експериментальними методами було проведено
визначення параметрів НДС модельного зварного з'єднання при застосуванні ЕДО в
умовах попереднього підігріву та при застосуванні ЕДО в процесі його створення.
Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано
основні результати дисертаційної роботи.
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, поставлені мета та задачі
дослідження, наведені методи дослідження, сформульовані наукова новизна та
практична цінність.
У першому розділі показана актуальність проблеми виникнення та керування
залишковими напруженнями у зварних з’єднаннях. На основі проведеного
літературного огляду наведено основні методи визначення напруженодеформованого стану у машинобудівних конструкціях. Розглянуто існуючі методи
регулювання напружено-деформованого стану у зварних з’єднаннях, і визначено, що
одним з перспективних методів регулювання є електродинамічна обробка. Показано
сучасний стан методів математичного моделювання, що дозволяють визначати
напружено-деформований стан конструкцій та оцінювати ефективність методів його
регулювання, зокрема електродинамічної обробки та її динамічної складової як
окремої частини.
На основі проведеного огляду сформульовано мету та задачі дослідження.
Другий розділ присвячено опису створення методу визначення напруженодеформованого стану модельного стикового зварного з’єднання за дії динамічної
складової електродинамічної обробки на основі математичної моделі процесу ударної
взаємодії електрода-ударника зі з’єднанням у двовимірних та тривимірній
постановках.
Методом скінченних елементів у вигляді явного динамічного аналізу з
використанням лагранжевого підходу розв'язувалася система рівнянь, що описує
поведінку суцільного середовища під дією зовнішнього навантаження, зокрема
рівняння збереження енергії, рівняння нерозривності, збереження кількості руху
середовища, а також співвідношення пластичної течії Прандтля-Рейсса.
Математичною моделлю матеріалів, що описує їх ударну взаємодію, було прийнято
ідеально пружно-пластичну модель.
Експериментально визначено механічні характеристики алюмінієвого сплаву
АМг6 для задання параметрів математичної моделі матеріалу зварного з'єднання
(модельних пластин).
Проведено оцінку точності розробленого методу визначення НДС модельного
стикового зварного з’єднання в умовах її ударної взаємодії з електродом-ударником
на швидкостях до 10м/с шляхом порівняння з експериментальними даними
динамічної складової електродинамічної обробки ненапруженої модельної пластини
з АМг6. Встановлено, що середнє відхилення експериментальних та математичних
результатів не перевищує 15%.
Окремо було розглянуто питання впливу розміру скінченного елемента та
геометричних розмірів модельного зварного з'єднання на точність отриманих
результатів у порівнянні з даними експерименту.
В третьому розділі дисертаційної роботи на основі створеного методу
представлено математичну оцінку впливу на напружено-деформований стан
модельного зварного з'єднання таких параметрів технологічного процесу
електродинамічної обробки як початкова швидкість електрода-ударника, його форма,
використання мідної підкладки-посередника, початкових напружень розтягу та
температури.
З метою оцінки впливу початкової швидкості електрода-ударника та його форми
на НДС модельного зварного з'єднання після застосування ударної складової ЕДО
розглядалася задача ударної взаємодії на швидкості від 1м/с до 10м/с зварного
з'єднання з АМг6 товщиною 4мм і електрода-ударника вісесиметричної
(циліндричної) форми з округлою формою торцевої поверхні та електрода-ударника
у формі чотирикутної призми зі округленою боковою поверхнею. За результатами
проведених досліджень встановлено математичні залежності, що описують
тривалість контакту між тілами в залежності від швидкості їхньої взаємодії,
встановлено особливості формування по товщині з'єднання зони ефективних
пластичних деформацій і відповідно розподілу значень компонент напруженого стану
σx та σy. Визначено, що ефективний вплив ударної обробки (динамічна складова ЕДО)
на початкові значення компонент напружень розтягу як σx так і σy, що виникають у
зварному з'єднанні, формується у випадку використання електрода-ударника
вісесиметричної (циліндричної) форми з округлою формою торцевої поверхні на
швидкості 5…10м/с.
З метою оцінки впливу мідної підкладки-посередника, встановленої між
модельним зварним з'єднанням та електродом-ударником, на НДС з'єднання після
застосування ударної складової ЕДО розглядалася задача ударної взаємодії на
швидкості 5м/с електрода-ударника вісесиметричної (циліндричної) форми з
округлою формою торцевої поверхні, мідної підкладки-посередника товщиною 1мм
та модельного зварного з'єднання з АМг6 товщиною 4мм.
За результатами проведеної роботи набула подальшого розвитку методика
оцінки впливу використання мідної підкладки-посередника на формування
залишкових напружень у зварних з'єднаннях після електродинамічної обробки та
було встановлено, що її використання дозволяє за рахунок перерозподілу та
зменшення величини пластичних деформацій по контактній поверхні з'єднання зі
збереженням характеру розподілу напружень по його товщині зменшити як глибину
вм'ятини в з'єднанні на 20…30%, так ї величину опуклості лицьової поверхні
з'єднання більш ніж у 3 рази.
З метою оцінки впливу початкового розтягу модельного зварного з'єднання на її
НДС після застосування ударної складової ЕДО розглядалася задача ударної
взаємодії на швидкості 5м/с електрода-ударника вісесиметричної (циліндричної)
форми з округлою формою торцевої поверхні та модельного зварного з'єднання з
АМг6 товщиною 4мм до якого прикладалося початкове напруження розтягу у двох
напрямках: 1. перпендикулярно лінії зварного шва зі значеннями напруження σx=0,
50, 100 та 150МПа. 2. вздовж лінії зварного шва зі значенням σy=50МПа , яке
створювалося у з'єднанні одночасно з напруженням σx=150МПа.
За результатами проведеного дослідження встановлено закономірності, що
описують за лінійним законом зміну значень тривалості контакту між тілами, глибини
вм'ятини в з'єднанні та ефективних пластичних деформацій на лицьовій і тильній
поверхнях з'єднання по лінії удару від величини початкових напружень розтягу.
Встановлено, що збільшення величини початкових напружень розтягу модельного
зварного з'єднання σx до 150МПа не змінює значення радіусу вм’ятини в ньому,
вирівнює розподіл значень ефективних пластичних деформацій по товщині з'єднання,
але знижує підсумкові значення компонент напружень НДС до 30%. Додавання до
компоненти початкового розтягу модельного зварного з'єднання σx, що дорівнює
150МПа, іншої компоненти НДС σy зі значенням 50МПа має несуттєвий вплив на
зміну НДС з'єднання.
З метою оцінки впливу температури модельного зварного з'єднання на його НДС
після застосування ударної складової ЕДО розглядалася задача ударної взаємодії на
швидкості 5м/с електрода-ударника вісесиметричної (циліндричної) форми з
округлою формою торцевої поверхні та модельного зварного з'єднання з АМг6
товщиною 4мм температура якого змінювалася від 20ºС до 150ºС і вище до 300ºС.
З експериментальних даних відомо, що збільшення температури зварного
з'єднання з алюмінієвого сплаву АМг6 супроводжується зміною механічних
характеристик матеріалу та величини початкових напружень у з'єднанні. Таким
чином, розв'язок поставленої задачі проводилося за допомогою розробленого методу
шляхом врахування в математичній моделі процесу значень відповідних параметрів.
За результатами проведених досліджень показано, що незважаючи на суттєве
зростання ширини та глибини вм'ятини у модельному зварному з'єднанні, збільшення
величини його початкової температури до 300ºС в процесі ударної взаємодії з
електродом-ударником циліндричної форми дозволяє в зоні обробки (в межах
контуру поперечного перерізу ударника) ефективно регулювати початкові зварні
напруження шляхом їх перетворення в практично рівномірний розподіл напружень
стиску.
У четвертому розділі наводиться експериментальна оцінка ефективності
застосування електродинамічної обробки стикових зварних з’єднань зі сплаву АМг6
в умовах підвищених температур.
Запропоновано методику локального підвищення температури готового
зварного з’єднання за допомогою технологічного фену та контролю значення
температури інфрачервоним термометром для дослідження електродинамічної
обробки при температурі 150°С.
Встановлено, що електродинамічна обробка центру зварного з’єднання в умовах
його супутнього підігріву є більш ефективною для регулювання залишкових
напружень в центрі шва і менш ефективною – по лінії сплавлення у порівнянні з
електродинамічною обробкою без підігріву.
Досліджено електродинамічну обробку стикового зварного з’єднання пластини
з АМг6 в процесі зварювання при температурі 150°С шляхом проведення обробки на
певній відстані за зварювальним пристроєм.
Доведено, що застосування електродинамічної обробки металу шва, яка
виконується в єдиному процесі синхронно із дуговим зварюванням, є більш
ефективним у порівнянні із роздільною ЕДО після зварювання, що виражається в
більш рівномірному розподілі значень параметрів залишкового напруженодеформованого стану готового зварного з’єднання на тлі більшого (до 70…80%)
зниження рівня залишкових зварювальних напружень розтягу в шві.
Доведено, що ЕДО зразків стикових з'єднань зі сплаву АМг61 в процесі
зварювання підвищує точність їх виготовлення, що характеризується зниженням
рівня їх залишкового поздовжнього жолоблення у порівнянні із ЕДО після
зварювання.
Опис
Ключові слова
математичне моделювання, залишкові напруження, напруженодеформований стан, вид напруженого стану, прогнозування, метод скінченних елементів, пластичні деформації, деформаційні моделі, підвищена температура, зварні з’єднання, електродинамічна обробка, спільне силове і термічне навантаження, ударна взаємодія, алюмінієвий сплав, mathematical modeling, residual stresses, stressed-strained state, type of stress state, forecasting, finite element method, plastic deformations, deformation models, elevated temperatures, welded joints, electrodynamic treatment, joint power and thermal load, impact interaction, aluminum alloy
Бібліографічний опис
Устименко, П. Р. Напружено-деформований стан зварних з’єднань за електродинамічної обробки : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Устименко Павло Романович. – Київ, 2023. – 207 с.