Напружено-деформований стан зварних з’єднань за електродинамічної обробки
| dc.contributor.advisor | Сидоренко, Юрій Михайлович | |
| dc.contributor.author | Устименко, Павло Романович | |
| dc.date.accessioned | 2023-11-27T08:35:24Z | |
| dc.date.available | 2023-11-27T08:35:24Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | uk |
| dc.description.abstractother | Ustymenko P.R. Stress-strain state of welded joints during electrodynamic treatment. – scientific work on manuscript rights. Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy, the field of stydy 13 – Mechanical engineering, program subject area 131 – Applied Mechanics. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the research of the influence of electrodynamic treatment (EDT), in particular its dynamic component, under different technological modes on the stress-strain state (SSS) of a model butt welded joint made of aluminium alloy AMg6 using the developed mathematical and experimental methods. The numerical method was used to evaluate the effect of the speed of the impactor electrode, its shape, the value of the initial tension of the model welded joint; the use of a copper substrate-mediator between the processing site and the impactor electrode; and the effect of elevated temperatures on the stress-strain state of the joint. Experimental methods were used to determine the parameters of the SSS of a model welded joint when using EDT under preheating conditions and when using EDT in the process of its creation. The content of the work consists of four chapters, in which the main results of the dissertation are presented and substantiated. The introduction substantiates the relevance of the thesis topic, sets the research goal and objectives, presents the research methods, and formulates the scientific novelty and practical value. The first chapter shows the relevance of the problem of residual stresses in welded joints and their treatment. Based on the literature review, the main methods for determining the stress-strain state in engineering structures are presented. The existing methods for regulating the stress-strain state in welded joints are considered, and it is determined that electrodynamic treatment is one of the perspective methods of regulation. The current state of mathematical modelling methods is shown, which allow determining the stress-strain state of engineering structures and evaluating the effectiveness of methods of its regulation, in particular, electrodynamic treatment and its dynamic component as a separate part. Based on the review, the research goal and objectives are formulated. Chapter 2 describes the development of a method for determining the stress-strain state of a model butt welded joint under the influence of the dynamic component of electrodynamic treatment based on a mathematical model of the process of impact interaction between the impactor electrode and the joint in two-dimensional axisymmetric and plane-symmetric, as well as in three-dimensional formulations. The system of equations describing the behaviour of a continuous medium under the action of an external load, including the energy conservation equation, the continuity equation, the conservation of the amount of medium motion, and the Prandtl-Reiss plastic flow relation, was solved by the finite element method in the form of explicit dynamic analysis using the Lagrangian approach. The mathematical model of materials that describes their impact interaction is the ideal elastic-plastic model. The mechanical characteristics of experimental samples of AMg6 aluminium alloy were determined by experimental fracture of the samples to set the material properties of the model welded joint (model plates). The accuracy of the developed method for determining the SSS of a model butt welded joint under conditions of its impact interaction with an impactor electrode at speeds up to 10 m/s was evaluated by comparing the dynamic component of the electrodynamic treatment of an unstressed model plate made of AMg6 with experimental data and found that the average deviation of experimental and mathematical results does not exceed 15%. The influence of the finite element size and the geometric dimensions of the model welded joint on the accuracy of the results obtained in comparison with the experimental data was considered separately. Chapter 3 of the thesis presents a mathematical assessment of the influence of such parameters of the electrodynamic processing process as the initial speed of the impactor electrode, its shape, the use of a copper substrate, initial tensile stresses, and temperature on the stress-strain state of a model welded joint based on the developed method. In order to evaluate the effect of the initial speed of the striking electrode and its shape on the SSS of a model welded joint after applying the dynamic component of EDT, the problem of impact interaction at a speed of 1 m/s to 10 m/s of a model welded joint made of AMg6 with a thickness of 4 mm and an axisymmetric (cylindrical) impactor electrode with a rounded end surface and an impactor electrode in the form of a quadrangular prism with a rounded side surface was considered. Based on the results of the studies, mathematical dependencies describing the duration of contact between bodies depending on the speed of their interaction were established, and the peculiarities of the formation of the zone of effective plastic deformation along the thickness of the joint and, accordingly, the distribution of the values of the stress components σx and σy were determined. It was found that the effective control by shock treatment (dynamic component of EDT) of the initial values of the tensile stress components σx and σy arising in the welded joint should be carried out by an axisymmetric (cylindrical) impactor electrode with a rounded end surface at a speed of 5...10 m/s. In order to evaluate the effect of the copper plate intermediary installed between the model welded joint and the impactor electrode on the SSS of the joint after applying the impact component of EDT, the problem of impact interaction at a speed of 5 m/s of an axisymmetric (cylindrical) impactor electrode with a rounded end surface, a copper plate intermediary with a thickness of 1 mm, and a model welded joint made of AMg6 with a thickness of 4 mm was considered. Based on the results of the work, the methodology for assessing the effect of using a copper substrate-mediator on the formation of residual stresses in welded joints after electrodynamic treatment was further developed and it was found that its use allows, due to redistribution and reduction of plastic deformations along the contact surface of the joint while maintaining the nature of stress distribution along its thickness, to reduce both the depth of the dent in the joint by 20...30% and the size of the convexity of the front surface of the joint by more than 3 times. In order to assess the effect of the initial tensile strain of a model welded joint on its SSS after applying the impact component of EDT, we considered the problem of impact interaction at a speed of 5 m/s of an axisymmetric (cylindrical) electrode with a rounded end surface and a model welded joint made of AMg6 with a thickness of 4 mm to which an initial tensile stress was applied in two directions 1. perpendicular to the weld line with stress values σx=0, 50, 100 and 150 MPa. 2. along the weld line with a value of σy=50 MPa, which was created in the joint simultaneously with a stress of σx=150 MPa. Based on the results of the study, regularities were established that describe, according to a linear law, the change in the duration of contact between bodies, the depth of the dent in the joint, and the effective plastic deformations on the front and back surfaces of the joint along the impact line from the value of the initial tensile stresses. It has been established that increasing the value of the initial tensile stresses of the model welded joint σx to 150 MPa does not change the value of the dent radius in it, equalizes the distribution of effective plastic deformations along the thickness of the joint, but reduces the effectiveness of combating the stress components of the SSS by 30%. The addition of another stress component σy with a value of 50 MPa to the initial tensile component of the model welded joint σx, equal to 150 MPa, has an insignificant effect on the change in the stress of the joint. In order to assess the effect of the temperature of a model welded joint on its SSS after applying the impact component of EDT, the problem of impact interaction at a speed of 5 m/s of an axisymmetric (cylindrical) electrode with a rounded end surface and a model welded joint made of AMg6 with a thickness of 4 mm, the temperature of which varied from 20 °C to 150 °C and above to 300 °C, was considered. From the experimental data obtained by scientists at the E.O. Paton Institute of Electric Welding of the National Academy of Sciences of Ukraine, it is known that an increase in the temperature of a welded joint made of AMg6 aluminum alloy is accompanied by a change in the mechanical characteristics of the material and a change in the value of the initial stresses in the joint. Thus, the solution to the problem was carried out using the developed method by taking into account the values of the relevant parameters in the mathematical model of the process. According to the results of our research, it is shown that despite a significant increase in the width and depth of the dent in the model welded joint, an increase in its initial temperature to 300ºC during impact interaction with a cylindrical-shaped striking electrode allows the processing zone (within the contour of the striker's cross-section) to effectively control the initial welded stresses by converting them into an almost uniform distribution of compressive stresses. Chapter 4 presents an experimental evaluation of the effectiveness of electrodynamic treatment of butt-welded joints made of AMg6 alloy at elevated temperatures. A methodology for locally increasing the temperature of the finished welded joint using a production dryer and monitoring the temperature value with an infrared thermometer to study electrodynamic treatment at a temperature of 150°C is proposed. It was found that electrodynamic treatment of the center of the welded joint under conditions of its accompanying heating is more effective for regulating residual stresses in the center of the weld and less effective along the fusion line compared to electrodynamic treatment without heating. The electrodynamic treatment of a butt welded joint of an AMg6 plate in the process of welding at a temperature of 150°C was investigated by performing the treatment at a certain distance behind the welding device. It is proved that the use of electrodynamic treatment of weld metal, which is performed in a single process in synchrony with arc welding, is more effective compared to separate EDT after welding, which is expressed in a more optimal residual stress-strain state of the finished welded joint. It has been proven that EDT of AMg61 alloy butt joint samples during welding improves the accuracy of their manufacture, which is characterized by a decrease in the level of their residual longitudinal warping compared to EDT after welding. | uk |
| dc.format.extent | 207 с. | uk |
| dc.identifier.citation | 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. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/62457 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | математичне моделювання | uk |
| dc.subject | залишкові напруження | uk |
| dc.subject | напруженодеформований стан | uk |
| dc.subject | вид напруженого стану | uk |
| dc.subject | прогнозування | uk |
| dc.subject | метод скінченних елементів | uk |
| dc.subject | пластичні деформації | uk |
| dc.subject | деформаційні моделі | uk |
| dc.subject | підвищена температура | uk |
| dc.subject | зварні з’єднання | uk |
| dc.subject | електродинамічна обробка | uk |
| dc.subject | спільне силове і термічне навантаження | uk |
| dc.subject | ударна взаємодія | uk |
| dc.subject | алюмінієвий сплав | uk |
| dc.subject | mathematical modeling | uk |
| dc.subject | residual stresses | uk |
| dc.subject | stressed-strained state | uk |
| dc.subject | type of stress state | uk |
| dc.subject | forecasting | uk |
| dc.subject | finite element method | uk |
| dc.subject | plastic deformations | uk |
| dc.subject | deformation models | uk |
| dc.subject | elevated temperatures | uk |
| dc.subject | welded joints | uk |
| dc.subject | electrodynamic treatment | uk |
| dc.subject | joint power and thermal load | uk |
| dc.subject | impact interaction | uk |
| dc.subject | aluminum alloy | uk |
| dc.subject.udc | 621.791.05:539.4.014.13 | uk |
| dc.title | Напружено-деформований стан зварних з’єднань за електродинамічної обробки | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Ustymenko_dys.pdf
- Розмір:
- 9.62 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: