CC BY
52
УДК 621.78:519.6 Александров Андрей Алексеевич,
старший преподаватель кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89086408403, e-mail: [email protected] Лившиц Александр Валерьевич, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89501378441, e-mail: [email protected] Рудых Александр Валерьевич, доцент кафедры сопротивления материалов и строительной механики, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 89149274522, e-mail: [email protected]
РАСЧЕТ ТЕРМИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗАГОТОВКАХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
A. A. Alexandrov, A. V. Livshits, A. V. Rudykh
CALCULATION OF RESIDUAL THERMAL STRESSES IN THE WORKPIECES
OF ALUMINUM ALLOYS
Аннотация. В статье рассмотрены и проанализированы способы определения термических остаточных напряжений. Исходя из проведенного анализа сформирован вывод о необходимости расчетного метода определения остаточных напряжений, который опирается на математическую модель формирования остаточных напряжений и деформаций, возникающих при термической обработке. В работе приведена математическая модель формирования напряжений и деформаций, возникающих из-за неравномерного охлаждения в процессе термической обработки заготовки. Учитывая ряд обстоятельств, ослож-няющихрасчет остаточных напряжений, принято решения использовать численные методы и автоматизированные системы инженерного анализа (CAE). Приведены результаты расчета остаточных напряжений, полученные при использовании конеч-ноэлементного комплекса MSC Nastran. Проанализированы расчетные и экспериментальные значения термических остаточных напряжений, сделаны выводы о достоверности полученных расчетов.
Ключевые слова: остаточные термические напряжения, метод конечных элементов, термическая обработка, маложесткие детали, алюминиевые сплавы.
Abstract. The article describes and analyzes methods for determining the thermal residual stress. The analysis formed a conclusion about the necessity of a settlement method of determining residual stresses, which is based on a mathematical model of the formation of residual stresses and strains that occur during heat treatment. The paper provides a mathematical model of the stresses and strains that arise due to uneven cooling during the heat treatment of the work piece. Taking into account a number offactors that complicate the calculation of residual stresses, this decided to use the numerical methods and automation engineering analysis systems (CAE). The results of calculation of residual stresses obtained by using the finite set of MSC Nastran. Hare given lore mode analyzed the calculated and experimental values of thermal residual stress are analyzed, conclusions about the validity of the calculations.
Keywords: residual thermal stresses, finite element method, heat treatment, low-hard details, aluminum alloys.
Введение
В процессе производства летательных аппаратов широко используются маложесткие детали, имеющие высокую удельную прочность. Маложесткие детали представляют собой детали, сочетающие в себе обшивку, подкрепленную ребрами жесткости. Применение маложестких деталей обеспечивает повышение летно-технических характеристик и снижение себестоимости производства летательных аппаратов. Такая компоновка позволяет снизить трудоемкость обработки и сборки планера самолета, сократить количество конструктивных разъемов, уменьшить количество основных и крепежных элементов. Маложесткие детали зачастую имеют большие габариты (до 25000 мм), и при этом предъявляются высокие требования к точности их формы. Так, например, допуски на непрямолинейность составляют 0,1...0,5 мм, что очень сложно осуществить. Это
объясняется тем, что технологических процесс изготовления деталей, входящих в конструкции, состоит из операций, вызывающих возникновение остаточных напряжений, которые изменяются в процессе производства и вызывают общие и локальные остаточные деформации. Учитывая высокие требования к точности формы и размеров маложестких деталей, с целью устранения деформаций увеличивают толщину полотна и подкрепляющих ребер, что негативно сказывается на весе конструкции и технико-экономических показателях летательных аппаратов. Также важно отметить, что для устранения остаточных деформаций приходится вводить операции правки и рихтовки, реализующие малые пластические деформации, которые снижают качество производимых изделий и повышают их себестоимость и продолжительность процесса производства. Поэтому управление напряженно-деформированным состоянием детали
Машиностроение и машиноведение
- неотъемлемая часть процесса повышения качества производства.
Определение остаточных напряжений
Процесс образования и перераспределения остаточных напряжений неразрывно связан с этапами технологического процесса обработки заготовки. Технологический процесс производства маложестких деталей включает в себя термическое упрочнение алюминиевых заготовок для получения требуемых механических, химических и физических свойств, затем механическую обработку этих заготовок для придания им требуемой конфигурации, заданных размеров и показателей поверхностей.
На этапе термического упрочнения заготовки подвергают закалке и искусственному старению. Для сплава В95 закалка заключается в нагревании до температуры 470±5 °С, выдержке при этой температуре в течении 70 минут с последующим охлаждением в воде при температуре 15 °С. Искусственное старение протекает при температуре 143 °С в течение 16 часов. На этапе термической обработки возникают остаточные напряжения из-за неравномерного охлаждения по толщине плиты. Поэтому есть необходимость получения картины напряженно-деформированного состояния заготовки для проведения прочностных расчетов деталей и конструкций, полученных из термо-обработанных заготовок, а также для предотвращения деформирования деталей под воздействием остаточных напряжений на этапе механической обработки, которая проводится для получения определенной конфигурации детали и требуемых параметров поверхности.
Определение напряженно-деформиро-
ванного состояния заготовки осуществляется различными методами [1]:
- косвенные методы;
- физические методы;
- механические методы.
Физические и косвенные методы определения напряженного состояния, к которым относятся голографическая интерферометрия, электронная спекл-интерферометрия, рентгеновские и ультразвуковые методы измерения, не требуют разрушения исследуемого объекта, но имеют большую (15-30 %) погрешность измерения напряжений, а также требуют дорогостоящего оборудования.
Механические (разрушающие) методы определения заключаются в механической обработке (фрезерование, точение, сверление), в результате которых происходит перераспределение напряжений и деформация заготовки или детали,
которые фиксируются при помощи тензометриче-ских датчиков. На основании измерений деформаций производят вычисления остаточных напряжений по установленным методикам. Механические методы определения остаточных напряжений, имеют высокую (3...10 %) точность, но разрушают заготовку, и она впоследствии не может быть использована для производства деталей [1].
Из-за высокой стоимости заготовок на производственных объединениях не производят определения остаточных напряжений, поэтому существует необходимость в недорогом неразрушаю-щем и точном методе определения остаточных напряжений, погрешность которого не будет превышать 10 %. Одним из способов достижения этого результата является построение математической модели формирования остаточных напряжений в процессе термической обработки, составление методики прогнозирования остаточных напряжений и деформаций.
Определение остаточных напряжений очень сложная задача, которая делится на два этапа. Первый этап - определение температурного поля пластины в процессе закалки при охлаждении пластины с температуры закалки до температуры закалочной среды. Второй этап - определение сложно-деформированного состояния пластины в зависимости от неравномерного распределения температур.
Математическая модель формирования НДС заготовки в процессе термической обработки
В соответствии с [3, 4], формирование деформаций и напряжений может быть описано следующим образом:
вг (t) = a(T(t)) • (T(t) - Tref) - а(Г0) • (T0 - Tref), (1),
где Ет (/) - температурные деформации, Т(?) -температура тела, °С, Тг<^ - референтная (эталонная) температура, °С, Т0 - начальная температура, °С, а (Т) - коэффициент линейного температурного расширения, 1/0С.
o = -E •Zj,
(2),
где о - температурные напряжения, Па, &т - температурные деформации, Е - модуль упругости, Па.
Поскольку технологическая система является многофакторной, температурные деформации, вызывающие неравномерные температурные напряжения, зависят от распределения нестационарного по телу и времени температурного поля,
нелинейно изменяющихся механических характеристик материала заготовки в зависимости от изменения температуры, расчет напряженно-деформированного состояния будем выполнять численными методами. Широкое распространение для решения прикладных задач получил метод конечных элементов [3, 5, 6]. Для определения напряженно-деформированного состояния широко используют программный комплекс MSC Nastran с применением препостпроцессора MSC Patran. MSC Nastran - одна из лучших конечно-элементных систем в мире, поэтому за рубежом проект, рассчитанный в данной программе не вызывает сомнений в его надежности. MSC Nastran имеет специальную опцию MSC Nastran SOL 600 -по сути «встроенный» решатель Marc, обеспечивающий проведение углубленного анализа существенного нелинейного поведения конструкций и решения задач теплопередачи, включая связанные теплопрочностные задачи [7]. Также важно отметить, что данное программное обеспечение имеет возможность использовать результаты теплового расчета, полученные в программном комплексе MSC Sinda, для задания тепловых нагрузок. Поэтому принимаем для расчета напряженно-деформированного состояния программный конечно-элементный комплекс MSC Nastran.
На рис. 1, 2, 3 представлены результаты расчета остаточных напряжений заготовки (габариты 390^240x38, высокопрочный алюминиевый сплав В95) возникающих в процессе охлаждения с температуры 475 °C в закалочной среде с температу-
рой 15 °С [2].
Анализируя величину остаточных напряжений, полученных экспериментально [1] разрушающим экспресс-методом предложенным А. И. Промптовым, Ю. И. Замащиковым и С. К. Карга-польцевым [8, 9], в заготовках с габаритами 390x240x38 из сплава В95, и значения остаточных напряжений, рассчитанные в программном комплексе MSC Nastran, можно сделать вывод о сходимости представленных данных с погрешностью не более 10 % (рис. 2, 3).
Также важно отметить, что распределение и величина остаточных напряжений в краевых зонах заготовки, как показано на рис. 1, сильно отличается от величины и распределения остаточных напряжений в центральной части заготовки, что подтверждает технологические рекомендации о необходимости удаления краевых зон заготовок размерами, равными толщине заготовки [10, 11].
Заключение
Подводя итог вышеизложенному, можно констатировать факт, что использование пакета MSC Nastran дает возможность расчета остаточных напряжений, возникающих в процессе термической обработки, с учетом изменения механических свойств материала и теплового поля заготовки во времени и по толщине заготовки, что позволяет говорить об успешном решении 2-го этапа расчетов термических остаточных напряжений. С практической точки зрения, данный способ расчета позволяет определять величину и локализацию остаточных напряжений
Рис. 1. Остаточные напряжения в заготовке в плоскости ZOY
■ш
■но-1— I, мм
Рис. 2. Остаточные напряжения в заготовке в плоскости 10У, 1 - расчетные значения,
2 - экспериментальные значения
(0-25 -20 -15 Я -10 -5 П. / 5 10 V 15 20 25
я а О // СЧ
1, ММ
Рис. 3. Остаточные напряжения в заготовке в плоскости 10Х, 1 - расчетные значения,
2 - экспериментальные значения
с достаточной точностью без разрушения БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК заготовки для повышения качества производимых
маложестких деталей и снижения их 1. Лившиц А.В. Прогнозирование локальных
себестоимости. остаточных деформаций при проектировании
технологического процесса изготовления маложестких деталей : дисс. ... канд. техн. наук. Иркутск, 1999. 185 с.
2. Лившиц А.В., Александров А.А. Прогнозирование температурного поля для определения остаточных напряжений возникающих при термообработке алюминиевых сплавов // Наука и образование. 2014. № 7.
3. MSC Nastran. MD Nastran 2006 Release Guide // MSC Software, 2006 P. 276.
4. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М. : Машиностроение, 1963. 233 с.
5. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М. : Мир. 1979. 392 с.
6. Шимановский А.О., Путято А.В. Применение метода конечных элементов в решении задач прикладной механики. Гомель : Изд-во Бел-ГУТ, 2008. 61 с.
7. Расчет и оптимизация конструкций [Электронный курс] // MSC Nastran : сайт. URL:
http://www.mscsoftware.ru/products/msc-nastran. (дата обращения: 22.11.2015).
8. Замащиков Ю.И., Каргапольцев С.К. Экспресс-метод определения остаточных напряжений в закаленных плитах // Повышение эффективности тех. процессов механической обработки : сборник. Иркутск : Изд-во ИПИ, 1990. С. 9096.
9. А.С. Способ определения закалочных остаточных напряжений / Ю.И. Замащиков, А.И. Промптов, С.И. Ботвенко, С.К. Каргапольцев. № 1643928, опубл. 23.04.91. 5 с.
Ю.Константинов Л.С., Трухов А.П. Напряжения, деформации и трещины в отливках. М. : Машиностроение, 1981. 199 с.
11.Абрамов В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах. М. : Машиностроение, 1963.355 с.
УДК 681.5.015
Пякилля Борис Иванович,
аспирант кафедры интегрированных компьютерных систем управления
института кибернетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, тел. +7(960)9822764, e-mail:[email protected] Кладиев Сергей Николаевич, к. т. н., доцент кафедры электропривода и электрооборудования
энергетического института, Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
тел. +7(3822)606105, e-mail: [email protected]
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВАРОЧНОЙ ЦЕПИ МАШИНЫ ДЛЯ ТОЧЕЧНОЙ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
B. I. Pyakillya, S. N. Kladiev
IDENTIFICATION OF RESISTANCE SPOT WELDING MACHINE ELECTRICAL PARAMETERS
Аннотация. Регулирование сварочного процесса напрямую связано с возможностью получения информации о качестве получаемых сварных соединений. Эту информацию может обеспечить адекватная математическая модель сварочной цепи машины для точечной контактной сварки, включающая в себя данные об электрическом сопротивлении металла между контактными сварочными электродами и об индуктивности сварочной цепи. В данной работе предложено решение задачи получения математической модели сварочной цепи машины для точечной контактной сварки на основе полученных экспериментальных данных. Экспериментальные данные представлены в виде массива измерений значений сварочного тока и напряжения на клеммах подключения сварочной цепи. Решение задачи проводилось с помощью методов «офлайн»-идентификации и представлено в виде передаточной функции и линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами. Проведено сравнение полученных результатов идентификации сварочной цепи и сделаны выводы об их использовании. Идентифицированная математическая модель описывает электрические параметры схемы замещения сварочной цепи и может быть использована в целях автоматического регулирования качества получаемых сварных соединений.
Ключевые слова: точечная контактная сварка, идентификация систем, контактное сопротивление, сварочный процесс, математическая модель, метод наименьших квадратов, передаточная функция.
Abstract. Welding process control has a direct connection with information about nugget's quality. Accurate mathematical model of resistance spot welding electrical circuit can provide this information. This kind of information must consist knowledge about electrical metal resistance between electrodes and welding electrical circuit inductance. This paper presents the solution to system identification problem in the case of resistance spot welding machine as a plant. This solution is based on offline identification methods and experimental data, which consists welding current and welding voltage measurements. The identified models are first order transfer function and linear ordinary differential equation with constant coefficients. In addition, the comparison and discussion of results is presented. The obtained mathematical description describes resistance spot welding machine electrical parameters and can be used for welding control and fault detection purposes.
