VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Программные комплексы предназначены для решения широкого круга задач моделирования сварочных процессов. Также при сварке возникает необходимость моделирования следующих процессов:

- протекание электрического тока в металле, выделение тепла;

- электрические и световые явления в дуге, плазме, электронном и лазерном луче;

- электромагнитные явления;

- гидродинамические явления в сварочной ванне;

- тепловые процессы в металле, плавление и кристаллизация;

- физико-химические превращения в металле шва и околошовной зоны;

- сварочные деформации и напряжения от неравномерного нагрева и структурных превращений;

- упругость, пластичность и ползучесть металла в условиях сварки и эксплуатации деталей;

- развитие процессов разрушения в условиях неоднородности свойств материала и наличия дефектов под действием сварочных процессов и различных видов эксплуатационных нагрузок.

Анализ этих задач показывает, что все они могут быть решены компьютерным моделированием, и для большинства из них требуется во многом аналогичное программное обеспечение. Моделирование сварной конструкции включает ряд этапов, в ходе которых вводятся исходные данные, производится расчет и происходит обработка полученных результатов. Сложность поставленной задачи, моделирования тепловых процессов, состоит в необходимости решения следующих проблем:

- разработки специализированных программных средств, позволяющих описывать различные теплофизические задачи, в том числе задавать теплофизические характеристики модели, а также начальные условия, распределение источников и стоков теплоты, и в различные типы граничных условий, зависящих от времени;

- разработки устойчивых алгоритмов для решения задач нестационарной теплопроводности в неоднородных средах;

- применение алгоритмов, обеспечивающих возможности проведения параллельных вычислении с целью использования многопроцессорных систем для уменьшения времени расчета модельных задач;

- анализа точности получаемых расчетных величии и их соответствие экспериментальным данным.

Таким образом, существует проблема получения адекватных расчетных данных по динамическому изменению температуры и тепловых потоков в неоднородных изделиях за вычислительное время. Решение этой проблемы актуально для различных прикладных задач в энергетике, алюминиевой и сталелитейной промышленности, машиностроения и других областях теплотехники и материаловедения, и является в высшей степени востребованной. Предметом исследования являются математические методы решения двумерных нестационарных уравнений теплопроводности, оценка точности получаемых результатов, принципы геометрического моделирования сложных объектов, а также программные средства визуализации и расчета нестационарных тепловых процессов в неоднородных средах и их применение для прикладных задач материаловедения. В работах рассматриваются возможности программного обеспечения, предназначенного для моделирования теплофизических процессов при сварке и родственных технологиях, и поиска оптимальных режимов тепловложения, обеспечивающих снижение термических напряжений.

Развитие программных средств позволяет по-новому организовать сварочное производство. Использование современных компьютерных технологий для комплексной автоматизации всех аспектов сварки, включая моделирование протекающих в металле процессов, позволит быстро находить оптимальные технологические решения при значительном снижении ресурсоемкости. Решение не только прикладных, но и аналитических инженерных задач является, в частности, основой создания надежных сварных соединений. Расчет прочности, долговечности, жесткости сварных конструкций, моделирование тепловых и металлургических процессов, конструирование оборудования целесообразно и удобно проводить с помощью программных продуктов на основе систем САЕ (ComputerAidedEngineering - инженерные расчеты с использованием компьютерных программ) (рис. 1). Для уменьшения затрат на исследования возможно применение компьютерного моделирования тепловых сварочных процессов. По сравнению с проведением обычных «натурных» экспериментов, компьютерное моделирование требует предварительных усилий для создания моделей в виде программного обеспечения. Однако, в дальнейшем эксперименты на модели оказывают гораздо более оперативными, дешевыми и эффективными. Эксперименты на металлических образцах остаются необходимыми для определения свойств материала, проверку модели, ее корректировки для решения новых задач, но за счет применения компьютерного моделирования они резко сокращаются по объему и сложности.

Рисунок 1. Моделирование тепловых процессов при сварке в САЕ-программах:

а) электрической дуги;

б) сварочной ванны; в) горелки и защитного газа

Наибольший интерес для моделирования представляют процессы нагрева стрежня проходящими электрическим током и тепловые процессы при ручной дуговой сварке, механизированной сварке в среде углекислого газа и автоматической сварке под слоем флюса. Задача моделирования тепловых процессов успешно решается при помощи метода функций Грина. Для решения тепловых задач методом функций Грина, кроме геометрических и краевых условий необходимо описать источник нагрева. Как известно, нагрев тела может производиться разнообразными источниками теплоты, различающимися между собой по распределенности, времени действия и движению их относительно тела.

Использование компьютерных программ позволяет произвести моделирование сложных процессов, что позволяет снизить трудоемкость моделирования процессов.

Успехи в области моделирования процессов сварки и родственных технологий, достигнутые в последние два десятилетия, обеспечили возможность замены натурных экспериментов компьютерными.

Процессы теплопередачи играют огромную роль при работе разнообразных технических устройств и промышленного оборудования, также они чаще всего определяют физико-химические процессы, происходящие в различных технологических циклах. Кроме того, надежность различных промышленных изделий, а также отдельных узлов и деталей, в значительной степени зависит от температурных режимов, при которых эти изделия и их отдельные части эксплуатируются. Поэтому не случайно вопросам теплопередачи посвящено большое количество работ и публикаций, а исследования, относящиеся к процессам теплообмена имеют более, чем двухсотлетнюю историю.

Большая область применения задач моделирования лежит в таком разделе инженерной науки, как материаловедение, занимающееся изучением структурных преобразований в материалах. Как известно, структурные и фазовые изменения, происходящие в твердом состоянии, определяют физико-механические и эксплуатационные свойства изделия и зависят от видов химико-термической обработки, температуры нагрева и скоростей охлаждения. Например, при термической обработке сталей температуры нагрева должны находиться в области аустенизации, а от скоростей охлаждения зависит структура обрабатываемого участка. Высокие скорости охлаждения способствуют получению крайне мелкозернистой структуры, вплоть до нано- размерной области.

Вывод.

Моделирование процессов термической обработки объектов с неоднородной внутренней структурой и определение температуры в заданной точке изделия позволит решить задачу структурообразования в реальных изделиях, что является востребованным и актуальным. Такие технологические процессы могут быть существенным образом оптимизированы за счет создания адекватной физической и математической моделей и проведения серии вычислительных экспериментов.

Код для цитирования: Скопировать