VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В энергетике используют изделия запорной и трубопроводной арматуры, применяются резервуары различного диаметра и толщиной стенки. Большая часть конструкций выполняется из нержавеющих коррозионностойких сталей 03Х17Н9М3.

Для обеспечения точности размеров и работоспособности изделий в заданном периоде эксплуатации, нужно проводить анализ напряженно-деформированное состояния (НДС) как самого сварного соединения, так и конструкции в целом.

С этой целью было проведено исследование НДС наиболее распространенного типа сварного соединения – стыковое, с симметричной разделкой кромок. Свариваемая деталь – труба 9.53×114 мм. Эскиз сварного соединения и его геометрические параметры приведены в таблице 1. Сварочный материал - стальная проволока марки 04Х19Н11М3.

Исследование проводили при помощи компьютерного математического моделирования методом конечных элементов. Конечно–элементная модель (КЭ) представлена на рисунке 1.

Математическая модель основана на несвязанном решении уравнений теплопроводности и механики деформированного твердого тела.

Решение тепловой задачи заключалось в решении уравнения теплопроводности в сплошном твердом теле. Для каждого материала были заданы свои значения теплопроводности, теплоемкости и плотности.

, (1)

где: - изменение внутренней энергии тела, grad(T) - теплота от внешних источников; q – теплота от внутренних источников.

1. Рис. 1 КЭ модель свариваемой трубы, установленной в оснастке

В качестве граничного условия на поверхности сварного шва и трубы задан полный теплообмен – лучистый и конвективный.

, (5)

где: , К_с = 25 Вт/мм²; Т₀ = 20 °C.

1. Теплофизические характеристики материала приведены на рис. 2. Механическое поведение материала рассматривалось как упруго пластическое. Поведение структуры описывали уравнениями (2…4).

Уравнение равновесия сил, приложенных к системе:

, (2)

Деформации вычисляли по формуле:

, (3)

где: – упругие, пластические и термоупругие деформации.

Уравнение пластического течения:

, (4)

где: – потенциал пластичности, – тензор напряжений, – скалярная величина.

Таблица 1 – Геометрические параметры сварного соединения

Геометрические параметры сварного соединения	Эскиз свариваемой трубы с выполненной разделкой кромок

В механической задаче во время сварки труба находится в жесткозакрепленном состоянии. После сварки один конец трубы ослабляется. Условия действуют для каждого прохода. Механические характеристики сталей 03Х17Н9М3 и 04Х19Н11М3 приведены на рисунке 3.

1. Натурный эксперимент по замерам перемещений после сварки каждого прохода показывает погрешность моделирования менее 25%.

В результате моделирования были получены картины распределения остаточных напряжений и деформаций (рис. 4) в области сварного соединения. Данные показывают, что максимальными напряжениями являются окружные, которые находится на уровне 80-85% от σ_в – 630 МПа для материала 04Х19Н11М3.

а б

в

а – теплопроводность; б – теплоемкость; в – плотность

1. Рис. 2 Теплофизические свойства сталей 03Х17Н9М3 и 04Х19Н11М3

а – модуль упругости, б – условный предел текучести, в – термоупругие деформации, г – кривые деформационного упрочнения

1. Рис. 3 Механические свойства материалов 03Х17Н9М3 и 04Х19Н11М3

аб

а – окружные напряжения, б – осевые напряжения

1. Рис. 4 Распределение остаточных напряжений после сварки

Вывод:

На основе компьютерного инженерного анализа проведена оценка окружных и осевых напряжений типового стыкового сварного соединения при многопроходной сварке стали 03Х17Н9М3. Погрешность расчета не превышала 25 % относительно результатов натурных экспериментов.

Литература

1. Goldak J. A., Akhlaghi M. Computational Welding Mechanics. Springer, 2005. 321 p.

2. Коновалов А. В., Неровный В. М., Куркин А. С. Теория сварочных процессов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 752 с.

3. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951. 296 с.

Код для цитирования: Скопировать