Прогнозування деформацій при зварюванні і термічному правленні конструкцій на основі методів термопластичності і функції усадки

У процесі виконання робіт було створено два автоматизованих комплекси обладнання: перший - „лабораторний”, для вивчення принципової можливості автоматизації процесу термічного правлення, другий - „дослідний”, для проведення експериментальних робіт з термічного правлення в умовах виробництва зварних конструкцій у суднобудуванні.

Було проведено низку експериментів з вивчення ефективності термічного правлення суднобудівних панелей з деформаціями бухтиноватості. Експерименти проводились на зразках обмеженого розміру (1300х1300 мм), які були виконані зважаючи на конструкцію, технологію та матеріал, що були аналогічні до реальної суднобудівної панелі. Зразок панелі складався із листа обшивки завтовшки 6 мм з привареними поздовжнім і поперечним набором таким чином, що між набором створювалося дві зони бухтиноватості з розмірами 600х1200 мм. Величина бухтиноватості здебільшого мала знак мінус (прогин) і не перевищувала (37) мм. Термічне правлення виконувалось нагрівом як круглих плям, так і смуг завдовжки 150 мм плазмовим джерелом нагріву, газополум'яним джерелом та розфокусованим променем лазерного джерела.

Результати експериментів на згаданих зразках довели низьку ефективність термічного правлення деформацій бухтиноватості. Практично для всіх видів нагріву мав місце ефект значних локальних деформацій згинання з мінусовим знаком (прогин), спонуканих нерівномірністю нагріву листа металу за товщиною. Цим стає можливим пояснити, що знизити величину деформації бухтиноватості вдається тільки в разі позитивного знаку (вигин) бухтиноватості. Таким чином, процес правлення бухтиноватості здійснюється не завдяки натягуванню листа обшивки в площині листа, а завдяки локальним деформаціям вигину у зоні нагрівів.

Для вивчення цього явища було виконано моделювання процесу термічного правлення на згаданих експериментальних зразках з використанням комерційного пакету ANSYS. Нагріви задавались як додаткові деформації усадки в площині листа обшивки. Вирішення по загальним деформаціям та переміщенням точок листа обшивки і ребер зразка у тривимірній постановці шукані в рамках теорії пружності за допомогою методу функції усадки.

Моделювання процесу термічного правлення на експериментальному зразку панелі виконувалось тоді, коли обшивка однієї шпації мала деформацію бухтиноватості, тобто рівномірний прогин або вигин із площини обшивки. Модель зразка є закріпленою у 4-х точка по кутах за контуром для запобігання переміщенням у напрямку із площини листа обшивки. Величину поперечної і поздовжньої деформації усадки від нагріву однією смугою завдовжки у 150 мм завдавали на основі розрахункових результатів, отриманих за допомогою метода термопластичності .

Дуже важливий ефект з точки зору розуміння механізму процесу термічного правлення був виявлений під час розрахунку величини зниження бухтиноватості від однієї смуги нагріву, розташованої по центру бухтини, за різних значень початкової величини бухитоноватості. Результати розрахунку довели, що ефективність правлення (зниження величини бухтиноватості) спочатку різко зростає із збільшенням початкової величини бухтиноватості, а потім стає постійною і далі дещо знижується за більших значень бухтиноватості.

Для урахування локальних деформацій вигину, спонуканих нерівномірністю нагріву листа обшивки, було проведено відповідне чисельне дослідження. Розрахункові результати відповідно до переміщень із площини листа обшивки в залежності від величини початкової бухтиноватості листа обшивки завтовшки 6 мм та 3 мм із урахуванням роздільної і сумісної дії усадки в площині листа та кутових деформацій отримані для випадку зразка панелі з деформацією бухтиноватості прогину, коли кутові деформації частково компенсують ефект правлення від деформацій усадки. При заданому співвідношенні величин усадки і кутових деформацій вплив останніх на ефект правлення, тобто на зниження величини бухтиноватості, є незначним. При більш високих значеннях кутових деформацій ефект правлення може різко знижуватися.

Також ці результати довели, що ефект правлення суттєво залежить від товщини листа обшивки. За товщини 3 мм зниження величини бухтиноватості від нагріву смуги приблизно у 2 рази вища, ніж за товщини у 6 мм за умови забезпечення однакових характеристик усадки. Це добре узгоджується із практичним досвідом, який доводить, що застосування термічного правлення деформацій бухтиноватості є найбільш ефективним при товщинах листа обшивки до 4-5 мм.

Розроблена модель дозволила провести чисельні експерименти з вивчення ефективності правлення в залежності від кількості і розміщення нагрівів. Розрахункові результати відповідно до переміщень із площини листа обшивки для різних варіантів розміщення смуг нагріву довжиною у 150 мм за товщини обшивки у 6 мм доводять, що зменшення величини бухтиноватості від нагріву смуги має локальний характер і йде у зоні, що обмежена шириною бухтини, а у напрямку ж довжини бухтини - приблизно двома довжинами смуги нагріву. Поза цією зоною спостерігається навіть невелике збільшення цієї бухтини, а також сусідніх бухтин. Цей ефект також підтверджений спостереженнями із практики. Розташування декількох смуг нагріву в одній зоні близько одна до одної дає помітне підвищення ефекту правлення (зменшення величини бухтиноватості) у цій зоні. Рівномірне розташування смуг нагріву по площині бухтини на достатньо великій відстані одна від другої призводить до зменшення величини бухтиноватості по всій площині бухтини, але на порівняно невелику величину. Можливо це пояснюється взаємним впливом зон зниження і збільшення бухтиноватості від різних смуг нагріву. Таким чином, результат правлення при більшій кількості нагрівів неможливо розглядати як просту суму зменшень величини бухтиноватості від окремих нагрівів.

Термічне правлення циліндричних оболонок і валів. В результаті зварювального нагріву під час виготовлення або під дією різних впливів при експлуатації довгі циліндричні оболонки можуть сприймати неприпустимі загальні деформації викривлення поздовжньої вісі. Ці деформації можуть бути спонукані або локальним впливом, приміром, злам вісі оболонки від зварювання кільцевого шва, або розподіленим по довжині оболонки впливом. Одним із шляхів зниження таких деформацій до прийнятного рівня може бути теплове правлення, яке стосовно до циліндричних оболонкових конструкцій до цього часу було мало вивчено і не застосовувалось практично.

Прогнозування загальних деформацій викривлення вісі довгої циліндричної обичайки внаслідок локального нагріву на базі загального підходу теорії термопластичності і МКЕ є на даний час досить складною задачею, яка потребує розробки тривимірної математичної моделі і значних обчислювальних ресурсів для пошуку вирішення. А оскільки при виконанні термічного правлення рішення з вибору параметрів теплового впливу треба отримувати оперативно, бажано у режимі реального часу, то були розроблені розрахункові алгоритми і методика з визначення параметрів термічного правлення на базі наближеного методу функції усадки.

Якщо циліндрична оболонка має поздовжній вигин, спонуканий будь-яким локальним впливом, приміром, злам вісі оболонки від зварювання кільцевого шва, то правлення потрібно виконувати нагрівом смуги за місцем зламу вісі. Розташування цієї смуги нагріву обирається таким чином, аби кутова координата її середини дорівнювала координаті максимального вигину оболонки (-Wmax). Довжина смуги нагріву визначається через кут б по наступній залежності:

, (10)

де - поперечна усадка від смуги нагріву, отримана на пласкому зразку із того ж матеріалу та товщини;

- розрахунково-експериментальний коефіцієнт;

- кут відхилення вісі обичайки.

Якщо циліндрична оболонка має рівномірний за довжиною вигин з максимальною величиною прогину , тоді правлення потрібно виконувати нагрівом N смуг рівномірно розподілених за довжиною L оболонки. Довжина смуг нагріву визначається через кут по такій залежності:

. (11)

Розроблена методика дозволила успішно провести реальне термічне правлення довгих циліндричних оболонок довжиною 6000 мм зі сплаву ВТ-1, діаметром 350 мм і товщиною стінки 6 мм із загальними деформаціями викривлення поздовжньої вісі, спонуканих стиковим зварюванням кільцевих швів, а також правлення шнекових валів довжиною 2000 мм і зовнішнім діаметром 134 мм із нержавіючої сталі 20Х13 з деформаціями поздовжнього вигину.

Загальні висновки

1. Незважаючи на значний прогрес обчислювальної техніки, визначення напружено-деформованого стану при зварювальному нагріві (зварювання, наплавлення, термічне правлення тощо) крупногабаритних просторових вузлів або конструкцій потребує значних обчислювальних потужностей, що суттєво обмежує реальне застосування методів математичного моделювання. Комбіноване застосування відомих підходів, що базуються на методах теорії термопластичності та функції усадки, дозволяє помітно розширити область застосування розрахункових методів у дослідженні задач, пов'язаних із прогнозуванням деформацій при зварюванні крупногабаритних конструкцій з великою кількістю зварних швів.

2. Вперше розроблено загальний підхід прогнозування деформацій при зварюванні крупногабаритних конструкцій на базі комбінованого застосування методів термопластичності і функції усадки. Відмітним є те, що за допомогою загального методу термопластичності визначаються локальні напруження і параметри функції усадки для конкретних зварних швів, а потім, використовуючи наближений метод функції усадки, прогнозуються загальні деформації зварного вузла (конструкції) від усіх зварних швів. Тут є доцільним використати досвід із застосування кожного із згаданих методів. Але така спадкоємність потребує визначених алгоритмів зв'язку між двома складовими комбінованого підходу. У роботі пропонується вирішити цю задачу для типових випадків на базі геометричної типізації об'єкту.

3. На базі розроблених розрахункових алгоритмів для балочних конструкцій (у рамках комбінованого підходу) проведено дослідження кінетики загальних деформацій зварних балок при лазерному зварюванні у закріпленні із багатьма опорами, що дозволило вирішити проблему позиціювання лазерного джерела нагріву у процесі зварювання з урахуванням зварювальних деформацій. Відмітним у розробленій математичній моделі є урахування статичної невизначеності, яка пов'язана із місцями проміжного закріплення балки у процесі зварювання, можливість прогнозування зусиль для утримання балки на опорах під час зварювання, а також для отримання попереднього вигину або механічного правлення після зварювання.

4. На базі комбінованого підходу розроблено розрахункові алгоритми для прогнозування зварювальних деформацій трубних решіток теплообмінників у процесі вварювання великої кількості теплообмінних трубок (10 000 та більше) і завдяки проведеним розрахунковим дослідженням отримано наступні нові результати. Визначено тип зварного з'єднання трубної решітки з трубками із розглянутих п'яти, який забезпечує найменші деформації трубної решітки. Встановлено, що застосування аустенітної сталі для трубок і присадки дозволяє порівняно із варіантом феритної сталі отримати більш низькі залишкові локальні напруження у зоні з'єднання, а також відповідно знизити ризик утворення холодних тріщин і більш низькі залишкові загальні деформації трубної решітки. Визначено, що для конструкцій з двома трубними дошками та короткими прямими трубками приварювання у визначеній послідовності одночасно з двох кінців трубок може суттєво знизити деформації трубних решіток, особливо при обмежених товщинах останніх. Однак, слід враховувати і ризик втрати стійкості при стисканні по вісі трубок, які приварюються першими.

5. На базі комбінованого підходу розроблено розрахункові алгоритми для прогнозування загальних деформацій, пов'язаних із наплавленням зносостійких пластин з розмірами 3000х2000 мм завтовшки 10 мм за багато проходів. Завдяки проведеним дослідженням було виявлено основні фактори, що впливають на залишкові деформації вигину наплавлених пласких заготовок. Зокрема встановлено, що найбільш прийнятним для зниження деформацій є варіант наплавлення вздовж довгого крайка заготовки на мінімальних за тепловкладеннями режимах, що забезпечують потрібну мікроструктуру метала ЗТВ. Виявлено суттєвий ефект зниження деформацій (майже у 3 рази), коли застосовано закріплення у зоні наплавлення, тобто притискання цієї ділянки до плити з наступним вивільненням після вистигання.

6. Застосування комбінованого підходу до вирішення задач, пов'язаних із термічним правленням, довело його високу ефективність при прогнозуванні деформацій для характерних випадків правлення локальними нагрівами (для тонких пластин, циліндричних оболонок, просторових вузлів), а також при розробці оперативних розрахункових алгоритмів, що працюють в режимі реального часу в системі управління автоматизованим правленням. Використання прогнозування для автоматизації процесу термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості дозволяє суттєво знизити енергетичні витрати під час нагріву (у 1,5-2 рази), підвищити продуктивність технологічного процесу і якість конструкцій, відмовитися від кваліфікованої ручної праці.

7. На базі комбінованого підходу розроблено розрахункові алгоритми для моделювання процесу термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості за допомогою різних за формою плям нагріву. Сформульовано критерій ефективності процесу термічного правлення стосовно до тонкостінних конструкцій із деформаціями бухтиноватості - це є величина відношення об'єму залишкових пластичних деформацій усадки в площині листа до вкладеної енергії нагріву. На базі розроблених алгоритмів проведено дослідження можливості підвищення ефективності процесу термічного правлення. Доведено, що завдяки оптимізації параметрів нагріву є можливим суттєво підвищити ефективність термічного правлення, що дає значну економію енерго- та працевтрат. Кругла пляма нагріву, кільцевий нагрів, нагрів по спіралі, а також довгі смуги нагріву є досить перспективними для підвищення ефективності термічного правлення з урахуванням їх реалізації за допомогою сучасних більш потужних керованих концентрованих джерел нагріву. Уперше виявлено основні закономірності процесу термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості, які пов'язані з геометричними параметрами бухтини, параметрами джерела нагріву та розташуванням плям нагріву. Доведено, що процес термічного правлення деформацій бухтиноватості має цілу низку об'єктивних факторів, що обмежують ефективність цієї технологічної операції, особливо за великих товщин листа обшивки. Отримання позитивного ефекту правлення є можливим тільки при оптимальному виборі режимів і розміщення плям нагріву.

8. На базі розроблених розрахункових алгоритмів створено програмне забезпечення з управління для автоматизації процесу термічного правлення тонкостінних конструкцій з деформаціями бухтиноватості. Створено два автоматизованих комплекси обладнання. Перший - „лабораторний”, довів принципову можливість застосування автоматизованого термічного правлення тонколистових конструкцій. Другий - „дослідний”, довів високу ефективність під час проведення експериментальних робіт з термічного правлення в умовах виробництва конструкцій у суднобудуванні.

9. Чисельні дослідження деформованого стану (залишкових пластичних деформацій і загальної формозміни) циліндричних оболонок при локальному нагріві з використанням термопластичного аналізу і МКЕ довело принципову можливість застосування теплового правлення для циліндричних конструкцій із загальними деформаціями викривлення поздовжньої вісі. Але, трудомісткість і витрати часу, потрібні для визначення оптимальних параметрів нагріву таким методом, є досить високими. Розроблений на базі комбінованого підходу розрахунковий алгоритм і методика з визначення оптимальних параметрів термічного правлення деформацій викривлення вісі циліндричної обичайки дозволяє отримати вирішення щодо вибору параметрів теплового впливу оперативно, в режимі реального часу. Експериментальна апробація за термічного правлення загальних деформацій викривлення вісі довгої циліндричної обичайки і довгих шнекових валів довела високу ефективність розробленої методики термічного правлення.

Основні публікації за темою дисертації

1. Лобанов Л.М. / Расчетное прогнозирование сварочных деформаций при изготовлении плоских секций с целью снижения объема пригоночных работ/ Л.М.Лобанов, О.В.Махненко, П.Зайфферт//Автомат.сварка-1997-№1-С.21-24.

2. Makhnenko V.I. Problem-Oriented Software Package For Prediction Of Welding Stresses And Distortions With Reference To The Solution Of Various Questions Of Formation, Weldability And Accuracy Of Welded Structures / V.I. Makhnenko, L.M.Lobanov, O.V.Makhnenko // IIW-X/XV-RSD-29-98, 1998.-p.13.

3. Numerical Methods for the Prediction of Welding Stress and Distortions / V.I. Makhnenko, E.A. Velikoivanenko, V.E. Pochinok, V.O. Makhnenko, G.Ph. Rozynka // Welding and Surfacing Reviews.-1999.-Vol.13, No1.- 146p.

4. Исследование влияния фазовых превращений на остаточные напряжения при сварке кольцевых стыков труб / В.И.Махненко, Е.А.Великоиваненко, Г.Ф.Розынка, Н.И.Пивторак, О.В.Махненко//Автомат.сварка-2000-№5 -С.3-8.

5. Махненко О.В. Развитие расчетных методов оценки допустимости выявленных дефектов в сварных соединениях ответственных конструкций / О.В.Махненко, О.В.Махненко // Автомат. сварка» - 2000 -№9 - С.83-91.

6. Компьютерная программа «Приварка трубок к решетке теплообменников»/ В.И. Махненко, Е.А.Великоиваненко, О.В. Махненко, Г.Ф.Розынка, Н.И.Пивторак, П. Зайффарт, К. Бауцман // Автомат. сварка - 2002 - №8 - С.3-1.

7. Автоматизированная термическая правка сварных тонколистовых конструкций./ Б.Е.Патон, Л.М.Лобанов, Г.А.Цыбулькин, О.В. Махненко, Ю.Н.Переверзев // Автомат. сварка - 2003 -№7 - С.3-8.

8. Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довідн. посібник / під заг. ред. В.В.Панасюка. Т. 8: Міцність матеріалів і довговічність конструкцій атомних електростанцій. / О.І. Балицький, О.В. Махненко, О.О. Балицький, В.А. Грабовський, Д.М. Завербний, Б.Т. Тімофеєв. Під ред. О.І.Балицького - Київ.: ВД „Академперіодика”, 2005. - 541с.

9. Махненко В.И. / Выбор рациональных параметров локального высокого отпуска сварных соединений. / В.И.Махненко, О.В.Махненко, Г.Ю.Сапрыкина // Тяжелое машиностроение - 2006 - №7 - С.8-12.

10. Проектирование сварной надрессорной балки грузовых полувагонов. / В.И. Махненко, Э.Ф.Гарф, С.Т.Римский, В.И.Галинич, О.В. Махненко и др. // Автомат. сварка - 2006 -№4 -С.3-10.

11. Крупногабаритная сварная конструкция преобразуемого объема. / Б.Е.Патон, Л.М.Лобанов, В.Н.Самилов, И.С.Пилишенко, В.А.Горинов, О.В. Махненко и др. // Автомат. сварка - 2006 - № 7 - С.3-14.

12. Махненко В.И. / Влияние остаточных напряжений, связанных с приваркой концов теплообменных труб, на работоспособность сварных соединений при испытаниях на герметичность парогенераторов ПГВ-1000М. / В.И. Махненко, О.В. Махненко, О.Я.Зинченко // Автомат. сварка - 2007 - №4 - С.31-36.

13. Махненко О.В. / Прогнозирование долговечности сварного узла арочного пилона моста/О.В.Махненко, В.И.Махненко// Автом.сварка-2007-№5-С9-14.

14. Махненко О.В. / Численное исследование риска образования ламелярных трещин при вварке обечаек люков в корпус резервуара РВС-75000 м3 г. Броды. / Махненко О.В., Великоиваненко Е.А., Пивторак Н.И. // Автомат. сварка - 2007 - № 8 - С.2-7.

15. Махненко О.В. / Математическое моделирование тепловой правки цилиндрических оболочек и валов с общими деформациями искривления продольной оси. / О.В.Махненко, А.Ф.Мужиченко // Автомат. сварка - 2007 - № 9 - С.23-28.

16. Махненко О.В. / Расчетное прогнозирование общих деформаций сварных балок при лазерной сварке. / О.В.Махненко, П.Зайфферт // Автомат. сварка - 2008 - №3 - С.6-12.

17. Махненко О.В. / Повышение эффективности термической правки сварных тонколистовых конструкций на основе математического моделирования. / О.В.Махненко // Автомат. сварка - 2008 - № 9 - С.10-14.

18. Махненко О.В. / Комбинированное применение метода термопластичности и метода функции усадки для изучения процесса тепловой правки судостроительных панелей. / О.В. Махненко // Математичні Методи та Фізико-Механічні Поля - 2008 -51 - №4. - С.193-201.

19. Махненко О.В. / Использование математического моделирования для анализа результатов экспериментов по тепловой правке судостроительных панелей./ О.В. Махненко, А.Ф. Мужиченко, П. Зайфферт // Автомат. сварка - 2009 - №1 - С.1-7.

20. Риск образования холодных трещин при сварке конструкционных высокопрочных сталей./ В.И Махненко, В.Д.Позняков, Е.А.Великоиваненко, О.В. Махненко, Г.Ф.Розынка, Н.И.Пивторак // Автомат. сварка - 2009 - №12 - в печати.

21. Махненко О.В. / Расчетное прогнозирование общих деформаций сварных балок при лазерной сварке. / О.В.Махненко, П.Зайфферт // Математ. моделирование и информ. технологии в сварке и родственных процессах: междунар. конф. 16-20 сент. 2002 г., Кацивели, Крым, Украина: сб. трудов. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, - С.149-154.

22. Махненко О.В. / Повышение эффективности термической правки сварных тонколистовых конструкций. / О.В.Махненко // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах : 2-ая международная конф. 13-17 сент. 2004 г., Кацивели, Крым, Украина: сб. трудов. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, -C.189-194.

23. Seyffarth P. / Calculational prediction of total Distortion of Tailored Beams in Laser Welding / P.Seyffarth, O.V. Makhnenko // Laser Technologies in Welding and Material Processing: 2-nd Intern. Conf. 23-27 May 2005, Katsiveli, Crimea, Ukraine: Proceedings of Int. Conf. - Kiev: E.O.Paton Electric Welding Institute, - P.103-110.

24. Makhnenko O.V. / Numerical Substantiation of Maximum Pressure in Pneumatic-Aquarium Method of Testing the Tightness of Heat Exchanger Tubes and their Welded Joints of the PGV-1000M Steam Generator / O.V. Makhnenko // Computer Technology in Welding and Manufacturing: 16th Intern. Conf. 6-8 June 2006, Kiev, Ukraine: Proceedings of Int. Conf. - Kiev: E.O.Paton Electric Welding Institute, - P.196-201.

25. Makhnenko O.V. / Forecasting of Durability of Welded Arch Pylon of Bridge over the River Moskva / O.V. Makhnenko, V.I. Makhnenko // Computer Technology in Welding and Manufacturing: 16th Intern. Conf. 6-8 June 2006, Kiev, Ukraine: Proceedings of Int. Conf. - Kiev: E.O.Paton Electric Welding Institute, - P.202-207.

26. Makhnenko O.V. / Mathematical Simulation of Thermal Straightening of Cyllindrical Shells and Shafts with General Distortion of Longitudinal Axis / O.V. Makhnenko, A.F. Muzhichenko // Computer Technology in Welding and Manufacturing: 16th Intern. Conf. 6-8 June 2006, Kiev, Ukraine: Proceedings of Int. Conf. - Kiev: E.O.Paton Electric Welding Institute, - P.208-212.

27. Махненко О.В. / Применение математического моделирования для оптимизации технологии тепловой правки судостроительных панелей. / О.В.Махненко, А.Ф. Мужиченко, П. Зайфферт // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах : 4-ая международная конф. 27-30 мая 2008 г., Кацивели, Крым, Украина: сб. трудов. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, -C.109-116.

Анотація

Махненко О.В. Прогнозування деформацій при зварюванні і термічному правленні конструкцій на основі методів термопластичності і функції усадки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 “Зварювання і споріднені технології”. Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2009р.

Дисертація присвячена створенню загального підходу прогнозування деформацій при зварюванні (наплавленні, термічному правленні) крупногабаритних конструкцій на основі комбінованого застосування методів термопластичності і функції усадки, а також розробці відповідних розрахункових алгоритмів реалізації комбінованого підходу.

Запропоновані розрахункові способи визначення параметрів функції усадки для характерних випадків зварювального нагріву на базі геометричної типізації об'єкту. Розроблено розрахункові алгоритми для прогнозування деформацій при зварюванні балочних конструкцій і трубних решіток теплообмінників, при наплавлені за багато проходів тонких пластин зносостійким сплавом, а також при термічному правленні тонкостінних зварних конструкцій з деформаціями короблення і циліндричних конструкцій з деформаціями згину повздовжньої вісі. Проведені відповідні розрахункові дослідження і отримані нові практичні результати, що довело високу ефективність застосування розробленого комбінованого підходу.

Ключові слова: зварювальні деформації, розрахункові методи, методи термопластичності, метод функції усадки, термічне правлення

Abstract

Makhnenko O.V. Distortion prediction at welding and thermal straightening on the base of thermoplastic analysis and inherent strain method. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of Dr. of Technical Sciences on specialty 05.03.06 “Welding and related processes and technologies”. The E.O.Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kiev, 2009.

The thesis is devoted to development of general approach for distortion prediction of large scale structures at welding (cladding, thermal straightening) on the base of combined use of general thermoplastic analysis and approximate inherent strain method, and to development of calculating algorithms for realization of the combined approach.

Proposed calculating methods for defining of parameters of inherent strain function for typical cases of welding heating according to geometrical typing of the object. The calculating algorithms for distortion prediction at welding of beams and tube sheets of heat exchangers, at multi pass cladding of thin plates with resistance layer, at thermal straightening of thin wall welded structures with buckling deformations and cylindrical structures with deformation of longitudinal axes bending were developed. The appropriate numerical investigations were conducted and new practical results were obtained, showing high efficiency of using of developed combined approach.

Key words: welding distortions, prediction, thermoplastic analysis, inherent strain method, thermal straightening

Аннотация

Махненко О.В. Прогнозирование деформаций при сварке и тепловой правке конструкций на основе методов термопластичности и функции усадки. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 “Сварка и родственные технологии”. Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2009 г.

Диссертация посвящена созданию общего подхода прогнозирования деформаций при сварке (наплавке, тепловой правке) крупногабаритных конструкций на основе комбинированного применения методов термопластичности и функции усадки, а также разработке соответствующих расчетных алгоритмов реализации комбинированного подхода.

Предложены расчетные способы определения параметров функции усадки для характерных случаев сварочного нагрева на основе геометрической типизации объекта.

Разработаны расчетные алгоритмы для балочных конструкций и проведено исследование кинетики общих деформаций сварных балок при лазерной сварке в многоопорном закреплении, что позволило решить проблему позицирования лазерного источника нагрева в процессе сварки с учетом сварочных деформаций. Отличительной особенностью разработанной математической модели является учет статической неопределимости, связанной с местами промежуточного закрепления балки в процессе выполнения сварки, возможность прогнозирования усилий для удержания балки на опорах во время сварки, а также для обеспечения предварительного выгиба либо механической правки после сварки.

Разработаны расчетные алгоритмы для прогнозировании сварочных деформаций трубных решеток теплообменников в процессе вварки большого количества теплообменных трубок, и на основе проведенных расчетных исследований получены новые практические результаты. Определен тип сварного соединения трубной решетки с трубками из пяти рассмотренных, который обеспечивает наименьшие деформации трубной решетки. Установлено, что применение аустенитной стали для трубок и присадки позволяет по сравнению с вариантом ферритной стали получить более низкие остаточные общие деформации трубной решетки. Определено, что для конструкций с двумя трубными досками и короткими прямыми трубками приварка в определенной последовательности одновременно двух концов трубок может существенно снизить деформации трубных решеток, особенно при ограниченных толщинах последних. Сделана оценка риска потери устойчивости при осевом сжатии трубок, привариваемых в первую очередь.

Разработаны расчетные алгоритмы для прогнозирования общих деформаций, связанных с многопроходной наплавкой износостойким сплавом пластин большого размера. В результате выполненных исследований были выявлены основные факторы, влияющие на остаточные деформации изгиба наплавленных плоских заготовок. Установлено, что наиболее благоприятным с точки зрения снижения деформаций является вариант наплавки вдоль длинной кромки заготовки на минимальных по тепловложению режимах, обеспечивающих необходимую микроструктуру в металле ЗТВ. Выявлен существенный эффект снижения деформаций (примерно в 3 раза) в случае применении закрепления в зоне наплавки, т.е. прижатия этого участка к плите с последующим освобождением после остывания.

Разработаны расчетные алгоритмы для моделирования процесса тепловой правки тонкостенных конструкций с деформациями бухтиноватости с помощью различных по форме пятен нагрева. На основе разработанных алгоритмов проведено исследование возможности повышения эффективности процесса тепловой правки. Установлено, что за счет оптимизации параметров нагрева возможно существенно повысить эффективность правки, что связано со значительной экономией энерго- и трудозатрат. Впервые, выявлены основные закономерности процесса тепловой правки тонкостенных конструкций с деформациями бухтиноватости, связанные с геометрическими параметрами бухтины, параметрами и расположением пятен нагрева. Установлено что, процесс тепловой правки деформаций бухтиноватости имеет целый ряд объективных факторов, ограничивающих эффективность этой технологической операции, особенно при больших толщинах листа обшивки.

На основе разработанных расчетных алгоритмов создано управляющее программное обеспечение для автоматизации процесса термической правки тонкостенных конструкций с деформациями бухтиноватости, которое нашло применение в автоматизированных комплексах оборудования для лабораторных испытаний и испытаний в условиях производства сварных судостроительных панелей.

Разработаны расчетные алгоритмы и методика по определению оптимальных параметров тепловой правки деформаций искривления оси цилиндрической обечайки, которые позволяют получать решение по выбору параметров теплового воздействия оперативно, в режиме реального времени. Экспериментальная апробация при тепловой правке общих деформаций искривления оси длинной цилиндрической обечайки и длинных шнековых валов показала высокую эффективность разработанной методики.

Ключевые слова: сварочные деформации, расчетные методы, методы термопластичности, метод функции усадки, тепловая правка.

Размещено на Allbest.ru