Учебнометодическое пособие Волгоград 2016
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
СВ. Хаустов ВО. Харламов СВ. Кузьмин ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СВАРКЕ 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВ. Хаустов ВО. Харламов СВ. Кузьмин ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СВАРКЕ Учебно-методическое пособие Волгоград 2016 2 УДК 621.79 (075) Рецензенты директор ДИЦ Мост канд. техн. наук, В. М. Букин; директор ЗАО Волгоградский завод сварочных материалов ХОБЭКС», В. А. Пронин Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Хаустов, СВ. Численное моделирование тепловых процессов в сварке : учеб.-метод. пособие / СВ. Хаустов, ВО. Харламов, СВ. Кузьмин; ВолгГТУ. – Волгоград, 2016. – 60 с. ISBN Представлен теоретический материал, не вошедший в курс лекций по дисциплине Тепловые процессы в сварке. Рассмотрены примеры использования численных методов в решениях линейных и нелинейных задач теплопроводности при сварке. Предназначено для студентов, обучающихся в рамках подготовки бакалавров по направлению 15.03.01 Машиностроение, профиль Оборудование и технология сварочного производства. Ил. 21. Библиогр. : 9 назв. ISBN 978-5-9948-2312-5 © Волгоградский государственный технический университет, 2016 3 Оглавление Введение ……………………………………………………………………. 4 Основные понятия и определения, используемые в расчетах тепловых процессов при сварке. 6 Одномерное уравнение теплопроводности ………………………………. 15 Конечно-разностная аппроксимация граничных условий второго и третьего рода. 35 Двухслойная пластина (граничные условия четвертого рода) ................. 39 Задача теплопроводности с внутренними источниками ………………… 42 Одномерное уравнение теплопроводности с зависящим от температуры коэффициентом теплопроводности ……………………………………….. 43 Двумерная задача теплопроводности …………………………………….. 53 Список использованной литературы 4 Введение Большинство существующих способов сварки основано на нагреве материала до пластического состояния или плавления. Теплоту, необходимую для этого получают из различных источников энергии, различающихся между собой по характеру выделения теплоты, мощности, продолжительности действия и прочим признакам. Свариваемые изделия различаются по свойствам материала, формами размерами если принять во внимание условия, в которых происходит сварка – подогрев, теплоотдача в окружающую среду и прочее, то число независимых параметров, участвующих в расчетах тепловых процессов при сварке, может быть довольно значительным. Нагрев и охлаждение при сварке вызывает в материале изделия разнообразные физические и химические процессы – плавление, кристаллизацию, структурные превращения, сопровождающиеся появлением напряжений, пластических деформаций и пр. Чтобы определить характер протекания этих процессов, необходимо знать распределение температур в материале изделия и его изменение во времени. При сварке передача тепла в твердых телах осуществляться вследствие теплопроводности металлов. С поверхности металлов теплота передается посредством конвекции в окружающую среду, которая движется относительно поверхности, например, вследствие различной плотности нагретых и ненагретых зон, или в результате принудительной циркуляции жидкости или газа. При температуре поверхности выше 400-500 К основная часть теплоты отдается лучистым теплообменом, представляющим собой электромагнитные колебания. На практике основным механизмом передачи тепла при сварке является теплопроводность – молекулярный перенос тепла в сплошной среде вследствие неравномерного распределения температур при обмене энергией между молекулами, атомами или свободными электронами. Теплопроводность зависит от агрегатного состояния вещества, его состава, чистоты, температуры, давления и других характеристик. Существующие эмпирические и аналитические модели протекания 5 тепловых процессов при сварке основаны на решении дифференциального уравнения теплопроводности при условии независимости теплофизических свойств от температуры, с учетом всевозможных допущений и упрощений как свариваемых тел таки тепловых источников, что вносит неточности в расчеты. Такие модели, как правило, справедливы только для конкретных диапазонов параметров сварки, изменение которых предполагает проведение большого комплекса исследований. Применение численных методов позволяет точно воспроизвести геометрические условия однозначности, задающие размеры и форму свариваемых деталей, граничные условия, разрешать нелинейные задачи теплопроводности с учётом фазовых переходов, температурной зависимости теплофизических свойств материала. Численное моделирование процессов теплообмена в настоящее время приобретает все более значительную роль в связи с необходимостью достоверного прогноза таких процессов, экспериментальное изучение которых в лабораторных или натурных условиях очень сложно и дорого, а в некоторых случаях просто невозможно. |