2. Формы тела упрощают
 Скачать 2.51 Mb.
|
|
Размещено на http://www.vivliophica.com/ Введение В расчетах тепловых процессов при сварке широко используют зависимости, полученные путем схематизации и упрощения действительных процессов распространения теплоты. Эти упрощения в основном сводятся к следующему. 1. Источники теплоты принимают либо сосредоточенными, либо распределенными по соответствующему закону, который позволяет относительно просто описать процесс распространения теплоты. 2. Формы тела упрощают. 3. Теплофизические коэффициенты , а, с, принимают не зависящими от температуры. Это допущение хотя и искажает действительный процесс распространения теплоты в теле, но значительно упрощает математические выражения. Указанные допущения позволяют получить стройную теорию распределения температуры в телах при нагреве их различными движущимися источниками теплоты. Эта теория хорошо отражает качественную картину, а в ряде случаев даёт также и достаточную для технических расчётов точность описания сварочных процессов. Наибольшие погрешности в описании полей температур наблюдается в зонах вблизи действия источников теплоты. В отдельных точках, где находятся сосредоточенные источники, расчётная температура достигает бесконечно больших значений. Математический аппарат теории, дополненный экспериментальными данными, является удобным инструментом для выражения процессов распространения теплоты при сварке. В конкретной работе используются математические расчёты при ручной наплавке валика на массивное тело. Такой процесс описывает следующая математическая модель – подвижный точечный источник полу бесконечного тела. Исходными данными для расчёта являются режим сварки и теплофизические характеристики основного материала. Исходные расчётные данные: Режим сварки: Ток сварки IСВ, А 120 Напряжение на дуге U, В 20 Скорость сварки VСВ, м/ч 3,5 к. п. д. 0,6 Теплофизические характеристики материала (закаливающаяся сталь): Объемная теплоемкость с, Дж/м3К 4,8·106 Коэффициент температуро проводности а, м2/с 8,7·10–6 Коэффициент теплопроводности , Вт/м·К 41,9 Коэффициент теплоотдачи , Дж/см2сС 610–3 1. Расчёт температурного поля предельного состояния при движении подвижного точечного источника тепла в полубесконечном телетемпературный точечный теплонасыщение Сварочные процессы в металле в большинстве случаев происходят при быстром изменении температуры в пределах от температуры окружающего воздуха до температуры испарения металла. В этом довольно широком температурном промежутке развиваются различные физические и химические процессы плавления основного и присадочного металла, структурные и объемные изменения в металле шва и в основном металле, процессы местного пластического деформирования. Для управления сварочными процессами необходимо знать, как влияют на них все определяющие параметры, включая изменение температуры металла во времени. Для расчетов по сварке наиболее простым является метод источников. Применяя этот метод для тепловых расчетов относительно сварки, теплофизические характеристики принимают постоянными, независимо от температуры. Также пренебрегают и теплотой фазовых превращений. Значение этих теплофизических величин принимают средними в диапазоне температур, которые рассматриваются, хотя это и ведет к определенным изменениям расчетных температурных полей по сравнению с реально существующими. Хотя эти процессы распространения тепла в условиях сварки являются достаточно сложными, для их решения в ряде случаев удается применить упрощенные методы, сводящие конкретную задачу к идеальным теоретическим схемам. Полу бесконечное тело – это тело, имеющее только одну граничную поверхность z=0, со стороны которой действует источник тепла. Поток тепла в таком теле пространственный. Применительно к сварке, такая схема может использоваться, например, при наплавке валика на поверхность массивного тела. Источники тепла, встречающиеся в практических случаях сварки, являются также разнообразными. Их схематизируют по различным признакам: по признаку распределённости: сосредоточенные (точечные, линейные, плоские, объёмные) и распределённые (по определённому закону ввода тепла в изделие); по времени действия: мгновенные и непрерывно действующие источники тепла; по расположению относительно рассматриваемой точки во времени: неподвижные. подвижные, быстро движующиеся источники тепла. Рассмотрим случай нагрева изделия при наплавке валика на массивное тело (нагрев полубесконечного тела подвижным точечным источником тепла). Необходимо рассчитать процесс распространения тепла при ручной наплавке валика на массивное тело. Пусть при этом скорость сварки и тепловая мощность дуги сравнительно не велики. Плиту будем считать полубесконечным телом, поскольку все ее размеры таковы, что все имеющиеся граничные поверхности кроме плоскости, на которую будет производиться наплавка, не искажают теплового поля. Поэтому электрическую сварочную дугу примем за точечный подвижный постоянно действующий источник тепла. Тепловую мощность сварочной дуги в процессе наплавки валика примем постоянной. Тогда поставленную задачу в идеализированном и схематизированном виде можно сформулировать следующим образом: «Рассчитать процессы распространения тепла при нагреве поверхности полубесконечного тела точечным постоянно действующим подвижным источником тепла постоянной мощности». Для того чтобы понять механизм распространения тепла в теле при данном способе сварки рассмотрим частный случай в котором моделью источника тепла является мгновенный точечный источник. Для получения подвижного точечного источника можно воспользоваться принципом наложения, в соответствии с которым подвижный точечный источник представим как сумму мгновенных внесений бесконечно малых порций тепла dQ через очень малые промежутки времени dt от действия многих единичных мгновенных точечных источников. Уравнение предельного состояния для процесса распределения тепла от точечного источника постоянной мощности, движущегося с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного тела, отнесенное к подвижной системе координат, после всех преобразований и упрощений приобретет следующий вид:  , (1)где R – расстояние точки А, в которой определяется температура, от начала О координат подвижной системы; х – абсцисса точки А в подвижной системе координат; v– скорость сварки, см/сек. Проанализируем полученное выражение. Предположим, что источник тепла неподвижен, т.е. v= 0. Тогда е в нулевой степени равно единице и выражение (1) преобразуется в:  (2)Температура точек тела в этом случае обратно пропорциональна их расстоянию от источника тепла R, так как qи и приняты постоянными. Точки, равноудаленные от источника тепла, имеют одинаковую температуру, т.е. изотермические поверхности представляют собой концентрические полусферы. В сечениях, перпендикулярных к шву, тепло от валика распространяется равномерно во все стороны, благодаря чему изотермы в таких сечениях представляют собой концентрические полуокружности. Для построения распределения температуры при данной схеме нагрева производятся расчёты по следующей формуле:  (3)Например, при у=5 мм, х=10 мм:  =4932°СРезультаты расчётов по уравнению (3) приведены в таблице 1. По результатам расчёта строим соответствующие температурные поля (рис. 2) Поверхностные изотермы 200, 600, 800, 1350°С (рис. 3) получают графическим построением данных рис. 2. Таблица 1 – Результаты расчёта температурного поля предельного состояния при движении подвижного точечного источника теплоты в бесконечном теле
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||