Соединение давлением оребренных панелей при кратковременной ползучести Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.983; 539.374

В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Москва, МИИТ), А.А. Перепелкин, асп., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ), А.В. Черняев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

СОЕДИНЕНИЕ ДАВЛЕНИЕМ ОРЕБРЕННЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

Предложены расчетные соотношения для проектирования технологии сварки давлением заготовок. В основу расчета положено уравнение кратковременной ползучести и верхнеграничный метод расчета.

Ключевые слова: оребренные панели, вязкость, давление, температура, кратковременная ползучесть, релаксация, повреждаемость.

Топливные корпуса ракетно-космических аппаратов изготавливают с внутренними ребрами вафельного типа. Корпуса собирают из панелей, которые соединяют аргоно-дуговой сваркой. Эффективна технология изготовления панелей путем сварки давлением ребер с основным полотном панели взамен традиционной технологии механического и электрохимического фрезерования. Операция сварки проводится с нагревом в вакууме или в среде нейтрального газа в зависимости от материала заготовки [1].

Процесс соединения давлением представляет следующие этапы: «мгновенная» пластическая деформация, выдержка под давлением (ползучесть), выдержка на конечном уровне деформаций (релаксация). Механическое состояние материала определяется уравнением кратковременной ползучести [2]

Xe = (Xe )пл + (Xe )полз., где Xe, (Xe )m, (Xe )полз - соответственно эквивалентные скорости суммарной деформации, пластической деформации и деформации ползучести.

Если состояния пластичности и ползучести выразить уравнениями соответственно

se = Ает, (1)

Хполз. = Bse , (2)

то исходное уравнение получит вид

1

de

Xe=1 ~/п -sf ^+Bse. (3)

dt m

A

1 ds

dt

1

Здесь ое - эквивалентное напряжение; ге - конечная эквивалентная деформация; t - время (длительность) процесса; - эквивалентная скорость деформации; А,В,т,п - константы материала.

Рассмотрим варианты расчета соединения давлением ребер с полотном. На первом этапе процесса осуществляется «мгновенная» пластическая деформация, ползучесть при этом отсутствует. Процессу соответствует уравнение состояния (1). Используем энергетический метод расчета [1, 2] с привлечением разрывного поля скоростей перемещений в условиях плоской деформации. Жестко-блочное поле скоростей перемещений и его годограф представлены на рис. 1.

Все блоки поля жесткие. Блок «О» перемещается со скоростью Ро , блок «1» - со скоростью блок «2» неподвижен. Деформации имеют место только на линиях разрыва скорости. Такое поле реализуется, как это следует из годографа скоростей, при условии

Рис. 1. Схема операции, поле скоростей (а) и годограф (б) на стадии «мгновенной» деформации (при (АИ)^: 1 - ребро; 2 - полотно; 3 - оснастка

где

2 а

а

б

Длины линий разрыва скоростей, исходя из поля скоростей

7 а 1 а + Ь / Л\

/<)1=—¡7>/12=—(4)

8шр вша

В соответствии с годографом скорости блоков определяются выражениями

1 8ш(а-р)' 2 '

аУ0 . п

V? =-— 8111— .

3 Ь 4

На линиях разрыва скоростей имеем:

(5)

8ш(а-р)

- касательная скорость на линии «01»,

81п (а - р)

- то же на линии разрыва «12».

Эквивалентные деформации на линиях разрыва выразим, используя соотношения (4) и (5), как

/ ч _ 2(У01)Х • / _ 2(А/у)1 - 8та» Бтр

[ге,°1 -Л-/и а438т(а-Р) ' К)

/ ч К'8та- 8111(3

{ е,и л/3 • 1\2 (я + б)Т38т(а-Р)' 1 '

где {Дк\ - рабочий ход, соответствующих стадий пластической деформации.

Эквивалентные напряжения здесь получим в соответствии с уравнением (1) при учете выражений (7), (8) в виде

(<5е)р=А(ге)'\ (9)

где {ье)р - эквивалентные деформации соответственно (7) и (8) на первой стадии.

Сделаем далее оценку давления, используя экстремальную верхнеграничную теорему пластичности. При данном поле скоростей запишем ее в виде:

Ы'^+^е^'Ы-Ы (Ю)

Подстановка выражений (4),(5),(6),(9) в неравенство (10) приведет к следующей оценке давления:

q< А

(2(Ah)A т sin а 1+;// Г 1 ^

К ал/ 3 , vsin(a-p)y IsinpJ

X

1 +

sin

ру

1-///

X

sin a J

(п)

Соотношение (11) определяет давление «мгновенного» деформирования на этапе сжатия жесткопластического упрочняющегося материала.

На следующей операции производится выдержка заготовок во времени под постоянным давлением пресса. На всех линиях разрыва поля скоростей достигнутые напряжения остаются постоянными, т.е.

/7/т

ое = const, -^ = 0. (12)

dt

В условии (12) ое = {ое)р - эквивалентные напряжения (9) на соответствующих линиях разрыва. Происходит ползучесть, и механическое состояние материала определяется уравнением (2). Накапливаемая конечная эквивалентная деформация при этом

= (£е )пл + (ге )полз = (ге )т + (13)

где {^е)т " эквивалентная «мгновенная» пластическая деформация (7), (8) на рассматриваемых линиях разрыва при ходе (Д/?\; (ге)ГЮ13 - деформация ползучести при ходе (Д//)2 -

Если состояние свариваемости заготовок оценивать, как

I)/:

Hip

, где 0<\|/<1, 0<i<-

то полная свариваемость произойдет при конечном ходе АИ. При этом \|/ = 1 и, следовательно,

1.

4ip

Здесь \)" конечные величины, соответствующие АИ = (АИ\ + (Д/?)2.

Отсюда следует, что минимальное конечное время выдержки должно быть

Л+///

, - ЛI

а \ - пр \*к) 1

Ann A{ze)rm

'nun

(14)

Для другой группы материалов полную свариваемость определим условием

£е 1 =-— = 1

(£е)

пр

откуда

_ (e e ) пр (ee ) пл

(tk )min = "" n.......(15)

Рассмотрим выдержку заготовок при постоянной деформации. При

этом

de

ee _ const, Xe _—e _ 0. (16)

dt

В условии (16) ee _(ee) + (ee )полз - в соответствии с (13) происходит релаксация напряжений при постоянных деформациях, и уравнение (3) получает вид:

1 S 1

1 _ -

B

(S e> рел

Здесь se - эквивалентное напряжение (12) в соответствии с уравнением (9); (se )рел - текущие эквивалентное напряжение при релаксации.

Как следует из уравнения (17), текущее напряжение на линиях разрыва

m

i 1 \ 1 s e —-n-1

- J sm ds_t. (17)

(se ),

(Se ) рел _ А m

1 г . -i m

1-mn

)

(eetmn-(1 -mn)Bt

A

(18)

где (ee)р - определено выражениями (7) и (8).

Время полной релаксации следует из соотношения (18) при

(ое )рел = 0, т-е-

* рел =-1-(ее )р"тП ■ (19)

Рел (1 - тп )Ап - В р

На основе приведенных соотношений выполнены теоретические исследования операции соединения давлением оребренных панелей из

сплавов АМг6 при 450 и ВТ6С при 930 ° С, механические характеристики которых приведены в табл. 1 [1]. В расчетах принято: а = 1,5 мм; Ак = 1...5 мм.

На рис. 2 представлены графические зависимости относительного давления соединения элементов панелей д = д / о ео от величины рабочего хода Ак. Показано, что при увеличении Ак от 1 до 5 мм относительное давление деформирования панелей из сплавов АМг6 и ВТ6С возрастает в 1,9...2 раза.

Результаты расчета минимального времени сварки давлением (*к )тт и времени релаксации *рел приведены в табл. 2. Установлено, что

208

при увеличении рабочего хода минимальное время сварки панелей уменьшается, а время релаксации возрастает.

8

7

С

и5

4

3

1 2 3 4 ММ 5

АЬ--

Рис. 2. Графические зависимости д от АИ (К = 1мм/с)

Таблица 1

Механические характеристики исследуемых материалов

Материал тх ае0> МПа Л, МПа с" в, с-1 МПа-" ш п А Лпр > МПа еепр

Алюминиевый сплав АМгб 450±2 26,8 54,34 9,6719-Ю"9 0,81 3,81 6,2 -

Титановый сплав ВТ6С 930±2 38,0 66,80 4,8999-Ю"7 0,50 2,03 - 0,693

Таблица 2

Результаты теоретических исследований

Материал

АИ , мм Алюминиевый сплав АМгб Титановый сплав ВТ6С

(Г = 450 °С) (Г = 930 °С)

)пип' С 1 ре л ' с )пип' С 1рел' с

1 11 16 311 23

2 10 19 307 26

3 9 21 305 27

4 8 23 303 28

5 7 24 302 29

По экспериментальным данным [1] соединение алюминиевых

сплавов осуществляется при температурах 500...530 0С при давлении до 15 МПа, деформация до 0,3 при выдержке 20...30 мин. в вакууме. Титановые сплавы соединяют при температурах 900...950 0 С, давлении до 5 МПа, деформации 0,65 .1 за 45.60 мин в вакууме или в среде нейтрального газа.

Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Список литературы

1. Изотермическое формоизменение анизотропных материалов жестким инструментом в режиме кратковременной ползучести / С. С. Яковлев [и др.]. М.: Машиностроение, 2009. 412 с.

2. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. 744 с.

V.N.Tchudin, A.A.perepelkin, A.V.Tchernyaev

CONNECTION BY PRESSURE HAVING EDGES OF PANELS AT SHORT-TERM

CREEP

Settlement parities for designing of technology of welding by pressure of preparations are offered. In a calculation basis the equation short-term is necessary I creep-abuse and on the top borders a calculation method.

Key words: panels with edges, viscosity, pressure, temperature, krat-kovremennaja creep, a relaxation, damageability.

Получено 14.12.11