CC BY
19
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2000 р. Вип. №10
УДК 621.791.672.61
Серенко А.Н.1
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ2
Разработана компьютерная система оптимального проектирования сварных
конструкций заданной надежности, учитывающая физико-механические и технологические особенности процесса сварки.
Создание современных сварных конструкций заданной надежности при минимальной их стоимости требует комплексного конструктивно-технологического проектирования, при котором вопросы прочности и надежности увязываются с особенностями физических явлений, протекающих в металле под воздействием различных технологических процессов, в особенности сварочных [ 1 -3 ].
Для выбора наилучших из возможных вариантов конструктивного оформления проектируемого узла и технологических параметров сварочных операций необходимо использовать методы вариантного проектирования и оптимизации, основанные на поиске глобального оптимума обобщенной целевой функции [4, 5]. В качестве последней могут служить масса конструкции, приведенные затраты, уровень надежности и др. Поиск оптимальных параметров конструкции производится с учетом различных условий и ограничений, а также особенностей, свойственных процессу сварки таким, например, как остаточные напряжения, структурная, химическая и геометрическая неоднородность, наличие дефектов в сварных соединениях и др.
На рисунке 1 приведена упрощенная схема конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций, показывающая, что конечной целью такого проектирования является получение сварной конструкции с заданной надежностью.
В настоящей статье излагается один из вариантов компьютерной системы проектирования сварных конструкций с помощью инструментальных средств DELPHI, позволяющих получить WINDOWS-ориентированный интерфейс, при котором пользователь инженерного уровня оперирует привычной для него логикой поиска проектных решений.
Анализ причин разрушений металлоконструкций разного назначения показывает, что в 70-80 % случаев это связано с отказом в них сварных соединений вследствие технологических дефектов и наличия геометрической неоднородности (концентраторов напряжений). Ясно, что-центральной проблемой разработки компьютерной системы проектирования сварных конструкций является оценка работоспособности сварных соединений. Трудности создания такой системы связаны с увязкой математических моделей, описывающих явления и процессы, возникающие как на стадии выполнения сварочных операций, так и при последующей эксплуатации сварной конструкции. На рисунке 2 дается неполная развертка конструктивно-технологических факторов, которые следует учитывать в разрабатываемой системе.
Структура создаваемой системы CONTECHPRO включает следующие составные элементы: базы данных (марки сталей, виды и типы прокатных профилей, виды и типы сварных соединений и т. д.), технологический блок (назначение и выбор способов сварки, сварочных материалов, режимов сварки и т.д.), расчетный блок (расчет напряженного состояния, оценка структурного состояния околошовной зоны и механических свойств металла ОШЗ, оценка несущей способности сварного соединения и элементов в целом и т.д.), выходной блок (формирование выходных данных по технологическим и расчетным параметрам).
' ПГТУ, канд. техн. наук, проф.
2 В работе принимали участие студенты-дипломники Халецкий A.B. и Михайлов С.Е.
Рис. 1 -Схема конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций
Работа каждой подсистемы ведется в режиме диалога с пользователем. Основная цель диалога - создать запрос по рассматриваемому блоку и (или) подтвердить выбор предлагаемого системой варианта. Основным структурным элементом системы является расчетный блок.
Обычно проектировщик, выполняя расчет, на основе анализа работы конструкции определяет сечения основных несущих элементов с учетом требуемого запаса прочности или устойчивости. Назначение же параметров сварных соединений производится без учета остаточных сварочных деформаций и напряжений, концентрации напряжений, структурных изменений металла в ОШЗ и т. д. Предлагаемая система и призвана устранить этот недостаток.
В зависимости от геометрии соединяемых элементов пользователь выбирает нужный тип сварного соединения (стыковое, угловое и др.) путем нажатия соответствующей кнопки на экране монитора (рис. 3). В появившемся меню эскизов различных типоразмеров вызванного соединения выбирается нужный, и после нажатия примыкающей к эскизу кнопки на экране появляется чертеж выбранного соединения (правая часть рис. 3) со всеми необходимыми размерами. Нажатием кнопки ОК осуществляется переход к технологическому блоку, работа с которым завершается назначением режима сварки, расчетом тепловых полей, скоростей охлаждения металла в ОШЗ и прогнозированию ее свойств.
Следующим этапом диалога является расчет напряженного состояния сварного соединения и оценка его прочности при заданной схеме нагружения.
Пользователь в диалоговом режиме формирует исходные данные, включающие сведения о материале, виде нагрузки, расчетном сечении и др. На рис. 4 приведена страничка из диалога. Достаточно "мышью" сделать набор требуемых параметров, чтобы получить результаты соответствующих расчетов (правая часть странички).
Для иллюстрации выполняемых при этом за "рамками" диалогового окна операций, приведем часть алгоритма решаемой задачи.
Одним из основных модулей расчетного блока разрабатываемой системы является модуль вероятностной оценки несущей способности конструкции на основе определения напряженно-деформационного состояния сварных соединений при различных схемах внешнего воздействия. Задача решается как посредством использования готовых программных продуктов
Рис. 2 - Некоторые конструктивно-технологические факторы проектирования сварных конструкций
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Выбор типа сварного соединения
Рис.3 - Формирование исходных данных для расчета сварных соединений
1 83
РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Распределение напряжений в сечении 1-1 1 Размеры
1СВ-08Г2СА
^¿âgp
Ш lfe#f
ЁШШШ ШёШШШШ
h
«Я—ж
ШШШ&М^А'
Зависимость предела усталости сварного соединения от соотношения катетов
ЙШШ
Марки стали ;
шга
рШШШра
¡Циклический ¡Растяжение-сжатий
Рис.4 - Иллюстрация результатов расчета
соответствующего назначения, так и специально создаваемыми методами упрощенного поиска компонент напряжений в локальных областях с учетом изменяющихся механических характеристике материала под воздействием процесса сварки.
Расчетную схему сварного соединения (рис.5) можно представить в виде основного элемента постоянного поперечного сечения, не имеющего изменений формы, который кроме внешней нагрузки нагружен еще некоторыми силами, приложенными в местах отдаления выступающих частей (сварных швов) [6].
Напряженное состояние основного элемента (полосы) в произвольной точке M сечения т-т (рис. 5, б) будет определяться суммированием всех составляющих компонентов напряжений
v+y
v ■ «
V J
где crcp - P/h - средние напряжения;
cri, 02, ^з, 04 - местные продольные (г) и поперечные (у) напряжения от касательной (q) и нормальных (р) усилий, распределенных на кромках.
Местные напряжения С\... сг4 определяются по зависимости [7]:
Рис.5 - К расчету напряженного состояния таврового соединения
а, - Цф% 3+ ^ 3 - V« + 0,05# - 0,5) h
т~>
^г = + + 2 -0,158$) я
'фа% 2 2 + 0,012 --с(0,34e+ 0,2éTs* -0,18<Tm<f - 0,085e"4 )-0,25j
а4 = — {фа3 ^у/Ь 3+ 0,155$-0,37) И
где $ " х/й; // " >'. /? - безразмерные координаты; V ~ г/Ъ - относительное расстояние от сечения т-т до шва;
+ ; * = 1 + >7 ; А = 1-1/ ; с = I/" = 4 + 0.451пт/;
/ = и +1.36 ; g-п + 2 ; т = п+6; п~ 0.451п?7 ,7 = 4г}ъ*; $ и ц берутся по модулю.
Распределенные касательные и продольные усилия д и р можно определить по зависи-
(2)
мостям
Аа
ср
y(l + ßsL4)
chA — + ßchAl 1 - —
За
Р =
ср
1
(3)
где р = si/s2 ; у = Ki/h - безразмерные параметры сварного соединения; sh s2> Кь К& h - раз-
меры соединения; А = у 1,64
. 1+р
Результаты расчета напряжений в сечении 1-1 (рис. 4, б) по формулам (1, 2) для заданных параметров соединения наглядно иллюстрируются на слайде (рис. 4, справа). Видно, что и <ух и Oy распределяются неравномерно. Степень неравномерности можно оценить коэффициентом концентрации напряжений Ка, зависящим от соотношения геометрических размеров соединения. В разработанной системе предусмотрена подпрограмма оптимизации размеров сварных швов с целью получения минимума наплавленного металла.
При работе соединения в условиях циклического нагружения выполняется расчет его усталостной прочности по методике работы [8]:
ст., =1/Ks, ■ Vl + ct3+p2-a-a0-p, (4)
где Ksi ~ Si/aci - коэффициент концентрации макронапряжений; S, > Si > S3 - макронапряжения элементарного объема металла приконцентрационной зоны (структурного элемента радиусом р).
Радиус структурного элемента р зависит от химсостава стали и скорости охлаждения
металла ОШЗ при температуре 600-500°С, т.е. от режима сварки.
На рисунке 4 приведены результаты определения предела усталости рассматриваемого сварного соединения в зависимости от его геометрических размеров и марки стали.
Завершающим этапом работы системы CONTECHPRO является формирование выходного документа, в котором отражаются результаты работы пользователя в диалоге с компьютером по выбору материала, технологии сварки и оптимальных параметров соединения.
Выводы
1. Разработана компьютерная система CONTECHPRO, позволяющая выполнять вариантное проектирование сварных конструкций с выбором различных критериев оптимизации.
2. Разработанное программное обеспечение может быть установлено на персональном компьютере с оперативной памятью не менее 32 Мб и операционной системой WINDOWS 95/98/NT.
Перечень ссылок
1. Патон Б. Е. Проблемы сварки на рубеже веков // Сб. тр. международ, конф. "Сварка и родственные технологии - в XXI век". - К.: ИЭС им. Е. О. Патона, 1998. - С. 5-12.
2. Демченко В. Ф., Рябцее И. А., Козлютина С. С. Компьютерные системы проектирования технологий электродуговой наплавки//Автоматическая сварка. - 1998. -№11. - С. 61-66.
3. Махненко В. И., Великоиеаненко Е. А., Розынка Г. Ф., Пивторак Н. И. Компьютерное моделирование сварочных процессов как средство прогнозирования дефектов в сварных соединениях//Автоматическая сварка. - 1999. -№12. - С. 10-19.
4. Серенко А. Н. Принципы оптимизации и расчета элементов сварных конструкций заданной надежности // Автоматическая сварка. - 1996. - №8. - С. 13-16.
5. Арасланое А, М. Расчет элементов конструкций заданной надежности при случайных воздействиях. - М.: Машиностроение, 1987. - 128 с.
6. Серенко А. Н., Сологуб Б. Б. Метод оценки напряженного состояния сварных соединений // Сварочное производство. - 1975. - №10. - С. 3-5.
7. Серенко А. Н., Сологуб Б. Б., Аристов С. В. Напряженное состояние полосы от сосредоточенных сил // Изв. вузов. Машиностроение. - 1976. - №4. - С. 5-9.
8. Серенко А. Н. Методика расчетного определения эффективных коэффициентов концентрации напряжений в сварных соединениях // Сварочное производство: Труды ЛПИ. - Л.. Машиностроение, 1967 - Вып. №283. - С. 115-124.
Серенко Александр Никитич. Канд. техн. наук, проф. кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончил Алтайский политехнический институт в 1959 г. Основные направления научных исследований - совершенствование принципов оценки работоспособности сварных соединений и конструкций; оценка напряженного состояния сварных соединений и деталей с покрытиями; изучение процессов при сварке с программированием параметров режима.
