CC BY
20
Машиностроение U компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 УДК 621.791
Разработка технологии сварки гусеничной машины на основе моделирования напряженно-деформированного состояния
Титов Д.Ю.1*, Королев С.А.1
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 06. С. 1-9.
DOI: 10.24108/0618.0001400
Представлена в редакцию: 16.05.2018
© НП «НЭИКОН»
трака
компьютерного
titovdu@li&tJu 1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Методы компьютерного моделирования все шире применяются при разработке технологии изготовления различных изделий. Это объясняется большей экономичностью и эффективностью данного подхода по сравнению с натурным экспериментом. В статье показано моделирование термодеформационных процессов при сварке трака гусеничной машины с помощью метода конечных элементов. Приведены свойства материала, расчетная модель и режимы сварки. Показаны остаточные перемещения гребня в зависимости от последовательности укладки сварных швов. На основе результатов расчета выбран оптимальный вариант сварки, при котором не требуется дополнительная последующая обработка изделия.
Ключевые слова: сварка, компьютерное моделирование, метод конечных элементов, сварочные перемещения
1. Введение
Современный уровень производства подразумевает использование передовых технологий и методик как при проектировании изделия, так и при разработке технологии его изготовления. Опыт ведущих зарубежных фирм показывает, что многими своими успехами они обязаны развитию и реализации принципа, когда широкое применение компьютеров охватывает проектирование изделий, деталей и технологических процессов [1].
Проведение натурных экспериментов при разработке технологии сварки таких изделий, как траки гусеничных машин, изготовленных из сложных дорогих материалов не всегда целесообразно. Использование компьютерного моделирования позволяет провести необходимые исследования гораздо более оперативно, дешевле и эффективнее [1].
В настоящее время все большее распространение получают специализированные программные комплексы для моделирования процесса сварки такие как SYSWELD, ANSYS, ПК СВАРКА и др.
Авторы работы [2] рассматривают остаточные напряжения в зависимости от предварительного воздействия на заготовку. В работе [3] для компенсации напряжений и деформаций предлагается использование дополнительных технологических приемов. Таким образом, для воздействия на сварочные деформации и напряжения чаще всего применяются дополнительные технологические операции и приемы. Интересным выглядит вариант уменьшения деформаций за счет техники выполнения сварных швов, в частности последовательности их наложения.
В статье приведены результаты моделирования термодеформационных процессов при различной последовательности укладки сварных швов. Оптимальная технология сварки позволяет минимизировать возникающие коробления изделия, и как следствие, необходимость дополнительной последующей обработки.
2. Конструкция и требования к геометрии свариваемого изделия
Трак является базовым элементом ходовой части гусеничной машины и изготавливается из стали марки 20ХГНМ (сталь конструкционная легированная), применяемой для ответственных деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, вязкости и износостойкости, а также для деталей, подвергающихся высоким вибрационным и динамическим нагрузкам [4]. Механические свойства приведены в таблице 1.
Таблица 1. Механические свойства основного металла.
св, МПа ст, МПа б, % V, % кси, кДж/м2 НУ
1180-1570 930 7-10 50-58 590-700 365-510
Конструкция трака представлена на рис. 1.1.
Рис. 2.1 Конструкция гусеничного трака: 1- гребень; 2 - подошва
При сварке происходит изменение формы и размеров свариваемых деталей в результате их неравномерного расширения при нагреве [3]. Перекос гребня относительно подошвы может привести к повышенному износу поверхности контакта гребня и направляющих и привести к преждевременному выходу трака из строя. Поэтому требованиями
конструкторской документации задаются требования к положению гребня относительно подошвы.
Допуск перпендикулярности расположения гребня относительно подошвы составляет 1,5 мм (см рис. 2.2).
Рис. 2.2 Требования к положению гребня (1) относительно подошвы (2)
3. Численное решение методом конечных элементов
Исследование проводилось в программном комплексе СВАРКА [5], разработанном на кафедре МТ-7 МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Моделирование начинается с построения конечно-элементной модели исследуемого объекта (рис. 3.1).
Рис. 3.1 Объемная модель исследуемого объекта
Физико-механические свойства материалов приведены в таблице 2:
Таблица 2. Свойства материала
т, °с р, кг/м3 1, Вт/см °С с, Дж/г°С Модуль сдвига, ГПа Объемный модуль, ГПа стт, МПа
20 7,83 0,491 0,454 77,00 460,00 930,00
100 7,81 0,471 0,468 77,00 460,00 930,00
200 7,78 0,446 0,487 74,77 460,00 858,00
400 7,71 0,396 0,524 70,29 460,00 724,00
600 7,64 0,346 0,560 60,68 460,00 500,00
1000 7,59 0,246 0,633 4,08 460,00 29,00
1200 7,48 0,196 0,669 3,00 460,00 1,00
1450 7,41 0,133 0,716 1,00 460,00 1,00
Граничные условия - контакт с окружающей средой с температурой 20°С. При моделировании процесса сварки использована схема подвижного нормально-кругового распределенного источника тепла [6], которая позволила получить модель, наиболее приближенную к реальному процессу.
Параметры режима сварки при моделировании:
- Сварочный ток !св = 280 А;
- Напряжение на дуге Цд = 26 В;
- Скорость сварки vсв = 20 м/ч;
- КПД процесса п = 0,8
В процессе исследования рассматривалось 3 способа укладки швов (рис. 3.2):
- начало сварки вдоль длинной стороны и обварка по контуру;
- начало сварки вдоль короткой стороны и обварка по контуру;
- сначала сварка коротких участков, затем длинных.
Рис. 3.2 Схема укладки швов при моделировании
4. Результаты компьютерного моделирования
По результатам расчета была получена термодеформационная картина в изделии в процессе сварки (рис. 4.1).
Рис. 4.1 Распределение температур при сварке
В качестве критерия оценки двух способов укладки швов выбраны остаточные перемещения вершины гребня вдоль оси ОХ (рис. 4.2).
Рис. 4.2 Узел для исследования перемещений Кинетика перемещения узла вдоль оси ОХ приведена ниже.
Кинетм J лервмещ&щ ав&и при сбсрке
2.0
15-
г. Ю
ёЗ 03
1 0
а -0.5
| -ю
-15
щ
Преде-ъвС'Е лчлеле -иШ
ч
А \ •ш
\ . Л 2- -11609
\
значение
-¡72
20
№
60 80 Нон&Р ашй
120
¡¿о т
Рис 4.3 Перемещение узла вдоль ОХ при сварке: 1- по первому варианту, 2 - по второму варианту, 3 - по
третьему варианту
При сварке по первому варианту остаточное перемещение вершины гребня вдоль оси ОХ достигло максимального значения и составило 1,72 мм, что превышает допустимое конструкторской документацией значение 1,5 мм.
При сварке по второму варианту перемещение составило 0,609 мм и находится в поле допуска.
При сварке по третьему варианту было получено минимальное значение перемещения гребня 0,311 мм.
Эти результаты можно объяснить следующим образом. Наибольший вклад в величину остаточных деформаций в данном случае вносит поперечная усадка, приводящая к угловой деформации (продольная усадка мала). Когда сварка начинается вдоль длинной стороны, то угловой деформации ничего не препятствует. В том случае, когда сварка начинается вдоль короткой стороны, во время наложения коротких швов вдоль оси ОХ действует лишь продольная усадка (нет угловой деформации). К моменту, когда накладываются длинные швы, короткие выступают в роли дополнительных закреплений.
В качестве оптимальной последовательности укладки швов следует принять второй вариант, так как в этом случае сварка ведется непрерывно. При сварке по третьему варианту все четыре участка свариваются раздельно, а так как начало и конец сварки зачастую являются местами образования дефектов, то применение данной последовательности укладки сварных швов не рекомендуется.
5. Заключение
Компьютерное моделирование является эффективным инструментом для решения задач, которые не могут быть вычислены аналитически или в случаях, когда проведение натурных экспериментов нецелесообразно ввиду высокой стоимости. Варьирование различных параметров позволяет оценить качество разрабатываемой технологии без проведения многочисленных экспериментов.
Проведенные расчеты а анализ результатов показали, что оптимальной является последовательность сварки, когда вначале выполняется шов вдоль короткой стороны гребня (далее шов выполняется по замкнутому контуру). Значения остаточных перемещений вершины гребня в этом случае лежат в пределах допуска на изделие. Таким образом, не требуется специализированной оснастки или же последующей правки изделия после сварки.
Список литературы
1. Куркин С.А., Ховов В.М., Аксенов Ю.Н., и др. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций / под ред. Куркина С.А., Ховова В.М. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 464 с.
2. Коликов А.П., Звонарев Д.Ю., Галимов М.Р. Оценка напряженно-деформированного металла на основе математического моделирования при производстве труб большого
диаметра // Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия. 2017. №60(9). С.706-712.
3. Пантелеенко Ф.И., Шумов О.В., Хейдари Монфаред А. Определение деформаций при сварке аустенитной стали // Вестник Полоцкого Государственного Университета. Строительство. Прикладные науки. 2016. №8. С.43-46.
4. Зубченко А.С., Колосков М.М., Каширский Ю.В. и др. Марочник сталей и сплавов / под ред. Зубченко А.С. М.: Машиностроение, 2003. 783 с.
5. Коновалов А.В., Куркин А.С., Макаров Э.Л., Неровный В.М., Якушин Б.Ф. Теория сварочных процессов / под. ред. В.М. Неровного. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 704 с.
6. Куркин А.С., Макаров Э.Л. Программный комплекс «Сварка» - инструмент для решения практических задач сварочного производства // Сварка и диагностика. 2010. №1. С. 16-24.
Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 06, pp. 1-9.
DOI: 10.24108/0618.0001400
Received: 16.05.2018
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 © NP "NEICON"
Development of Welding Technology for Tracked Vehicle Track Based on Computer-simulated Stress-Strain State
D.Yu. Titiov1*, S.A. Korolev1 Wdujajistju
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: welding, computer simulation, finite element method, welding displacement
The article dwells on the applications of computer simulation techniques to solve specific tasks in manufacturing. The problem under consideration is relevant because these broadly used methods allow us to save a significant amount of time and material resources, which is an important factor in current manufacturing operation conditions.
Conducts computer analysis of thermal strain processes occurred when welding a track of the tracked vehicle chain component. Performs a finite-element model of the product, specifies the material and environment properties, the fastening conditions, and the welding modes. Considers three options for laying welds. Based on simulation results, residual displacements, arising in the crest during welding, have been obtained. The most optimal method for laying welds is selected where no further product post-treatment is required.
The study shows that computer simulation is an efficient tool to solve the tasks, when their analytical calculating is impossible or in case it is unreasonable to conduct full-scale experiments because of high costs. Varying of different parameters allows us to estimate a quality of developed technology without multiple experiments.
References
1. Kurkin S.A., Khovov V.M., Aksenov Yu.N., et al. Computer-aided design and preparation of welded structures production. Moscow, Publishing house of BMSTU, 2002. 464 p. (in Russ.).
2. Kolikov A.A., Zvonarev D.Y., Galimov M.R. Evaluation of stress-strain state of the metal on the basis of mathematical modeling in production of large diameter pipes // Izvestiya Visshikh Uchebnykh Zavedenii. Chernaya Metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017. no. 60(9), pp. 706-712. (In Russ.).
3. Panteleenko F.I., Shumav O.V., Heidari Monfared A. Estimating deformations in the course of welding of austenitic steel // Vestnik Polotskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Stroitelstvo. Prikladnie nauki.. 2016. no.8, pp.43-46. (In Russ.).
4. Zubchenko A.S., Koloskov M.M., Kashirskiy Yu.V., et al. Handbook of steels and alloys. Moscow, Engineering publishing house, 2003. 783 p. (in Russ.).
5. Konovalov A.V., Kurkin A.S., Makarov E.L., Nerovniy V.M., Yakushin B.F. The theory of welding processes. Moscow, Publishing house of BMSTU, 2016. 704 p. (in Russ.).
6. Kurkin A.S., Makarov E.L. WELDING program complex is the instrument for solving the welding production practical tasks. Svarka i diagnostika, 2010, no. 1, pp. 16-24. (in Russ.).
