CC BY
74
4. Goldak J. A new finite element model for welding heat sources / J. Goldak, A. Chakravarti, M. Bibby // Metallurgical Transactions. - 1984. - Vol. 15B - P. 299-305.
5. Computer modelling of heat flow in welds / J. Goldak [et al.] // Metallurgical Transactions. - 1986. - Vol.17B. - P. 587-600.
6. Sudnik W. Computerised simulation of laser beam welding, modelling and verification / W. Sudnik., D. Radaj, W. Erofeew // J. Phys. D. - 1996 -№29. -P. 2811-2817.
Получено 24.10.08.
УДК 539.538 : 004.94
Д.А. Антонюк (Украина, Запорожье, Запорожский национальный технический университет)
ТРИБОКОМПЬЮТЕРИНГ КАК АКТУАЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Представлены основные аспекты новою актуального направления трибологических исследований - трибокомпъютерянга.
Высока интенсивность равития триботехники, сварочного и родственных производств требует от специаистов в области сварки, триболо-гов и материаловедов решать комплекс задач, связанных с рационаьным, качественным проектированием, раработкой, восстановлением и внедрением технологий упрочнения детаей машин, подверженных интенсивному изнашиванию в раличных абраивных средах. Проблема состоит в постоянном расширении количества защищаемых деталей, раработке новейших высокоизносостойких материалов, равитии прогрессивных методов нанесения покрытий. Отсутствие комплексных агоротмов решения технологически, производственных, научных задач с учетом их взаимосвязи тормозит даьнейшее развитие отрасли. В данном случае незаменимым элементом инжиниринга могут выступить достижения современной компьютерной техники (системы графического моделирования, расчета и проектирования конструкций, восстановления изношенных поверхностей и многие другие) [1]. Многочисленные публикации и тематика представительных международных конференций свидетельствуют о всевозрастающем интересе к проблеме компьютеризации сварочных и наплавочных технологий. Банки данных, информационно-поисковые и документальные системы, и, наконец, экспертные системы, объединяющие в рамках единой компьютерной системы баы данных и базы знаний - это далеко не полный перечень раработок.
Однако, несмотря на быстрый рост масштабов применения компьютерных систем в науке и технике, большинство специалистов по-прежнему в своей работе их используют недостаточно. Причиной является то, что деятельность научно-инженерных работников представляет собой последовательное решение разнообразных технических, организационных и других задач, содержание которых определить заранее обычно невозможно. В связи с этим возникает необходимость автоматизации решения отдельных часто встречающихся задач. Иной особенностью является то, что научно-производственно-технологические задачи в большинстве своем относятся к неформализованным, то есть задачам, исходные данные и результаты решения которых нельзя выраить в числовой форме, и точный алгоритм заранее не известен [2]. Для этого мало применимы традиционные математические методы и требуется раработка особого системного подхода. На практике такие задачи решаются с учетом накопленного опыта и знаний, а также с привлечением сведений из справочной и научной литературы. В существующих системах автоматизации сварочных процессов решение задач автоматизировано лишь в небольшой степени, т.к. в работе системы преобладает режим меню, при котором все вопросы выбора пользователь решает сам, хотя и с некоторыми ограничениями.
Трибокомпъютеринг - это научное направление о практическом применении компьютерных технологий в исследовании и моделировании процессов трения, изнашивания, восстановления и нанесения износостойких покрытий.
Наряду с этим важное значение в данном направлении занимают математические методы описания процессов изнашивания и моделирование технологических операций нанесения износостойки покрытий с учетом систематизации обширного количества априори.
В контексте трибокомпьютеринга можно выделить несколько научно-исследовательских направлений (рисунок).
1. Автоматизированное черчение деталей, подверженных изнашиванию. Tribo-Computer Design and Drafting System (TCDDS).
При исследовании трибологических свойств и моделировании технологических процессов нанесения износостойких покрытий различными методами важное значение имеет геометрическая форма детали. Автоматизированное черчение изделий, подверженных изнашиванию, возможно выполнять в двумерных или трехмерных системах [3].
В двумерных системах чертежи любой сложности строятся из бао-вых графических элементов: точек, прямых, окружностей и других кривых. Каждый из этих элементов задается группой характерных точек, координаты которых могут определяться в абсолютной системе координат или относительно предыдущей введенной точки.
Направления развития трибокомпьютеринга
При этом используют следующие способы задания точек:
- путем указания на экране с помощью мыши (для создания эскизов);
- путем введения чисел с клавиатуры (для создания точных изображений);
- путем «привязки» к некоторому элементу чертежа, в окрестности которого располагается указатель.
В трехмерном моделировании используются точи с тремя координатами, что позволяет автоматически устанавливать проекционные связи. Так, в этом случае куб описывается восемью трехмерными точками XYZ, по которым находятся проекции XY, YZ и XZ. При использовании таких систем обычно начинают с построения трехмерного изображения, а двумерные виды формируются на последнем этапе, при выводе чертежей.
2. Автоматизация проведения инженерных триборасчетов. Tribo-Computer Engineering Calculation (TCEC).
Данное направление исследований на сегодняшний день является наиболее актуальным, поскольку позволяет моделировать процессы изнашивания при определенных условиях, и в конечном итоге - прогнозировать величину износа. Система предусматривает проведение триборасчетов на основании известных обобщенных зависимостей [4 - 6], а также использование частных математически моделей, полученных методами планирования
эксперимента для каждой конкретной группы материалов и условий изнашивания [7, 8]. Однако поскольку на сегодняшний день невозможно выполнить направленные исследования для всех случаев изнашивания, то в ряде случаев применимы математические методы системного многокритериального анализа износостойкости стаей и сплавов [9].
Использование методов математического моделирования также необходимо для изучения процессов нанесения износостойких покрытий с учетом параметров режима, геометрической формы изделия, условий нанесения покрытий и т.д. При этом компьютерна модель дает возможность прогнозировать толщину слоя, термический цикл, возможные дефекты и многое другое.
3. Компьютерное проектирование технология нанесения износостойкого покрытия. Tribo-Computer Technology Drift Cover System (TCTDCS).
В настоящее время в раде предприятий и организаций СНГ достигнуты определенные успехи в создании систем автоматизированного проектирования технологических процессов. По степени комплектности подхода разработанные системы можно условно разделить на две группы [10]. К первой относятся системы автоматизации конструкторско-
технологической подготовки производства, разрабатываемые НПП «Интермех», АО «Топ Системы», АО «Аскон», ПО «КОМПАС» и др. Анализ показывает, что он позволяют формировать выходную технологическую документацию по технологии сварки и наплавки, но расчетные задачи (расчет параметров режима, норм расхода сварочных материалов, нормирование операций и др.) либо отсутствуют, либо решаются укрупненно. Ко второй группе относятся САПР технологи сварки [11-13]. В этих САПР различной степенью комплектности решаются задачи проектирования технологи сварки.
Система проектирования технологии восстановления изношенной детали функционирует на основе информации из баз данных системы управления производственной трибологической информацией (TCDM). В даном направлении решаются следующие проблемы:
а) идентификация и запись информации о технологическом процессе. Здесь формируется информация об изделии, материале, габаритных размерах, массе, особых технологических свойствах и др. На основании данных из баз знаний TCDM производится поиск подобной детали (технологического процесса производства), определяются характеристики материалов;
б) выбор наносимых материалов в соответствии с априорной информацией из TCDM либо проведен ой оптимизацией в системе автоматизации проведения инженерных триборасчетов (TCEC). Выбор
производится при условии достижения необходимых эксплуатационных х арактеристик;
в) выбор метода нанесения покрытия, а также технологических приемов (предварительный нагрев, сопутствующий нагрев, термическая обработка) на основании известных зависимостей и принципов [14 - 17] и информации из баз TCDM;
г) формирование технологического процесса нанесения покрытия. Предлагается последовательность технологических операций по восстановлению изношенной поверхности, модифицируя которую технолог-наплавшик получает техпроцесс. На данной стадии производится выбор оборудования на каждой операции из баы данных системы управления производственной триб о логической информацией (TCDM);
д) расчет параметров режима нанесения покрытия. На основании математически зависимостей вычисляются параметры режима для каждого определенного способа нанесения покрытия, количество проходов, форма и рамеры подготавливаемых поверхностей и кромок и прочее;
е) нормирование операций технологического процесса. Производится определение расхода наносимых материалов, энергетических запасов, нормы времени, состоящей из основного и вспомогательного времени.
Сформированные технологи нанесения износостойки покрытий заносятся в бау TCDM и используются для дальнейших исследований.
4. Управление производственной трибологической информацией. Tribo -Computer Data Management (TCDM).
Производственна технологическая информация включает в себя баы знаний и баы данных о материалах деталей, наносимых покрытиях и интенсивности и изнашивания, оборудовании, режимах нанесения покрытий и др.
Предусматриаются обмен производственной иформацией со всеми элементами автоматизированной системы трибологически исследова-ни, а также постоянное ее обновление. На начальном этапе создаются следующие баы данных: технологиеский процесс (номее, изделие, материл, масса, габаритные рамеры); изделие (изнашивающа среда, условия изнашивания, параметры сплава, технологические параметры изготовления); материалы (химиески состав, механические свойства, технологические свойства, структура матрицы сплава, тип упрочняющей фазы, способ обрлования упрочняющей флы, параметры упрочняющей фазы, специальные и комплексные свойства); изнашивающа среда (ви изнашивания, механизм абразивного рлрушения, форма абразивных зерен, рлмер абрливных зерен, твердость абрливных части, прочность части на сжатие, энергия рлрушения частиц, скорость перемещения частицы, параметры сопутствующей среды); условия изнашивания (температура, давление, скорость относительного перемещения, степень коррозионности среды, прилагаема нагрузка); технологические параметры изготовления (технология изготовления, технология обработки, технология восстановления изношенной детали, технология упрочнения); оборудование (масса,
габариты, мощность); нормирование (операция, норма времени). TCDM также содержит баы знаний о существующих технологических процессах восстановления деталей, применяемом оборудовании и прочую трибологическую информацию.
5. Подготовка программных средств для автоматизированных систем управления. Tribo-ComputerManufacturing (TCM).
Для решения задач компьютерного управления процессом нанесения износостойкого покрытия прежде всего необходима математическая модель процесса. Поскольку количество освоенных методов нанесения покрытий по видам эн ерги активации на сегодняшни день превышает сотню, то поле деятельности для составления моделей и их
совершенствования практически не ограничены. Наиболее существенные результаты в этой области получены в ТулГУ под руководством проф. Судника В.А. [18, 19]. Здесь математические модели для основных методов сварки и наплавки плавлением учитывают тепловые и гидродинамические процессы в ванне, что позволяет получать швы, по конфигурации совпадающие с расчетными. Однако, если люба математическая модель служит хорошим и современным инструментом для изучения метода сварки или отдельных его составляющих, то не всяка модель пригодна для автоматизированного управления реальным технологическим процессом. Основной целевой задачей управления процессом наплавки является гарантированное получение валика наплавленного металла заданных геометрических размеров (ширина, глубина) без дефектов формирования (подрезы, непроплавы, несплавления и т.д.) и без внутренних дефектов (поры, шлаковые включения, трещины).
Системы компьютерного управления процессом должны выполнять три основные функции [20]:
- контроль основных параметров процесса и ж обработку;
- автоматизированное программное управление;
- оптимальное управление в режиме реального времени.
Использование любого из перечисленных приемов управления требует решения обратной задачи по предложенной математической модели.
Математические модели геометрических параметров сварных соединений можно успешно применять по первой и второй функциям управления с условием, что математические задачи решены заранее и вводятся через контроллер в исполнительную программу как параметры стационарного процесса или с программным изменением режимов наносимого износостойкого валика.
Однако работоспособность упрочненной детали определяется не только соответствием геометрических размеров шва нормативным данным, но и отсутствием в нем дефектов типа пористости, холодных и горячих трещин, неблагоприятных структурных составляющих, высокой концентрации собственных напряжений. Разработка математических
моделей подобного уровня приводит к оптимальному управлению процессом без обратной связи, но блируется на фундаментальных дисциплинах, связанных с физикой металлов, определяя допустимые пределы режима, обеспечивающие получение бездефектных соединений. Модели подобного типа успешно рлработаны Макаровым Э.Л., Янушиным Б.Ф., Киселевым С.Н., Куркиным А.С., Киселевым А.С. и другими исследователями [21 - 22].
Принцип оптимального управления с обратной связью или уравнением в режиме реального времени требует создания таких математических моделей и аппаратуры контроля и управления, которые способны обрабатывать текущие значения параметров режима с допустимыми их значениями, определенными математической моделью.
Компьютерное оптимальное управление процессом наплавки в режиме реального времени может быть реализовано при наличии математической модели, обеспечивающей согласованную работу механизмов управления с состоянием процесса при минимальной задержке времен корректировки режима. Следует заметить, что широко применяемые численные методы решения математических моделей с учетом большого числа переменных факторов дают наиболее высокое совладение результатов расчета и эксперимента.
6. Комрютерное трибообучение. Tribo-Computer Learning System (TCLS).
Применение информационных технологий в обучении инженеров-трибологов, инженеров-сварщиков позволяет открыть новые возможности для системы обучения специалистов в областях, связанных со сварочным производством: наглядное, динамичное представлене процессов изнашивания, сварочных и наплавочных процессов с ислользованем видеоизоб-раженй и звука; обеслечене свободы выбора методики, стиля и средств обученя, что облегчит самоосознаное раскрытие потенциальных перспектив получаемых знаний; создание научно-методически обоснованной системы блового обрлованя на основе новых снергетических прнцилов рлветия информационных технологий (математика, физика, хими, тер-мoднaмнa, сопротавление материалов). Ислользоване такого рода технологи дает возможность обеслечиать непрерывность и
последовательность компьютерного обучени на всех уровнях обрлова-ния с созданием компьютерного обеспечени всех дисцили учебного процесса.
Предлагаема система обрловательных технологи позволяет открыть возможности для обновлени содержани обученя и методов пре-подавани; pacпIиpнь доступ к общему и профессиональному обрлованрю; преобрловать методику лолученя и систематизаци баз знанй; изменть роль преподавателей в учебном процессе.
Даное направление исследованй основано на ислользовани методи дистанционого обучени с рлработкой мультимединых дистан-
ционных куРсов, а также баз знаний из ТСБМ и учебного моделирования в автоматизированной системе трибологических исследований.
На основании изложенного можно выделить основные сферы развития трибокомпьютеринга.
1. Развитие математических методов описания процессов изнашивания деталей машин с учетом влияния внешних условий, химического состава и физико-механических свойств сплава, а также параметров изнашивающих частиц. Разработка методов расчета деталей на износ.
2. Математическое моделирование нанесения износостойких покрытий различными методами с учетом их параметров: напряжения, силы тока, геометрических размеров наносимых материалов и др.
3. Разработка новых методов систематизации и хранения информации о материалах, методах нанесения покрытий, режимах в базах знаний и базах данных на основе методов теории принятия решений, системного анализа, искусственного интеллекта, автоматизированного проектирования и др.
4. Изучение и разработка новых алгоритмов и методов программирования оборудования с числовым программным управлением.
5. Повышение интеллектуальных функций компьютерных трибоси-стем, т.е. способности «понимать» намерения специалистов-трибологов и инженеров-сварщиков.
Таким образом, главная задача трибокомпьютеринга - разработка и практическое применение автоматизированной системы трибо-исследований, выполняющей следующие функции.
1. Прогнозирование величины и формы износа на основании физико-математических принципов процессов изнашивания, а также априорных математических зависимостей, полученных для определенного материала и параметров внешней среды;
2. Подбор оптимального химического состава материалов для достижения необходимой износостойкости с помощью математических зависимостей, обработанных на основе достижений трибоматериаловедения;
3. Выбор оптимальных методов и режимов нанесения износостойких покрытий: химических (газовый, газофазный, жидкостный), гальванических (никелирование, хромирование, меднение, цинкование, борирование, оксидирование и др.) и физически (наплавка, напыление, диффузионные, жидкофазные, вакуумные);
4. Компьютерное моделирование процессов нанесения износостойких покрытий;
5. Хранение, каталогизация и использование банков данных априорной информации из области трибологии, триботехники, трибоматериаловедения и других смежных направлений;
6. Проведение обучения персонала для работы в системе, дальнейшем ее наполнении и модернизации.
Проект системы предусматривает разработку единой базы знаний во всемирной сети ІЩетеІ;, позволяющей в результате подключения постоянно пополнять локальную базу данных. Следовательно, всех пользователей автоматизированной системы трибоисследований можно разделить на группы, имеющие следующие интересы:
- удаленный доступ л трибологическим средствам коллективного использования с целью решения конкретных трибологичес ких задач;
- управление автоматизированной системой трибоисследований и ее составляющими и координация научных триб о логических направлений;
- ввод в состав системы новых трибологических данных и средств коллективного использования с целью предоставления собственных разработок в качестве ресурсов коллективного использования;
- расширение существующих триботехнических средств коллективного использования;
- обучение работе с автоматизированной системой трибо-исследований.
Использование стандартов ’^пёо,№8 при разработке пользовательского интерфейса информационной системы предоставляет широкие возможности для создания эффективных и удобных в эксплуатации средств информационной поддержки при проектировании технологии восстановления изношенной детали.
Следовательно, основна автоматизированная задача трибоисследований состоит в повышении уровня интеллекту аь ной деятельности и производительности труда инженера-триботехника и инженера-наплавщика. Ее решение позволит осуществлять поиск новых перспективных и оптимальных технологических и конструкторско-технически решений, направленных на повышение износостойкости деталей машин, уменьшение величины износа, сокращение сроков и стоимости разработки технологически процессов нанесения износостойки покрытий.
Библиографический список
1. Попов С.Н. Перспектиы использовани современных компьютерных систем проектиования и моделирования сварных конструкци и производства покрыти / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк// Сварка и контроль -Сварочные материалы. Технология. Сварочное оборудование. - Пермь, 2004.- Т.3. - С. 180-185.
2. Лазарсон Э.В. Компьютерные технологи решени неформализованных задач сварки / Э.В. Лазарсон // Доклады Всероссиской научнотехнической конференции. - М.: МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003.- С. 285-287.
3. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций / С.А. Куркин [и др.]. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 464 с.
4. Икрамов У.А. Расчетные методы оценки абразивного износа / У.А. Икрамов. - М.: Машиностроение, 1987. -288 с.
5. Браун Э.Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах /
Э.Д. Браун. - М.: Машиностроение, 1982. - 191 с.
6. Дубинин О.Д. Теория моделирования / О.Д. Дубинин. - Киев: Наукова думка, 1968. - 48 с.
7. Попов С.Н. Износостойкость наплавленного металла рабочих органов строительно-дорожных машин / С.Н. Попов // Автоматическая сварка. -2000. - №8. - С. 15-20.
8. Попов В.С. Восстановление и повышение износостойкости и срока службы деталей машин / В.С. Попов. - Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2000.-394 с.
9. Решение задач трибоматерилгіоведения на основе системных многокритериальных методов математического анализа износостойкости сталей и сплавов / С.Н. Попов [и др.]. // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). - 2004. - №4. - С. 172-181.
10. Иванов Г.А., Проничева В.Н. Компьютерные программ для решения задач проектирования технологических процессов сварки / Г.А. Иванов, В.Н. Проничева // Сварочное производство. - 2004. - №6. -С. 39-42.
11. Ерофеев В.А. Оптимизация САПР технологии сборочносварочного производства / В.А. Ерофеев // Сварочное производство. -1995.- №4. - С. 19-21.
12. Автоматизация технологической подготовки сборочносварочного производства / Г.А. Иванов [и др.] // Сварочное производство. -2000. - №7. - С. 49-52.
13. Бабкин А.С. САПР технологии сварки и наплавки, интегрированная в АСУ предприятия / А.С. Бабкин, А.А. Костин // Сварочное производство. - 2002. - №10. - С. 27-31.
14. Теория сварочных процессов / К.В. Багрянский [и др.]. - М.: Высшая школа, 1976. - 423 с.
15. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аycтeнлтных сталей и сплавов / Б.И. Медовар. - М.: Машиностроение, 1966. - 286 с.
16. Каховский Н.И. Сварка нержавеющих сталей / Н.И. Каховский. -Киев: Техника, 1968. - 256 с.
17. Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением /
А.И. Акулов, Г.А. Бельчук. - М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.
18. Судник В.А. Программное обеспечение для проектирования прцессов аргонодуговой сварки на базе модели формирования шва/
В.А. Судни, А.С. Рыбаков // САПР и экспертные системы в сварке. -Тула: ТулГУ, 1995. - С. 60-76.
19. Компьютерная имитация формирования шва при ллерно-лучевой сварке с злором / В.А. Судни [и др.] // Сварочное производство.
- 1999. - №8. - С. 9-14.
20. Макаров Э.Л. Компьютерные программы для прогнозирования стойкости сварных соедиений легированных сталей против обрлования холодных трещин / Э.Л. Макаров //Изв. вузов. - 1998. - № 4.- С. 118-122.
21. Расчетный метод оценки стойкости сварных соединени сплавов против обрлования горячих трещин / Э.Л. Макаров [и др.] // Сварочное производство. - 1997. - №11. - С. 13-16.
22. Современные аспекты компьютерного моделирования тепловых, деформационных процессов и структурообразования при сварке и сопутствующих технологиях / С.Н. Киселев [и др.] // Сварочное
производство. - 1998. - №10. - С. 16-24.
Получено 24. 10.08.
УДК 621.791
В.А. Ерофеев, Е.В. Карпухи, Р.В. Логвинов (Тула, ТулГУ)
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФРИКЦИОННОЙ СВАРКИ
Разработана физико-математическая модель фрикционной сварки в виде системы уравнений теплопереноса, движения несжимаемой вярой жидкости и неразрывности среды, в которойрчтено объёмное тепловыделение за счёт внутреннего трения в деформирремом металле, а расположение границы зоны пластических деформаций определяется с счётом кинематического давления, вычисляемого при решении иравнения неразрывности.
Фрикционная сварка (Friction Stir Welding (FSW)) была изобретена и запатентована в 1991 Сварочным Институтом Велиобритании [1]. Этот процесс является разновидностью сварки давлением и характеризуется большой пластической деформацией при температурах, не превышающих температуру плавления материла.
Суть метода FSW состоит в следующем: вращающийся инструмент с центрльным штырем погружается в компоненты металлов, которые будут сварены, после чего начиает перемещаться со скоростью сварки вдоль линии стыка. Начльные работы были сделаны на листах и пластинах из люминиевых сплавов. В настоящее время этот процесс используется на коммерческом производстве, например, в Германи, Япони, США, Скандиавии и Австрлии.
