Моделирование остаточных деформаций в сварных швах с помощью программного комплекса ANSYS | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 6 апреля, печатный экземпляр отправим 10 апреля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №18 (360) апрель 2021 г.

Дата публикации: 01.05.2021

Статья просмотрена: 591 раз

Библиографическое описание:

Хорошавин, М. Ю. Моделирование остаточных деформаций в сварных швах с помощью программного комплекса ANSYS / М. Ю. Хорошавин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 18 (360). — С. 138-143. — URL: https://moluch.ru/archive/360/80651/ (дата обращения: 28.03.2024).



Неравномерный температурный нагрев, возникающий при сварке в элементах конструкции сопровождается появлением в них внутренних напряжений и остаточных деформаций. Прогнозирование и расчёт этих параметров является одной из приоритетных задач, так как это позволит понимать текущее состояние сварного шва, даже после длительного периода времени. В данной работе будет рассмотрена модель, достоверно отображающая распространение температурных полей, напряжений и деформаций в теле свариваемых элементов. Данная задача будет решена с помощью программного комплекса ANSYS.

Ключевые слова: сварные швы, деформации, напряжения, ANSYS, моделирование, сварка.

Процесс сварки сопровождается резким неравномерным нагревом свариваемых элементов. Область металла, попадающая в сварной шов, нагревается, а затем остывает по мере течения времени и распространения тепла в металле. В результате нагрева происходит изменение физических и механических свойств металла, что в свою очередь приводит к увеличению объёма тела во время нагрева. При последующем остывании сварного шва объём элемента уменьшается, что сопровождается линейной усадкой, однако жесткая связь шва с основным телом объекта сопротивляется этому. В результате чего появляются внутренние напряжения, а также продольные и поперечные деформации в свариваемых элементах.

Степень деформации элементов зависит от температуры нагрева и от коэффициента линейного расширения металла. Чем выше коэффициент — тем значительнее деформации.

Сложность моделирования сварных швов заключается в том, что одновременно нужно учитывать большое количество параметров, влияющих на конечный результат и достоверность исследования. В данном случае будет использоваться программный комплекс ANSYS и дополнительный модуль Moving Heat Source. В связке данный программный комплекс позволяет достаточно точно моделировать процесс сварки на всех этапах, включая фазу остывания металла с последующим анализом, появившихся в теле свариваемых объектов, остаточных деформаций.

Данная задача будет решаться в несколько этапов. Первым этапом будет создание модели исследуемого объекта. В качестве моделируемого тела была выбрана двутавровая балка, усиленная пластиной в сжатой зоне металла. Длина балки составляет 1 метр. Сварной шов будет проходить по границе стыка двутавровой балки и накладки по всей длине.

Геометрия, а также характеристики материала исследуемых элементов задаются в блоке программного комплекса — «Geometry».

На следующем этапе решения задачи моделируется воздействие окружающей среды на исследуемый объект. Задаётся постоянная температура в модуле «Transient Thermal», равная 22℃

Заключительным этапом является моделирование подвижного источника тепла, который распределяется по нормальному закону, с максимальным значением в центре. Данный подвижный источник тепла будет имитировать тепловой поток при сварке. Для решения этого этапа задача будет экспортирована в модуль «Transient Structural», где будут проанализированы напряжения, возникшие в элементе в результате неравномерного нагрева и последующего остывания, а также выявлено наличие остаточных деформаций.

В качестве материала для дискретной модели была выбрана углеродистая сталь с модулем упругости 2*10 5 МПа.

Рис. 1. Модель объекта

Заданные характеристика материала балки

Рис. 2. Заданные характеристика материала балки

Граничные условия были приняты как две жесткие заделки с обоих концов балки, приложенные к торцевым граням модели снизу. Исследуемому объекту была задана температура окружающей среды с помощью модуля Convection, равная 22℃.

Выбранный параметр окружающей среды

Рис. 3. Выбранный параметр окружающей среды

Параметры модуля Convection

Рис. 4. Параметры модуля Convection

График зависимости температуры от коэффициента конвекции

Рис. 5. График зависимости температуры от коэффициента конвекции

Далее задача экспортируется в модуль Transient Thermal для задания подвижного теплового потока. Максимальное значение находится в центре сварочной ванны, форма потока имеет конусоидальную форму. Тепловой поток воссоздан с помощью дополнительного расширения для ANSYS — Moving Heat Source. Его характеристики задаются в контекстном меню модуля. Для данного исследования скорость наложения сварного шва была принята 18 м/ч или же 5 мм/сек, а радиус луча был выбран равным 5 мм.

Характеристики теплового потока

Рис. 6. Характеристики теплового потока

После завершения расчета задачи мы можем увидеть температурные поля, возникающие после прохождения теплового потока по поверхности металла.

Распространение температурных полей в теле элемента

Рис. 7. Распространение температурных полей в теле элемента

Анализ полученных данных показывает, что распределение температуры в теле элемента имеет «кометообразную» форму и распространяется вдоль теплового потока.

Программный комплекс также позволяет произвести анализ возникших в теле свариваемых элементов остаточных деформаций и перемещений.

Максимальные перемещения

Рис. 8. Максимальные перемещения

Максимальные остаточные деформации

Рис. 9. Максимальные остаточные деформации

Максимальные перемещения составили 10,3 мм, а остаточные деформации — 11,2 мм.

В ходе проделанного исследования можно сделать следующие выводы:

  1. Полученная компьютерная модель позволяет проанализировать уже существующее или спрогнозировать дальнейшее воздействие сварных швов на элемент.
  2. Появляется возможность оценивать возникшие напряжения и деформации в элементе, а значит возможно создание комплекса решений прогнозирующего опасные остаточные факторы после сварки и их минимизацию.
  3. Возможно определение наиболее оптимального решения для нестандартной задачи, которую было бы тяжело рассчитать «вручную».

Литература:

1. Нургужин М. Р., Даненова Г. Т., Рейтаров О. В., Нурпиисова Г. Д. Компьютерное моделирование влияния механического воздействия на остаточные сварочные напряжения и деформации // Международный журнал экспериментального образования. — 2014. — № 3–1. — С.114–118.

2. Государственный проектный и научно-исследовательский институт (Укркинпроектстальконструкция) Госстроя СССР Пособие по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП II-23–81*).

3. Денисов М. А. Компьютерное проектирование. Ansys // Учебное пособие. Екатеринбург, Издательство Уральского университета 2014.

Основные термины (генерируются автоматически): ANSYS, программный комплекс, сварной шов, тепловой поток, деформация, элемент, окружающая среда, двутавровая балка, максимальное значение, последующее остывание.


Ключевые слова

моделирование, напряжения, деформации, сварка, ANSYS, сварные швы

Похожие статьи

Моделирование сварочных напряжений и деформаций...

Моделирование сварочных напряжений и деформаций в монтажном шве вертикального резервуара с помощью программного комплекса ANSYS.

Ключевые слова: строительство, резервуары, сварочные напряжения, деформации. Сварочные напряжения и деформации...

Применение программного комплекса ANSYS в компьютерном...

ANSYS — это программный комплекс, основанный на методе конечных элементов и предназначенный для автоматизированного

Произвольную сетку в системе ANSYS можно строить из треугольных и четырехугольных плоских элементов, а также тетраэдров...

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical

В статье рассмотрена топологическая оптимизация рычага по массе в программном комплексе ANSYS.

Анализируя результаты расчета, конструкция легче исходной, но максимальные напряжения больше. Стоит отметить, что что максимальные напряжения действуют в том же...

Расчет монтажного стыка клеёных деревянных конструкций...

Программный комплекс ANSYS, являющийся CAE-системой, предназначен для решения

В рамках работы с программным комплексом ANSYS общий порядок решения задачи с

Для проведения численных исследований напряжений и деформаций в запланированном узле, а...

Методика расчета высотных зданий на воздействие ветровой...

В статье автор производит исследование методики расчета высотных зданий на воздействие ветровой нагрузки в программном комплексе Ansys.

Область представляет из себя параллелепипед, окружающее здания.

Конечно-элементный анализ теплового состояния упругих...

Рассматриваются результаты решение в программном комплексе ANSYS тепловой задачи при навивке пружины в ходе малодеформационной термомеханической обработки. Исследовано влияние материала оправки, различных охлаждающих сред и разделительного устройства на...

Расчет напряженно-деформированного состояния рамы навесного...

Расчет выполняли методом конечных элементов при помощи программного комплекса ANSYS.

Рис. 3. Карта деформаций рамы плуга. Проведенные исследования напряженно-деформированного состояния рамы плуга при статическом действии нагрузок позволили...

Оптимизация диска турбины ГТД в упруго-пластичной постановке...

 В статье показано выполнение оптимизация диска турбины ГТД по массе в упруго-пластичной постановке задачи в программном комплексе

Таким образом, снижая массу диска турбины — ее основного элемента при сохранении других ее характеристик в оптимальном диапазоне...

Подход к численному моделированию процесса прессования...

В среде наукоемкого программного комплекса Ansys/Ls-Dyna была разработана численная двумерная модель технологической стадии прямого прессования предварительно нагретых цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава.

Похожие статьи

Моделирование сварочных напряжений и деформаций...

Моделирование сварочных напряжений и деформаций в монтажном шве вертикального резервуара с помощью программного комплекса ANSYS.

Ключевые слова: строительство, резервуары, сварочные напряжения, деформации. Сварочные напряжения и деформации...

Применение программного комплекса ANSYS в компьютерном...

ANSYS — это программный комплекс, основанный на методе конечных элементов и предназначенный для автоматизированного

Произвольную сетку в системе ANSYS можно строить из треугольных и четырехугольных плоских элементов, а также тетраэдров...

Топологическая оптимизация рычага в ANSYS Mechanical

В статье рассмотрена топологическая оптимизация рычага по массе в программном комплексе ANSYS.

Анализируя результаты расчета, конструкция легче исходной, но максимальные напряжения больше. Стоит отметить, что что максимальные напряжения действуют в том же...

Расчет монтажного стыка клеёных деревянных конструкций...

Программный комплекс ANSYS, являющийся CAE-системой, предназначен для решения

В рамках работы с программным комплексом ANSYS общий порядок решения задачи с

Для проведения численных исследований напряжений и деформаций в запланированном узле, а...

Методика расчета высотных зданий на воздействие ветровой...

В статье автор производит исследование методики расчета высотных зданий на воздействие ветровой нагрузки в программном комплексе Ansys.

Область представляет из себя параллелепипед, окружающее здания.

Конечно-элементный анализ теплового состояния упругих...

Рассматриваются результаты решение в программном комплексе ANSYS тепловой задачи при навивке пружины в ходе малодеформационной термомеханической обработки. Исследовано влияние материала оправки, различных охлаждающих сред и разделительного устройства на...

Расчет напряженно-деформированного состояния рамы навесного...

Расчет выполняли методом конечных элементов при помощи программного комплекса ANSYS.

Рис. 3. Карта деформаций рамы плуга. Проведенные исследования напряженно-деформированного состояния рамы плуга при статическом действии нагрузок позволили...

Оптимизация диска турбины ГТД в упруго-пластичной постановке...

 В статье показано выполнение оптимизация диска турбины ГТД по массе в упруго-пластичной постановке задачи в программном комплексе

Таким образом, снижая массу диска турбины — ее основного элемента при сохранении других ее характеристик в оптимальном диапазоне...

Подход к численному моделированию процесса прессования...

В среде наукоемкого программного комплекса Ansys/Ls-Dyna была разработана численная двумерная модель технологической стадии прямого прессования предварительно нагретых цилиндрических заготовок из алюминиевого сплава.

Задать вопрос