Математическое моделирование процесса широкослойной плазменной наплавки меди на корпусные конструкции из высокопрочной стали

• Автор: Страхова, Елена Александровна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 120 с. : ил.

1.1 Модели наплавки из фундаментальных законов природы

1.1.1 Физические процессы при плазменной наплавке

1.1.2 Математические модели процессов сварки и наплавки

1.2 Обзор методов численного моделирования

1.3 Современное состояние систем инженерного анализа в

машиностроении

1.3.1 Универсальные программы решения уравнений

математической физики

1.3.2 Специализированные сварочные имитационные программы

Выводы по главе 1

Глава 2 Физикоматематическая модель плазменной наплавки

2.1 Постановка задачи моделирования
2.2 Подмодель нагрева и плавления проволоки
2.3 Подмодель тепловых процессов в стали и наплавляемом слое
2.4 Подмодель формирования поверхности расплава и шва
2.5 Подмодель баланса расплавляемой и кристаллизующейся масс
2.6 Определение показателей качества наплавки
2.7 Общая структура модели
Выводы по главе 2
Глава 3 Численная и программная реализация модели
3.1 Общий подход к численному решению системы уравнений модели наплавки
3.2 Расчетная область и система координат
3.3 Численное решение уравнения плавления проволоки
3.4 Численное решение уравнения теплопроводности
3.5 Численное решение уравнения свободной поверхности расплава
3.6 Структура программного обеспечения для моделирования наплавки
3.7 Проверка адекватности численного решения
3.7.1 Выполнение опытов
3.7.2 Методика оценки соответствия результатов компьютерной имитации эксперименту
Выводы по главе
Глава 4 Вычислительные эксперименты и анализ процесса
4.1 Демонстрационный пример имитации
4.2 Определение зависимостей, связывающих параметры процесса с показателями качества
4.3 Примеры использования разработанного ПО для прикладных исследований
4.3.1 Определение параметров процесса плавления присадочной проволоки
4.3.2 Определение параметров наплавки в установившемся режиме
4.3.3 Определение параметров для старта наплавки
4.3.4 Определение параметров замыкания слоя Выводы по главе
Общие выводы и основные результаты работы Список использованных источников Приложения


I
Введение


Оборудование и технология сварочного производства и направления Машиностроение, магистерская программа Машины и технологии сварочного производства. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и общих выводов по работе, изложенных на 0 листах машинописного текста, содержит рисунков, 8 таблиц и 4 приложения в виде копий экрана и актов об использовании научных результатов. Список литературы включает 5 наименований. Благодарности. Автор диссертационной работы выражает благодарность канд. В.А. Ерофееву, дру техн. Рыбакову, дру техн. Протопопову за содействие и научные консультации при проведении настоящей работы. Современный этап развития машиностроения характеризуется бурным использованием на этапе проектирования изделий информационных технологий, включающих математическое моделирование технологических процессов. Самарский и Михайлов А. Поэтому вначале рассмотрим физические процессы при сварке плавлением и ее родственного процесса плазменной наплавки, а затем методы математического моделирования этих процессов. Некоторые детали и узлы современных машин и аппаратов работают в таких условиях, при которых они должны быть одновременно механически прочными и стойкими при воздействии на них высоких температур, химически агрессивных сред и др. Выполнять такие изделия из одного материала почти невозможно и экономически нецелесообразно. Гораздо выгоднее и проще изготовить деталь, например, из конструкционной стали удовлетворяющей требованиям механической прочности, и покрыть ее поверхность другим более дорогим жаропрочным, износостойким или кислотоупорным сплавом. Наиболее универсальными и совершенными методами нанесения защитных покрытий являются напыление и наплавка плазменной дугой 2, 3. Материал покрытия, специально приготовленный в виде мелкогранулированного порошка или проволоки подается в поток плазменной струи и, нагреваясь или расплавляясь в этом потоке, переносится с ним на обрабатываемое изделие. Одновременно струя плазмы подогревает изделие. На рис. Рис. При плазменной наплавке токоведущей присадочной проволокой дуга горит между катодом плазмотрона и проволокой, являющейся анодом, равномерно подаваемой в пространство между соплом и изделием. При таком способе обеспечивается высокая производительность процесса наплавки при малой глубине проплавления основного металла, однако возможности получения тонкого и равномерного слоя при таком способе наплавки ограничены. Защита наплавляемого слоя от воздействия окружающей среды обеспечивается потоком инертного газа, окружающим дугу и подаваемым в наружное сопло плазмотрона. Сущность способа. Плазма ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части плазменной дуги газ нагрет до температур 0С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах. Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 0 и более раз приводит к истечению плазмы со сверхзвуковыми скоростями. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Г аз, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение. На рис.