Математическое моделирование процесса лазерной сварки прерывистых швов нахлесточного соединения

• Автор: Карпухин, Евгений Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 134 с. : ил

Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса. Постановка задач и цели работы

1.1. Физикоматематическое моделирование

1.2. Методология математического моделирования

1.2.1. Этапы математического моделирования

1.2.2. Классификации математических моделей

1.3. Математическая модель процесса сварки

1.3.1. Модели переноса энергии

1.3.2. Модели источников теплоты

3. Модели деформации поверхности расплава
1.4 Методы решения систем уравнении физикоматематических
моделей
1.4.1. А нал и гические методы
1.4.2. Численные методы
1.4.3. Моделирование сварочных процессов
1.5. Адекватность математических моделей
1.6. Вычислительный эксперимент
1.7. Программы имитации процесса сварки
1. Программы решения уравнений математической физики
1.7.2. Специализированные сварочные имитационные программы
1.8. Использование результата имитации для термомсханическнх расчтов с помошыо конечноэлементных пакетов
выводы но главе I
Глава 2. Разработка математической модели процесса плавления и затвердевания металла при лазерной сварке
2.1. Особенности нестационарного формирования шва
2.2. Феноменологическая постановка задачи процесса лазерной сварки
2.3. Математическая постановка задачи процесса лазерной сварки
2.3.1. Тсн.кшсрслос н тертой и юр.южлдкий фа зах
2.3.2. Топломаосонерсиос о жидкой фа зе
2.3.3. Формирование парогазового капала
II


э г
4Х
Содержание
2.4, Связная постановка задачи
Выводы но главе 2
Глава 3. Численная реализация
3.1. Обоснование выбора метода решения
3.2. Строение области численного решения
3.3 Метод решения и алгоритм
3.3.. Численная реализация уравнения сохранения энергии
3.3.2. Численное решение уравнения равновесия свободных поверхностей
расплава
3.3.3. Численное решение уравнения равновесия парогазового канала
3.3.4. Численное решение уравнений течения расплава сварочной ванны
3.3.5. Численное решение уравнений образования плазмы
3.3.6. Алгоритм решения задачи в связанной постановке
3.4. Термодинамические свойства свариваемых металлов
3.5. Создание имитационной программы
Выводы по главе 3
Глава 4. Адекватность численной имитации
4.1. Сравнение решения стационарной и нестационарной моделей
4.2. Адекватность компьютерной имитации
4.1.1. Методика проверки на адекватность
Выводы по главе 4
Глава 5. Использование результата имитации дли термомеханических
расчтов
5.1. Концепция эквивалентного источника тепла
5.2. Концепция аналитического объмного источника тепла
5.3. Концепция численного эквивалентного источника тепла
5.4. Концепция численного эволюционирующего эквивалентного
источника тепла
Выводы но главе 5
Основные выводы по работе
Содержание
Список использованных источников


Методика передачи эволюционирующей изотермической поверхности расплавленного металла при температуре солидуса апробировалась на конечноэлементном пакете MARC, который применялся также для термомеханических расчетов. Исходными материалами для работы являлись публикации отечественных и зарубежных авторов по математическому моделированию процессов сварки, по численным методам решения системы дифференциальных уравнений и использованию конечно-элементных пакетов для решения термомеханических задач. Стационарная математическая модель процесса лазерной сварки Судника В. А., Ерофеева В. A., Radaj D. Для использования результата моделирования при решении термомеханических задач разработана методика формирования и импортирования в конечно-элементный пакет эквивалентного источника тепла в виде изотермической поверхности объёма расплавленного металла при температуре солидуса, эволюционирующего в ходе переходных процессов при лазерной сварке. Достоверность. Достоверность полученного решения подтверждается соответствием результатов экспериментов и имитационных расчетов на ЭВМ в пределах ±7%. В создании программного обеспечения, которое может быть использовано для прогнозирования качества процесса формирования коротких швов при нестационарной лазерной сварке, для снижения производственных затрат при проектировании технологии, а также в учебных целях. В использовании результата имитации процесса лазерной сварки в виде эволюционирующей изотермической поверхности расплавленного металла при температуре солидуса, для расчёта термомеханического состояния с помощью конечно-элементных пакетов. Разработанная модель может быть применена для анализа процес-( сов лазерной сварки стыковых, тавровых и угловых соединений. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 2-й Всероссийской научно-технической конференции “Компьютерные технологии в соединении материалов” (Тула, г. Stuttgart, г. Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) ‘'Сварка и смежные технологии” (МЭИ, г. Всероссийской научно-технической конференции “Компьютерные технологии в соединении материалов” (Тула. Публикации. Материалы диссертации изложены в 5 публикациях. Реализация. В рамках международного сотрудничества Тульского государственного университета и концерна DaimlerChrysler (Stuttgart, Deutschland) разработано программное обеспечение для компьютерной имитации процесса лазерной сварки прерывистых швов нахлесточных соединений, которое передано для использования на предприятиях концерна. Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, изложенных на 4 листах машинописного текста, содержит рисунков, 9 таблиц и 1 приложение на двух страницах в виде копий экрана. Список литературы включает 0 наименований. Благодарности. Автор диссертационной работы выражает благодарность к. В.А. Ерофееву, к. A.C. Рыбакову, д. A.A. Протопопову, проф. D. Radaj, к. И.В. Дикшеву за содействие и научные консультации в проведении настоящей работы. ГЛАВА 1. Современный уровень развития технологии производства характеризуется превращением научных исследований в важную производительную силу. Особенно большой вклад прикладная наука играет на стадии технологической подготовки производства. Прогресс вычислительной техники позволяет сильно сократить эту стадию не только за счет автоматизации подготовки конструкторской документации, но и обеспечения экспертной поддержки принятия технологических решений. Для создания экспертных систем, прежде всего, необходимы формализованные знания в виде математических моделей технологических процессов. Значительным преимуществом математического моделирования технологических процессов на основе фундаментальных физико-химических законов природы является универсальность результатов такого исследования и возможность их использования в самом широком диапазоне параметров. Подобные задачи моделирования сварочных процессов подробно описаны в учебных пособиях В. А. Судника и В. А. Ерофеева [1,2]. Математическое моделирование на ЭВМ, или вычислительный эксперимент (ВЭ) на компьютере с помощью физико-математической модели (ФММ), позволяет уменьшить объем дорогостоящей экспериментальной отработки проектируемого процесса.