Wspomaganie procesu spawania z wykorzystaniem MES

Transkrypt

1 Wspomaganie procesu spawania z wykorzystaniem MES GRZEGORZ KOKOT ANTONI JOHN JACEK GÓRKA Celem symulacji procesu spawania jest obserwowanie pola temperatury wytwarzanego w czasie spawania oraz napr eƒ resztkowych powsta ych w elemencie spawanym. Uzyskanie takich wyników pozwala okreêliç w asnoêci materia u w strefie spawania, jak równie stan napr enia i odkszta cenia àczonych elementów. Mo liwe jest równie prowadzenie procesu optymalizacji parametrów spawania (pr dkoêç spawania, moc êród a itp.) oraz poszukiwania kszta tu poczàtkowego spawanych elementów, np. blach cienkich, ze wzgl du na odkszta cenia powstajàce po spawaniu (np. spawanie cienkich blach ze wzmocnieniami typu T). Spawanie jest jednym z powszechnie stosowanych procesów àczenia elementów stalowych, jednak e symulacja numeryczna tego procesu, w standardowych systemach wspomagania prac in ynierskich CAE bazujàcych na metodzie elementów skoƒczonych, jest doêç skomplikowana. W wielu wypadkach symulacja taka wymaga tworzenia dodatkowych, specjalizowanych procedur numerycznych dla wprowadzenia specyficznych warunków brzegowych (ruchome êród o ciep a, Êcie ka spawania, zachowanie si materia u, powstawanie elementów w strefie spawania itp.), co znacznie utrudnia zadanie i komplikuje jego przeprowadzenie. Powoduje to, e pe na symulacja procesu spawania z uwzgl dnieniem zagadnienia pól sprz onych (termomechanicznych) jest jednà z trudniejszych do przeprowadzenia. Przeprowadzenie takiej symulacji dostarcza wielu istotnych informacji o samym procesie, jego parametrach, jak równie wp ywie procesu na stan wyt e- Dr in. Grzegorz Kokot i dr hab. in. Antoni John sà pracownikami Katedry Wytrzyma oêci Materia ów i Metod Komputerowych Mechaniki Politechniki Âlàskiej, a dr in. Jacek Górka jest pracownikiem Katedry Spawalnictwa tej uczelni. nia i odkszta cenia powsta ego w elementach po spawaniu. OkreÊlenie napr eƒ resztkowych i odkszta ceƒ w elementach spawanych oraz jakoêci po àczenia pozwala dok adnie okreêliç np. trwa oêç zm czeniowà po àczenia [1], mo e stanowiç dane wejêciowe do dalszych obliczeƒ konstrukcji spawanych. Symulacja taka pozwala równie okreêliç czas przejêcia z temperatury 800 C do 500 C (tzw. czas t8/5), co jest podstawà doboru parametrów spawania, okreêlenia parametrów wytrzyma oêciowych strefy wp ywu ciep a itd. Uzyskane wyniki symulacji mogà stanowiç podstaw procesu optymalizacji parametrów spawania cienkich blach (karoserie samochodów, pokrycia kad ubów samolotów, statków, konstrukcje ramowe). W artykule przedstawiono zaawansowanà symulacj procesu spawania z pe nym uwzgl dnieniem zjawisk termomechanicznych wykonanà w systemie MSC.Marc. Jak dotàd jest to jeden z niewielu systemów CAE umo liwiajàcych przeprowadzenie takiej symulacji w pe nym zakresie. Jako wyniki przedstawiono rozk ady napr eƒ i odkszta ceƒ wybranych elementów spawanych, rozk ady temperatur oraz przebieg wspó czynnika t8/5. Symulacja procesu spawania Spawanie jest procesem termicznym, w którym wyst pujà szczególne warunki brzegowe zwiàzane z wysokà temperaturà, szybkim wprowadzaniem ciep a (energii) do cia a, ruchomym êród em ciep a i okreêlonym przebiegiem ch odzenia. W poprawnie przygotowanym modelu do obliczeƒ metodà elementów skoƒczonych (MES) muszà byç uwzgl dnione wszystkie istotne parametry, co umo liwia uzyskanie odwzorowania rzeczywistego przebiegu procesu. Obecnie tylko w kilku systemach CAE mo liwe jest symulowanie procesu spawania z uwz-

2 gl dnieniem niemal wszystkich szczegó ów. Jednym z nich jest system MSC.Marc. G ówne parametry procesu, takie jak: kszta t êród a ciep a, pr dkoêç spawania, moc spawania, kszta t Êcie ki spawania itd., sà w tym systemie w pe ni modelowane. Wi kszoêç z nich jest modelowana przez parametry okreêlajàce êród o ciep a, spoin oraz Êcie k spawania, a zadanie jest rozwiàzywane jako sprz ony problem termomechaniczny. Przedstawione zostanà sposoby modelowania poszczególnych parametrów i elementów. Wprowadzane ciep o spawania mo e byç modelowane jako: przestrzennie zmienny rozk ad êród a ciep a przy- o ony do materia u spawanego oraz spoiny lub zmienny temperaturowy warunek brzegowy przy o ony do w z ów elementów modelujàcych spoin. èród o spawania (jeziorko spawalnicze) modelowane jest jako eliptyczna powierzchnia (model 2D) lub eliptyczna bry a zgodnie z modelem zaproponowanym przez Pavelica bàdê Goldaka [2]. Bardziej praktyczny jest model Goldaka (1), który mo e byç stosowany zarówno w symulacjach 2D, jak i 3D (rys. 1): gdzie: q f i q r sà sk adowymi ciep a dostarczanego jako obj toêciowe êród o ciep a; Q = ηvi jest mocà spawania; a jest szerokoêcià jeziorka spawania wzd u kierunku X; b jest g bokoêcià wzd u kierunku Y; c f i c r sà odpowiednio odleg oêciami zgodnie z rys. 1; f f i f r sà to wspó czynniki bezwymiarowe [1, 2]. Rys. 1. Przestrzenny model êród a ciep a wg Goldaka [1] Âcie ka spawania modelowana jest jako uporzàdkowana lista w z ów bàdê krzywa geometryczna. Spoina modelowana jest jako dynamicznie powo ywane do ycia elementy w trakcie symulacji i sukcesywne formu owanie odpowiednich warunków brzegowych. Elementy sà tworzone zgodnie z przemieszczajàcym si êród em ciep a. Stosuje si dwa podejêcia: elementy uêpione bàdê nieaktywne. Elementy uêpione spoiny istniejà od poczàtku symulacji, natomiast majà poczàtkowo przeskalowane parametry materia owe, elementy nieaktywne powstajà dopiero w trakcie symulacji, zgodnie z ruchem êród a ciep a. Spoina modelowana jest jako elementy jednorodne ze strukturà bazowà bàdê jako oddzielny obszar przez wykorzystanie warunków kontaktu. W obu przypadkach odpowiednie termiczne warunki brzegowe sà formu owane automatycznie na granicy strefy spoina materia rodzimy. Na szczególne podkreêlenie zas uguje fakt, i w trakcie symulacji wykorzystuje si parametry materia owe (modu Younga, wspó czynnik rozszerzalnoêci cieplnej, ciep o w aêciwe, przewodnoêç cieplna itd.) w funkcji czasu i temperatury. Pozwala to np. uwzgl dniç wzrost przewodnoêci cieplnej dla wysokich temperatur w celu zamodelowania przemian metalu w strefie spawania. Mo liwe jest równie uwzgl dnienie przemian fazowych, jak i scharakteryzowanie odpowiednich temperatur faz przejêcia. Przyk ady Rys. 2. Model dyskretny wraz z warunkami brzegowymi Przyk ad 1 Jako przyk ad symulacji wybrano spawanie technologià MAG dwóch p ytek o wymiarach 300x150x5 mm. P ytki i spoina zosta y zamodelowane 8-w z owym elementem typu Hexa. Model dyskretny przedstawiono na rys. 2. Âredni rozmiar elementu wynosi 1 mm. Spoina jest modelowana z wykorzystaniem elementów nieaktywnych, które powstajà dynamicznie w trakcie symulacji wraz z przemieszczaniem si êród a ciep a. Po àczenie p ytki i spoiny zamodelowano z wykorzystaniem kontaktu. Warunki brzegowe P ytki zosta y utwierdzone w kierunku Y cz Êciowo na dolnej p aszczyênie oraz odebrano stopnie swobody XZ na Êciance bocznej, jak pokazano na rys. 2. We wszystkich w z ach zadano temperatur poczàtkowà 30 C. Warunek przejmowania ciep a jest przy- o ony do wszystkich Êcianek zewn trznych (temperatura otoczenia wynosi 30 C, a wspó czynnik przejmowania ciep a wynosi 0,02 N/mm 2 /sec/ K). Warunki brzegowe zwiàzane wprost z procesem spawania to obj toêciowe êród o ciep a oraz Êcie ka spawania. Obj toêciowe êród o ciep a o odpowiednich wymiarach zadano w obszarze modelujàcym spoin, a Êcie k spawania okreêlono odpowiednià linià prostà. W przyj tym modelu wprowadzenie ciep a do materia u zamodelowano przez zmienne przestrzenne pole temperatury przy o one do w z ów elementów modelujàcych spoin. Temperatur w 47

3 spoinie w trakcie procesu spawania przyj to jako 1500 C, a pr dkoêç spawania jako 1,33 mm/s (parametry dobrane zgodnie z kartà technologicznà). Podstawowe wyniki uzyskiwane w symulacji procesu spawania to stan napr enia, przemieszczeƒ oraz rozk ad temperatury w spawanych elementach. Uzyskane wyniki przedstawiono na rys. 3 i 4. Rys. 3. Rozk ad temperatury po czasie t = 38 s i t = 76 s Rys. 4. Rozk ad napr eƒ zredukowanych po czasie t = 38 s i t = 76 s Jednym z wa niejszych wyników uzyskiwanych w symulacji procesu spawania jest obserwacja wp ywu zachodzàcych zjawisk termicznych na mikrostruktur strefy wp ywu ciep a, co decyduje o parametrach wytrzyma oêciowych tej strefy. Jednym z wa niejszych parametrów okreêlajàcych parametry wytrzyma oêciowe tej strefy jest czas t8/5. Na podstawie wykresu parametru t8/5 mo liwe jest okreêlenie parametrów wytrzyma oêciowych uzyskanych w procesie spawania (rys. 5). Wykres taki mo liwy jest do uzyskania w aênie w trakcie numerycznej symulacji procesu spawania, co daje ogromne mo liwoêci w nowoczesnym projektowaniu po àczeƒ spawanych. Wykres dla przeprowadzonej symulacji przedstawiono na rys. 6. Rys. 5. Parametry wytrzyma oêciowe w funkcji t8/5 [3] Rys. 6. Wykres t8/5 dla wybranego w z a w strefie wp ywu ciep a 48

4 Rys. 7. Model dyskretny po àczenia ko nierzowego Przyk ad 2 Druga symulacja dotyczy spawania po àczenia ko nierzowego (rys. 7). Warunki brzegowe oraz parametry materia owe sà takie same jak w przyk adzie 1. Celem symulacji jest analiza rozk adu temperatur wytwarzanych w procesie oraz rejestracja napr eƒ resztkowych w elementach spawanych po zakoƒczonym procesie spawania. Wyniki przeprowadzonej symulacji w postaci stanu napr enia i rozk adu temperatury przedstawiono na rys. 8 i 9. Przyk ad 3 Jako kolejny przyk ad przeprowadzono symulacj spawania po àczenia blachy z elementem usztywniajàcym w postaci teownika (tzw. po àczenie T). Po àczenia takie sà typowe w konstrukcjach poszyç statków, samolotów, zbiorników itp. Celem symulacji jest obserwacja temperatur, napr eƒ resztkowych i stanu deformacji blach, co w tym wypadku ma du y wp yw na koƒcowà postaç konstrukcji. Przy tego typu po àczeniu (cienka blacha z dwuteownikiem bàdê teownikiem) cz sto wyst pujà zbyt du e deformacje kszta tu blachy po spawaniu, co dyskwalifikuje poszycie w zastosowaniu. Numeryczna symulacja w tym wypadku mo e byç pomocna przy doborze odpowiednich parametrów procesu spawania (pr dkoêci, nat enia pràdu itp.). Rys. 8. Rozk ad temperatury t = 12 s Rys. 10. Model dyskretny po àczenia blachy z ebrem typu T Przyj ty model do obliczeƒ przedstawiono na rys. 10, stan deformacji w trakcie spawania przedstawiono na rys. 11, a stan wyt enia przedstawiono na rys. 12. Podsumowanie Rys. 9. Rozk ad napr eƒ redukowanych t = 12 s Nowoczesne systemy wspomagania prac in ynierskich CAE umo liwiajà symulacj procesu tak skomplikowanego jak spawanie z uwzgl dnieniem zarówno wszystkich istotnych parametrów technologicznych, jak i parametrów materia owych zale nych od temperatury. Pozwala to precyzyjnie symulowaç proces spawania, co z kolei daje olbrzymie mo liwoêci w prawid owym sterowaniu tym procesem przez odpowiedni dobór parametrów. Mo liwe jest równie 49

5 Rys. 11. Deformacja blachy w trakcie spawania okreêlenie szczegó owych parametrów pozwalajàcych uzyskaç z góry za o ony efekt w postaci np. modelowania odpowiednich parametrów wytrzyma oêciowych po àczenia (sterowanie czasem t8/5) bàdê odpowiedniego kszta tu, np. spawanych blach cienkich z u ebrowaniem. Wykorzystywanie tego typu symulacji czy narz dzi w postaci odpowiedniego oprogramowania daje nowe mo liwoêci w projektowaniu i wytwarzaniu coraz doskonalszych konstrukcji. Rys. 12. Rozk ad temperatur w trakcie spawania LITERATURA 1. MSC.Marc Volume A, Theory and User Information, version Goldak J., Chakravarti A. and Bibby M.: A New Finite Element Model for Welding Heat Sources. Metallurgical Transactions B., Volume 15B, June 1984, pp Miku a J., Wojnar L.: Zastosowanie metod analitycznych w ocenie spawalnoêci stali. Fotobit, Kraków 1996.