Wspomaganie procesu spawania z wykorzystaniem MES



Podobne dokumenty
Metody wyznaczania w aêciwoêci mechanicznych z àczy w spawanych laserowo wsadach do t oczenia

Instrukcja Laboratoryjna

Metoda MIG/MAG MIG/MAG MAGSTER 161 MAGSTER 201. MAGSTER 250-4x4 MAGSTER 315-4x4

Projekt MES. Wykonali: Lidia Orkowska Mateusz Wróbel Adam Wysocki WBMIZ, MIBM, IMe

Przykład 1.a Ściana wewnętrzna w kondygnacji parteru. Przykład 1.b Ściana zewnętrzna w kondygnacji parteru. Przykład 1.c Ścian zewnętrzna piwnic.

POMPA CIEP A SOLANKA - WODA

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Techniki korekcyjne wykorzystywane w metodzie kinesiotapingu

TECHNOLOGICZNOŚĆ WYPRASEK

Pozostałe procesy przeróbki plastycznej. Dr inż. Paweł Rokicki Politechnika Rzeszowska Katedra Materiałoznawstwa, Bud. C, pok. 204 Tel: (17)

MODELOWANIE ZA POMOCĄ MES Analiza statyczna ustrojów powierzchniowych

Brama typu ALU to typowa brama przemys owa o maksymalnym przeszkleniu

Metody wyceny zasobów, źródła informacji o kosztach jednostkowych

Wybrane zagadnienia z crash testu samochodu osobowego

ODPOWIEDŹ. Na uwagi Pana dr hab. inż. Piotra Niesłonego, prof. nadzw. PO z dnia r. zamieszczone w recenzji rozprawy doktorskiej pt.

2.Prawo zachowania masy

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Przedmowa Czêœæ pierwsza. Podstawy frontalnych automatów komórkowych... 11

ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA MES ZŁAMANIA SZYJKI KOŚCI UDOWEJ STABILIZOWANEJ GWOŹDZIEM ŚRÓDSZPIKOWYM TYPU GAMMA

WZORU UŻYTKOWEGO EGZEMPLARZ ARCHIWALNY. d2)opis OCHRONNY. (19) PL (n) Centralny Instytut Ochrony Pracy, Warszawa, PL

SZCZEGÓŁOWY OPIS PRZEDMIOTU ZAMÓWIENIA

Standardowe tolerancje wymiarowe

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji

Wyznaczenie sprawności grzejnika elektrycznego i ciepła właściwego cieczy za pomocą kalorymetru z grzejnikiem elektrycznym

PORÓWNANIE WYNIKÓW ANALIZY MES Z WYNIKAMI POMIARÓW TENSOMETRYCZNYCH DEFORMACJI KÓŁ KOLEJOWYCH ZESTAWÓW KOŁOWYCH

MASZYNY ELEKTRYCZNE WOKÓŁ NAS Zastosowanie, budowa, modelowanie, charakterystyki, projektowanie

Dziennik Ustaw Nr Poz. 2181

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

INSTRUKCJA MONTAśU. Tunelu rozsączającego (PP) 300 litrów

SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESU CIĘCIA CIENKICH BLACH NA GILOTYNIE

Tester pilotów 315/433/868 MHz

Moduł. Rama 2D suplement do wersji Konstruktora 4.6

Zakres tematyczny. Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD / dr inż. Maciej Motyka

Automatyczne Systemy Infuzyjne

Moduł 2/3 Projekt procesu technologicznego obróbki przedmiotu typu bryła obrotowa

REGULAMIN ZADANIA KONKURENCJI CASE STUDY V OGOLNOPOLSKIEGO KONKURSU BEST EGINEERING COMPETITION 2011

Program doskonalenia zawodowego nauczycieli szkół zawodowych

WENTYLACJA + KLIMATYZACJA KRAKÓW NAWIEWNIKI WIROWE ELEMENTY WYPOSAŻENIA INSTALACJI WENTYLACJI I KLIMATYZACJI

Elektryczne ogrzewanie podłogowe fakty i mity

Gruntowy wymiennik ciepła PROVENT- GEO

Temat: Co to jest optymalizacja? Maksymalizacja objętości naczynia prostopadłościennego za pomocą arkusza kalkulacyjngo.

8. Zginanie ukośne. 8.1 Podstawowe wiadomości

Ćwiczenie: "Ruch harmoniczny i fale"

Prezentacja Systemu PDR

1. Wstêp Charakterystyka linii napowietrznych... 20

Dziennik Ustaw Nr Poz i 1611

Księga znaku. Spis treści:

Pomiar prędkości dźwięku w metalach

HP, HS dwu- i trójdrogowe zawory z si ownikami

KLASYFIKACJI I BUDOWY STATKÓW MORSKICH

Lekcja 173, 174. Temat: Silniki indukcyjne i pierścieniowe.

PROJEKT WYKONAWCZY BRANŻA OBIEKTY INŻYNIERSKIE

ROZPORZÑDZENIE MINISTRA ÂRODOWISKA 1) z dnia 19 listopada 2008 r.

Udoskonalona wentylacja komory suszenia

Geomagic Design X jest najbardziej wszechstronnym oprogramowaniem, które umożliwia:

tel/fax lub NIP Regon

Instalacja. Zawartość. Wyszukiwarka. Instalacja Konfiguracja Uruchomienie i praca z raportem Metody wyszukiwania...

A. Pytania kierunkowe Katedra Budowy, Eksploatacji Pojazdów i Maszyn

WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji. Laboratorium Obróbki ubytkowej materiałów.

Studenckie Koło Naukowe Drogowiec

Podstawa programowa kształcenia ogólnego informatyki w gimnazjum

Strategia rozwoju sieci dróg rowerowych w Łodzi w latach

Smart Beta Święty Graal indeksów giełdowych?

PREFABRYKOWANE STUDNIE OPUSZCZANE Z ŻELBETU ŚREDNICACH NOMINALNYCH DN1500, DN2000, DN2500, DN3200 wg EN 1917 i DIN V

D FREZOWANIE NAWIERZCHNI ASFALTOWYCH NA ZIMNO 1. WST P MATERIA Y SPRZ T TRANSPORT WYKONANIE ROBÓT...

REGULAMIN REALIZACJI PROJEKTÓW EDUKACYJNYCH. W GIMNAZJUM NR 1 im. WISŁAWY SZYMBORSKIEJ W RACIBORZU

ROZPORZÑDZENIE MINISTRA PRACY I POLITYKI SPO ECZNEJ 1) z dnia 29 listopada 2002 r.

Ćwiczenie 11 - Analiza wytrzymałościowa modeli bryłowych

Badanie silnika asynchronicznego jednofazowego

Badania (PN-EN A1:2010) i opinia techniczna drzwi zewnętrznych z kształtowników aluminiowych z przekładką termiczną systemu BLYWEERT TRITON

2.1 INFORMACJE OGÓLNE O SERII NX

LABORATORIUM TECHNOLOGII NAPRAW WERYFIKACJA TULEJI CYLINDROWYCH SILNIKA SPALINOWEGO

7. REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

OZNACZANIE WAPNIA I MAGNEZU W PRÓBCE WINA METODĄ ATOMOWEJ SPEKTROMETRII ABSORPCYJNEJ Z ATOMIZACJA W PŁOMIENIU

Zagospodarowanie magazynu

Część II.A. Informacje o studiach podyplomowych ANALIZA DANYCH METODY, NARZĘDZIA, PRAKTYKA (nazwa studiów podyplomowych)

WYZNACZANIE PRZYSPIESZENIA ZIEMSKIEGO ZA POMOCĄ WAHADŁA REWERSYJNEGO I MATEMATYCZNEGO

Ć W I C Z E N I E N R C-6

WZORU UŻYTKOWEGO PL Y1. PRZEDSIĘBIORSTWO BRANŻOWE GAZOWNIA SERWIS SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Warszawa, PL

WZÓR PORÓWNANIA OFERT DLA PRZYKŁADOWYCH BANKÓW

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

INSTRUKCJA OBSŁUGI ORAZ MONTAŻU PANELOWY PROMIENNIK ELEKTRYCZNY. typu REL

Sprawozdanie z działalności Rady Nadzorczej TESGAS S.A. w 2008 roku.

DRGANIA MECHANICZNE. materiały uzupełniające do ćwiczeń. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie

PROJEKT TECHNICZNY POJEMNIKA NA ŚMIECI Z ZABEZPIECZENIAMI PRZECIW NIEDŹWIEDZIOM W RAMACH PROJEKTU NR POIS /10

Nowoczesne systemy regulacji wydajności spręŝarek chłodniczych: tłokowych, śrubowych i spiralnych. Część 1. Autor: Marek Kwiatkowski

Obróbka cieplna stali

Hydromechaniczne kszta towanie wsadów spawanych laserem fizyczne i numeryczne modelowanie procesu *)

SYSTEM SMAROWANIA LUBETOOL

Harmonogramowanie projektów Zarządzanie czasem

ANALOGOWE UKŁADY SCALONE

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. ZADANIE TEORETYCZNE 2 CHŁODZENIE LASEROWE I MELASA OPTYCZNA

1) Minister Ârodowiska kieruje dzia em administracji rzàdowej

Temat: Rodzaje połączeń mechanicznych

Samozamykacz z krzywkå. DORMA TS 90 Impulse

ROZPORZÑDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY 1) z dnia 20 lipca 2004 r. w sprawie wymagaƒ dla làdowisk

Szybkoschładzarki SZYBKOSCHŁADZARKI. Szybkoschładzarki z funkcją 50 szybkozamrażania

2. Deformacje odrzwi stalowej obudowy podatnej pod wpływem deformacyjnego ciśnienia górotworu w świetle przeprowadzonych pomiarów i obserwacji

Transkrypt:

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-

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

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

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

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 2005. 2. Goldak J., Chakravarti A. and Bibby M.: A New Finite Element Model for Welding Heat Sources. Metallurgical Transactions B., Volume 15B, June 1984, pp. 299 305. 3. Miku a J., Wojnar L.: Zastosowanie metod analitycznych w ocenie spawalnoêci stali. Fotobit, Kraków 1996.