НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем машинобудування

ім. А. М. Підгорного

Чернобривко Марина Вікторівна

УДК 539.3

Термопружнопластичне швидкісне деформування циліндричних тіл при їх формоутворенні і з'єднанні

05.02. 09 – динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування

ім. А. М. Підгорного НАН України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Колодяжний Анатолій Вікторович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А. М. Підгорного НАН України,

провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Шупіков Олександр Миколайович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А. М. Підгорного НАН України,

провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент,

Лавінський Володимир Іванович,

Національний технічний університет “ХПІ”,

доцент кафедри опору матеріалів.

Провідна установа - Інститут проблем міцності НАН України,

відділ міцності та руйнування за умов ударного і імпульсного навантаження,

м. Київ.

Захист відбудеться “ 4” квітня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.01 в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України за адресою:

61046, Харків-46, вул. Дм.Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України за адресою:

61046, Харків-46, вул. Дм.Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий “1” березня 2002 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Зайцев Б.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зміна економічного стану в Україні, потреба створення конкурентоспроможних товарів і пошуки свого ринку збуту загострили необхідність в нових ефективних технологіях в галузі машинобудування. Створення прогресивних технологій, в свою чергу, тісно пов'язане з необхідністю математичного моделювання та розробкою нових вдосконалених засобів аналізу технологічних і фізичних процесів. До таких технологій належить процес отримання високоміцних нероз'ємних з'єднань металевих деталей і елементів конструкцій, що об'єднує традиційні технології зварювання вибухом з пайкою високоміцними припоями.

Значний внесок у розвиток методів розрахунку конструкцій під дією динамічного навантаження, а також впливу температурних параметрів на напружено-деформований стан внесли В.К. Борисевич, О.П. Ващенко, А.С. Вольмір, Ю.С. Воробйов, М.П. Галін, Є.Г. Голоскоков, Е.І. Григолюк, А.Д. Коваленко, А.В. Колодяжний, В.Н. Кукуджанов, В. Новацький, П.М. Огібалов, П. Пежина, Г.С. Писаренко, Г.В. Степанов, А.П. Філіпов, В.В. Харченко, Ю.М. Шевченко, О.М. Шупіков та інші.

Експериментальні дослідження процесу зварювання-паяння при вибуховому навантаженні коштовні та трудомісткі, а в деяких випадках без теоретичного обґрунтування неможливі. Математичне моделювання дозволяє отримати вірогідну інформацію про реальну картину деформування і надає можливість вибрати оптимальні параметри технологічного процесу, а також забезпечити зниження матеріалоємкості за рахунок зниження запасу міцності конструкцій і енергозбереження за рахунок використання енергії зіткнення під час пайки.

Коректне врахування впливу швидкості деформації вкрай важливе для надійного визначення напружено-деформованого стану та розрахунків на міцність елементів конструкцій. Завдяки цьому забезпечується підвищення надійності їхнього функціонування в експлуатаційних умовах, поліпшується якість і знижуються витрати матеріалу на виготовлення відповідних виробів, що має істотне народногосподарське значення.

Все це визначає актуальність цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження, які проведені в дисертаційній роботі, виконані у відділі нестаціонарних механічних процесів Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України в період з 1995 по 2000 роки у відповідності з планами науково-дослідних робіт ІПМаш ім. А.М. Підгорного НАН України: б/т 1.7. 2. 173 “Створення методів і технологічних засобів вирішення проблем динамічної міцності та діагностики механічного стану елементів енергетичного обладнання” (1993 - 1996 рр., № Г. Р. 0193V018312); б/т 1.7. 2. 216 “Розвиток наукових основ і засобів аналізу вимірювання динамічного напружено-деформівного стану елементів енергетичного обладнання в жорстких режимах експлуатації” (1997 - 2000 рр., № Г. Р. 0197V008633); пошукова тема 1.7. 2.3 “Комплексна оцінка ресурсу елементів машин” (1998 - 1999 рр.).

Метою дисертаційної роботи є створення теоретичного методу дослідження високошвидкісних термопружнопластичних процесів деформування тіл циліндричної форми під дією імпульсного навантаження та з'єднання циліндричних елементів конструкцій в умовах швидкісної контактної взаємодії задля отримання високоміцних нероз'ємних з'єднань.

Основні задачі дослідження в роботі:–

розробка методу розрахунку одновимірного швидкісного термопружнопластичного деформування елементів конструкцій циліндричної форми під час розширення, а також в умовах контактної ударної взаємодії;–

розробка методу розрахунку циліндрів скінченої довжини під дією імпульсного навантаження в умовах термопружнопластичного деформування;–

розробка методу дослідження процесу зварювання - паяння вибухом;–

розробка алгоритмів та програмного забезпечення для розрахунків задач швидкісного термопружнопластичного деформування елементів конструкцій циліндричної форми при застосуванні одновимірної або двовимірної математичної моделі;–

дослідження напружено-деформівного стану і температурних полів, що виникають в процесі швидкісного термопружнопластичного деформування і зіткнення порожнистих циліндрів скінченої та нескінченої довжини;–

розробка практичних рекомендації щодо вибору раціональних параметрів процесу зварювання - паяння.

Об'єкт дослідження – процес з'єднання елементів конструкцій циліндричної форми під дією імпульсного навантаження.

Предмет дослідження – математичні моделі термопружнопластичого швидкісного деформування порожнистих циліндрів під дією імпульсного навантаження.

Методи дослідження – чисельно-аналітичне моделювання процесів деформування та з'єднання циліндрів під дією імпульсного навантаження на основі застосування аналітичного перетворення Лапласа, скінчено-різницевого методу чисельного розв'язання в поєднанні з ітераційним методом.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступними положеннями:

- розроблено комплекс нових математичних моделей, які забезпечили створення ефективних методів обчислень щодо зварювання-паяння порожнистих циліндрів під дією імпульсного навантаження:

· вперше запропонована математична модель процесу, що поєднує зварювання вибухом з кінематичною пайкою високоміцними припоями;

· дістала подальший розвиток математична модель швидкісного термопружнопластичного деформування тіл циліндричної форми стосовно процесу зварювання вибухом;

- виявлено нові закономірності контактного термопружнопластичного швидкісного деформування коаксіальних циліндрів в умовах адіабатичного процесу;

- вперше аналітично встановлена наявність значного підвищення температури в зоні контактної взаємодії та її зниження в залежності від параметрів процесу створення нероз'ємного з'єднання;

- сформульовано умови ефективного нероз'ємного з'єднання елементів конструкцій циліндричної форми.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в тому, що розроблені математичні моделі і засоби розрахунку температурного поля, алгоритми і програми розрахунку на ЕОМ дозволяють з достатньою надійністю визначити параметри напружено-деформованого стану у процесі зварювання-паяння пучків труб у трубні дошки теплообмінних апаратів, магістральних труб, високоміцних нероз'ємних конструкцій з елементів циліндричної форми. Розроблений метод дає можливість отримувати нероз'ємні конструкції за допомогою швидкісного зіткнення навіть з матеріалів, які електро- і газозварюванням не з'єднуються. Результати досліджень були використанні у ХКБМ ім. А.А. Морозова під час проектування деяких циліндричних елементів самохідних апаратів.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи, основні положення та результати оприлюднено: на XXVIII науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської академії міського господарства, 1996 р., м. Харків; на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні прилади, матеріали і технології технічної діагностики та контролю, що не руйнує промислового обладнання. Елементна база і комплектуючі приладів контролю, що не руйнує промислового обладнання. Підготовка фахівців контролю, що не руйнує промислового обладнання і технічної діагностики”, 1998 р., м. Харків; на IV Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків, 1999р., м. Львів; на Міжнародній науково-технічній конференції "Вдосконалення турбоустановок засобами математичного і фізичного моделювання", 2000 р., м. Харків; на 2-ой Міжнародній науково-технічній конференції "Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві", 2000 р., м. Харків.

Публікації. Результати та висновки, що наведено у дисертаційній роботі, достатньо відображені у 9 друкованих працях: серед них 4 статті у наукових журналах та 5 матеріалів конференцій.

Особистий внесок здобувача: основний зміст дисертації опубліковано в роботах [1-9], список яких наведено наприкінці автореферату. Основні результати за темою дисертації отримані здобувачем самостійно. В роботі [1] здобувачу належать метод та алгоритм розрахунку тонкостінних елементів конструкцій, програмне забезпечення та отримані чисельні результати з пружно-пластичного деформування. В роботах [2 - 4, 7 - 9] здобувачу належать розробка математичних моделей і чисельно-аналітичного засобу дослідження процесів термопружнопластичного деформування елементів конструкцій циліндричної форми, програмне забезпечення та чисельна реалізація методу, узагальнення отриманих результатів. В роботах [5, 6] здобувачу належать метод розрахунків та його програмне забезпечення й чисельна реалізація дослідження швидкісного деформування тонкостінних циліндричних оболонок.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 229 найменувань, 33 рисунків та 1 таблиці . Загальний обсяг роботи складає 140 сторінок.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність проведення дослідження високошвидкісних термопружнопластичних процесів контактного деформування тіл циліндричної форми під час їх з'єднання. Подано загальну характеристику дисертації.

У першому розділі висвітлено сучасний стан проблеми аналізу термопружнопластичного швидкісного контактного деформування циліндричних тіл під дією імпульсного навантаження. Проведено огляд літератури за темою.

Особлива увага приділяється публікаціям, присвяченим аналізу математичних моделей швидкісного термопружнопластичного деформування елементів конструкцій циліндричної форми. Задля вирішення таких задач використовувалися чотири групи методів: розкладення в ряди (тригонометричні й по фундаментальним функціям), метод інтегральних перетворень, варіаційний і скінчено-різницевий. З врахуванням швидкості деформування динамічні задачі пружнопластичності розглядалися в роботах І.Ф. Біргера , О.П. Ващенка, В.В. Вікторова, Ю.С. Воробйова, М.П. Галіна, Є.Г. Голоскокова, В.М. Іонова, А.В. Колодяжного, В.П. Майбороди, Г.В. Степанова, А.П. Філіпова, М.М. Холіна та інших.

Дослідження термопружності та термопластичності проводились у таких напрямках: квазистатичні задачі термопружності пластин і оболонок, квазистатичні просторові задачі термопружності, динамічні та зв'язані задачі термопружності. Основні методи розв'язання динамічної задачі термопружності знайшли своє відображення в трудах Б. Болі и Дж. Уейнера, А.Д. Коваленка, В. Новацького, П.М. Огібалова, Я.С. Підстригача, Г.В. Степанова, В.В. Харченка, Ю.М. Шевченка та інших. В багатьох з цих робот також враховувались пластичні властивості матеріалів.

У випадку незв'язаної задачі термопружності й термопластичності до визначення напружено-деформівного стану тіла необхідно визначити теплове поле. Для цього застосовуються різні аналітичні методи й підходи: розділення змінних, метод джерел і стоків, методи, які використовують інтегральне перетворення Лапласа і скінчене інтегральне перетворення Фур'є. Використовуються також наближені аналітичні і чисельні методи Біо, Конторовича, Бубнова-Гальоркіна, скінчених різниць, скінчених елементів.

Варто виділити ряд досліджень, присвячених технологічному процесу зварювання вибухом А.А. Дерибаса, Л.Д. Добрушина, С. Карпентера, Ю.А. Конона, А.Н. Крівенцова, В.М. Кудіова, Л.Б. Первухіна, В.П. Петушкова, В.С. Седих та інших. Оптимальний вибір конструктивно-технологічних параметрів процесу створення нероз'ємних з'єднань неможливий на основі експериментальних даних, тому що останні дають обмежену інформацію через складності досліджень на високих швидкостях протікання процесу. Аналітичні методи дозволяють оцінити параметри процесу тільки для спрощених моделей. Тому чисельне моделювання доцільне для отримання заглибленого уявлення про високошвидкісне деформування.

Приймаючи до уваги викладене вище, можна зробити наступні висновки: –

для дослідження процесів зварювання-паяння тіл циліндричної форми доцільно використовувати модель нестаціонарної динамічної термоупружнопластичності; –

незважаючи на наявність різноманітних аналітичних і числено-аналітичних методів розв'язання рівняння нестаціонарної теплопровідності найбільш прийнятним , на наш погляд, є метод інтегральних перетворень Лапласа, що дозволяє отримати розв'язання рівняння з різноманітними граничними й початковими умовами; –

для розв'язання рівнянь нестаціонарної динамічної задачі термопружнопластичності з урахуванням отриманих температурних параметрів доцільно використовувати скінчено-різницевий метод; –

дозволено використання спрощених моделей.

Проведений аналіз літературних даних дозволив сформулювати й обґрунтувати задачі дослідження.

У другому розділі розглядається швидкісне термопружнопластичне деформування порожнистих циліндрів нескінченної довжини під дією імпульсного тиску. Задача розглядається в два етапи. На першому досліджується напружено-деформівний стан і температурне поле внутрішнього циліндра, що розширюється до моменту зіткнення з зовнішнім. Другий етап включає термокінетичне дослідження процесу зіткнення. Поставлена задача була розглянута як одномірна, що дало можливість отримати аналітичний розв'язок. Вона дозволила вивчити низку важливих закономірностей стосовно впливу температури на процес швидкісного деформування. Передбачається адіабатичне підвищення температури в результаті розвитку пластичних деформацій. Розглянуто дифузію тепла після зіткнення.

Обидва циліндра вважаємо досить довгими й однорідними. Циліндри розташовані коаксіально, між ними знаходиться шар припою (рис. 1). Товщина внутрішнього циліндра в 2 ё 2,5 рази менша ніж зовнішнього. Шар припою має товщину в 40 разів меншу, ніж внутрішній циліндр. Тому у розрахунках його товщиною зневажаємо. В початковий момент часу внутрішній циліндр перебуває у стані спокою. Далі він навантажується імпульсним тиском R(t), під дією якого і починає деформуватися. Навантаження діє на внутрішню поверхню циліндра меншого діаметру. При пластичному деформуванні виділяється теплова енергія. Коли зовнішня поверхня першого циліндру досягне внутрішньої стінки другого, відбувається зіткнення. Далі рух циліндрів треба розглядати за умови їх сумісного деформування.

Рис.1. Схема розташування циліндрів та шару припою

Система з рівнянь руху циліндрів в полярній системі координат за умови плоскої деформації і урахування сил інерції та температури й теплопровідності має вигляд:

(1)

де – коефіцієнт теплового розширення, – густина матеріалу.

Початкові умови:

(2)

Умови на поверхні циліндра:

(3)

де а і b – внутрішній та зовнішній радіуси першого циліндру, відповідно; Pm – максимальний тиск; – параметр, який характеризує зниження тиску.

Умови нероз'ємного з'єднання у момент зіткнення:

(4)

Після зіткнення температура в зоні контакту значно підвищується в результаті інтенсивного локального пластичного деформування. Для визначення адіабатичного підвищення температури в умовах високошвидкісного деформування матеріалу, аналогічно дослідженням В.В. Харченка, використовується співвідношення:

(5)

де с – питома теплоємність, s (r,t) і e(r,t) – діючі напруження та деформації, f – експериментальний параметр, що визначає частину роботи деформації, яка переходить у теплову енергію, – кінцева деформація.

З урахуванням температурних параметрів отримано залежність (si – ei), яка має вигляд:

(6)

де , – динамічна границя текучості, es – статична границя текучості, - залишкові деформації, - швидкість деформацій,

Розглянуто довгу трубу с внутрішнім діаметром dвнутр. = 0,125 м і зовнішнім – dзовн. = 0,245 м. Матеріал труби - сталь типу ХМЮА. Величина навантаження Рm = 6,8·108 Па, D = 1,38 105 c-1, n = 8,7. Дослідження проводились для точок на звнішній поверхні циліндра до моменту зіткнення.

На рис. 2 наведені графіки інтенсивності напружень. Криві 1 - 3 отримані розрахунковим шляхом: 1 – для пружного-пластичного деформування без урахування швидкості деформацій; 2 – пружно-пластичного й 3 – термопружнопластичного випадків деформування з урахуванням швидкості деформації. Крива 4 отримана А.В. Колодяжним експериментально. Таким чином, врахування температурних параметрів уточнює математичну модель у зоні пластичного деформування.

sі, МПа

t, мкс

Рис. 2. Інтенсивність напружень для різних моделей деформування

Рис. 3 демонструє підвищення температури під час зіткнення. Зона 1 отримана при розрахунках адіабатичного підвищення температури під час пластичного деформування до контакту циліндрів. Значне підвищення температури (відрізок 2) встановлюється аналітично, шляхом математичного моделювання теплового потоку. А зону 3 надає розв'язання рівняння теплопровідності після нероз'ємного з'єднання циліндрів. Подальше зниження температури в зоні контакту циліндрів після зіткнення показано на рис. 4. Крива 1 отримана розрахунковим шляхом за описаним методом. Графіки 2 і 3 отримані А.А. Дерібасом: 2 – експериментально, а 3 – теоретично. Порівняння результатів надає можливість зробити висновок про вірогідність результатів, що отримані розрахунковим шляхом за наведеною методикою.

T0, C

t,мкс

Рис. 3. Підвищення температури

T0, C

t,мкс

Рис. 4. Зниження температури

У третьому розділі запропоновано методику чисельно-аналітичного визначення параметрів напружено-деформівного стану циліндра скінченої довжини в умовах високошвидкісного навантаження (детонаційне навантаження тиском). Надається розв'язання задачі термопружнопластичного деформування циліндра при впливі на його внутрішню поверхню продуктів детонації вибухової речовини. Зв'язок між компонентами тензорів напружень і деформацій при розрахунках використовувався в полілінійній формі. Враховувався вплив швидкості деформування на величину границі текучості матеріалу у степеневому вигляді; залишкових напружень і деформацій, які виникають у циліндрі внаслідок дії пружного розвантаження; адіабатичного підвищення температури внаслідок пластичного деформування.

Задачу досліджуємо на основі рівнянь руху:

(7)

де Т = T(r,z,t) – температура, U = U( ur , uz ) – вектор переміщень, s (r,z,t) і e(r,z,t) – діючі напруження та деформації.

Початкові умови при :

(8)

Граничні умови:

(9)

Навантаження змінюється за законом

, (10)

де – швидкість фронту навантаження.

Система рівнянь (7) з початковими (8) і граничними (9) умовами за допомогою геометричних та фізичних залежностей записується в переміщеннях і розв'язується із застосуванням чисельних методів. Як показала практика, досить точний розв'язок можна отримати, застосовуючи скінчено-різницевий метод, а саме, неявну різницеву схему другого порядку. Вихідне значення кроку інтегрування вибираємо у відповідності з умовою Куранта-Фрідріхса:

(11)

Нев'язка апроксимації різницевими рівняннями не більше ніж Оr 2 +z 2+ ht 2), а нев'язка апроксимації початкових умов - порядку ht. Стійкість схеми обчислень визначаємо шляхом чисельних експериментів.

Розглянуто циліндр із довжиною L = 21·10-2 м, товщиною h = 0,25·10-2 м, зовнішнім та внутрішнім радіусами RH = 4,2·10-2 м і RB= 3,4·10-2 м, відповідно. Матеріал циліндру характеризується такими параметрами: E = 2,1·1011 Па; m ,3; r = ,8·103 кг/м3; es = 1,43·10-3; параметри впливу швидкості деформування D = 396 c-1; n = 7,14. На рис. 5 представлені криві, що відображають залежність швидкості переміщення точки с координатами r = ,15·10-2 м, z = ,5·10-2 м в часі. Криві 1 – 3 відповідають навантаженню Р1 = 1,314·1010 Па, Р2 = 6,57·109 Па, Р3 = 3,28·109 Па, відповідно. На рис. 6 наведено зміну в часі швидкості переміщень при навантаженні Р = 1,314·1010 Па. Товщина циліндру для кривих 1 – 3: h1 = 0,25·10-2 м, h2 =  ,5·10-2 м, h3 = 10-2 м, відповідно.

Рис. 5. Вплив максимального тиску Рис. 6. Вплив товщини циліндра

на швидкість переміщення на швидкість його

зовнішньої стінки циліндра переміщення

Для цього ж циліндра на рис. 7 представлено порівняння експериментальних та теоретичних даних, отриманих при навантаженні Рm = = ,734·108 Па, q = 7,1·10-6 c. Крива 1 відповідає експериментальним даним. Залежність 2 отримана для точки з координатами r = 4,15·10-2 м, z = 10,5·10-2 м розрахунковим методом з урахуванням швидкості деформації та температурних параметрів. Графік 3 відповідає результатам, що отримані без урахування температури, а залежність 4 не враховує вплив швидкості деформації та температури на процес деформування.

Рис. 7. Порівняння результатів розрахунків

Аналіз цих результатів показує, що двовимірна постановка задачі дозволяє отримати потрібну точність розв'язання, апроксимуючи експериментальну криву краще, ніж одновимірна. Окрім цього треба відмітити, що для даного матеріалу (конструкційна сталь Х18Н10Т) важливим є урахування впливу швидкості деформації на динамічні міцнісні характеристики матеріалу.

У четвертому розділі розглянуто процес високошвидкісного термопружнопластичного зіткнення двох коаксіально розташованих циліндрів скінченної довжини (рис. 8). На зовнішню поверхню внутрішнього циліндра нанесено шар припою. Під дією імпульсного навантаження внутрішній циліндр деформується. Цей процес розглянуто у попередньому розділі. Коли радіальне переміщення будь якої точки його зовнішній поверхні досягає відстані між циліндрами, відбувається їх зіткнення. Оскільки імпульсне навантаження (10) поширюється вздовж осі Oz від z = 0 у напрямку зростання координати з постійною швидкістю, то зона контакту також буде пересуватися вздовж циліндра. Швидкість її пересування є близькою до швидкості детонації вибухової речовини. Якщо температура у зоні контакту досягає значення температури плавлення припою (1150 0С), то відбувається процес паяння, а коли температура перевищує 1600 0С й кут зіткнення дорівнює 70...350 – йде процес зварювання, як довели дослідження А.А. Дерібаса та інших авторів. Далі з'єднанні шари вважаємо як ціле, а їх відрив – руйнування конструкції.

Рис. 8. Схема розташування циліндрів і шару припою

Для області, де з'єднання відбулося, задачу досліджуємо за допомогою системи рівнянь руху (7) для обох циліндрів, яку доповнюємо рівнянням для температури:

(12)

де – коефіцієнт температуропроводності.

Початкові умови отримуємо із розв'язку рівнянь руху для внутрішнього циліндра в мить зіткнення.

Умови, що накладені на зону нероз'ємного з'єднання для рівнянь (7) в мить зіткнення такі:

(13)

Граничні умови для рівняння (12) щодо зовнішнього циліндру:

(14)

де – коефіцієнт тепловіддачі, – коефіцієнт теплопровідності, - густина теплового потоку.

Чисельні розрахунки проводяться при застосуванні методів, що викладені у третьому розділі. Задля знаходження компонент вектора переміщення після зіткнення, розкладаємо їх в ряд Тейлора біля .

Розрахунки довели, що в зоні контакту температура, деформації та їх швидкості мають високі рівні. Це підтверджено експериментальними дослідженнями А.А. Дерібаса, І.Д. Захаренко та іншими. Але товщина цієї зони невелика, приблизно до 1 мм. Зміна температури в зоні контакту залежить від параметрів навантаження та матеріалу циліндрів й припою. Таким чином, можна отримати необхідну величину температури при контакті елементів для заданого типу припою.

Викладена методика може бути застосована задля виготовлення теплообмінних апаратів. Теплообмінні апарати можуть бути як із товстостінними (рис. 9а), так і з тонкостінними (рис. 9б) трубними дошками, виходячи з діючого в ньому тиску і відпрацьованої технології або можливостей виробництва .

Для виготовленні теплообмінних апаратів з товстостінними трубними дошками пропонується закріплювати трубки пучка в отворах трубної дошки будь-якого діаметра зварюванням-паянням. Спосіб складається із нанесення на кінці трубок шару високоміцного припою з s = 350…420 МПа, наприклад, Впр  для сталей чи “куніф” для мідних сплавів. На наступному етапі кінці трубок вставляються в отвори трубної дошки із зазором 1,5...3,0 мм і закріплюють зварюванням-паянням за допомогою вибуху. Так утворюється нероз'ємне з'єднання. Експеримент показав значне зростання міцності шва за рахунок застосування припою.

а б

Рис. 9. Трубні дошки.

Сучасна технологія передбачає розвальцовку трубок в отворах тонкостінної трубної дошки та їх зварювання по зовнішньому периметру отворів і трубок. Нова технологія закріплення трубок складається з високотемпературного зварювання-паяння трубок по всій довжині отворів або їх частині. Температура паяння (1150 0С) набагато нижче температури утворення зварювального з'єднання (1600 0С). Завдяки цьому істотно (у 3 – 4 рази) зростає міцність шва та його корозійна стійкість в агресивних середовищах. Таким чином, майже на порядок знижується металоємкість трубної дошки, підвищується її механічна міцність щодо температурних напружень, підвищується корозійна стійкість з'єднань “трубна дошка - трубки” теплообмінного апарата (рис. 10), знижуються енергетичні витрати.

Рис. 10. Фрагмент теплообмінного апарату

основні результати і висновки

Дисертаційна робота присвячена дослідженню високошвидкісних термопружнопластичних процесів контактного деформування тіл циліндричної форми під дією імпульсного навантаження та створенню теоретичних основ нового ефективного методу отримання високоміцних з'єднань елементів конструкцій в умовах швидкісної контактної взаємодії.

Основні теоретичні та практичні висновки, отримані в результаті приведених у дисертації досліджень, можна сформулювати таким чином.

1. Розроблено метод розрахунку одновимірного швидкісного термопружнопластичного деформування елементів конструкцій циліндричної форми під час розширення, а також в умовах контактної ударної взаємодії.

2. Розроблено метод розрахунку циліндрів скінченої довжини під дією імпульсного навантаження в умовах термопружнопластичного деформування.

3. Розроблено метод дослідження процесу зварювання-паяння вибухом. Вперше запропонована математична модель процесу, що поєднує зварювання вибухом з кінематичною пайкою високоміцними припоями; дістала подальший розвиток математична модель швидкісного термопружнопластичного деформування тіл циліндричної форми стосовно процесу зварювання вибухом.

4. Розроблено алгоритми та програмне забезпечення для розрахунків задач швидкісного термопружнопластичного деформування елементів конструкцій циліндричної форми при застосуванні одновимірної або двовимірної математичної моделі.

5. Досліджено напружено-деформівний стан і температурні поля, що виникають в процесі швидкісного термопружнопластичного деформування і зіткнення порожнистих циліндрів скінченої та нескінченої довжини. Виявлено нові закономірності контактного деформування коаксіальних циліндрів в умовах адіабатичного процесу. Вперше аналітично встановлена наявність значного підвищення температури в зоні контактної взаємодії та її зниження в залежності від параметрів процесу створення нероз'ємного з'єднання.

6. Досліджена збіжність запропонованих методів з результатами розрахунків інших авторів, а також з експериментальними даними, що наведені в літературних джерелах та отриманими особисто.

7. Розроблено практичні рекомендації щодо вибору раціональних параметрів процесу зварювання-паяння. Сформульовано умови ефективного нероз'ємного з'єднання елементів конструкцій циліндричної форми.

8. Основні результати, висновки і рекомендації з наданих у роботі досліджень використано у ХКБМ ім. А.А. Морозова під час проектування деяких циліндричних елементів самохідних апаратів.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в працях

1. Колодяжный А.В., Чернобрывко М.В., Ярещенко В.Г. Скоростное деформирование тонкостенных конструктивных элементов. // Вестник ХГПУ. - 1998. - Вып.11. - С.8-13.

2. Колодяжный А.В., Чернобрывко М.В. Термокинетический анализ соударения плоских и цилиндрических слоев. // Проблемы машиностроения.- 1999. - Т.2. - С.78 - 80.

3. Колодяжний А.В., Меша Ю.В., Чернобривко М.В. Термокинетический анализ деформирования цилиндрического слоя конечной длины при осесимметричном импульсном нагружении //Вестник ХГПУ. -Харьков: ХГПУ. - 2000. -Вып.106 - С.16 - 19.

4. Бизюк А.В., Чернобрывко М.В. Анализ высокоскоростного термокинетического деформирования цилиндрических конструкционных элементов при соударении. //Динамика и прочность машин. -Харьков: ХГПУ. - 2000. -Вып.59 - С.18 - 22.

5. Бизюк В.В, Бизюк А.В., Чернобрывко М.В. Оценка несущей способности конструктивных элементов при локальном ударно-импульсном нагружении. // Тез. докл. XXVIII науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников Харьк. академии город. хоз-ва - Х.: ХГАГХ. - 1996 г. - С. 59.

6. Бизюк А.В., Колодяжный А.В., Чернобрывко М.В., Ярещенко В.Г. Оценка вероятности разрушения тонкостенных конструкций в условиях скоростного деформирования – Материалы междуна. конф. “Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования. Элементная база и комплектующие для приборов НК. Подготовка специалистов в сфере неразрушающего контроля и технической диагностики”- Х.: ХГТУРЕ. - 1998 г. - С. 120-124.

7. Колодяжний А.В., Чернобривко М.В. Метод нероз'ємного з'єднання металевих конструкцій // Тез. докл. IV Международного симпозиума украинских инженеров-механиков во Львове – Л.: “Львівська політехніка”. - 1999г. - С. 112.

8. Колодяжный А.В., Чернобрывко М.В., Ярещенко В.Г. Прогрессивные технологии создания теплообменных аппаратов трубчатого типа //Труды международной научно-технической конференции "Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования" - Х.: ИПМаш - 2000 г. - С. 181

9. Колодяжний А.В., Меша Ю.В., Чернобривко М.В. Технология изготовления пучковых теплообменных аппаратов //Вісник Інженерної академії України. -Харків. - 2000. -Інформ. По 2-ій міжнар. наук.- техніч. конференції “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве (1 - 3.11.2000)” - С. 314 - 317.

Анотація

Чернобривко М.В. Термопружнопластичне швидкісне деформування циліндричних тіл при їх формоутворенні і з'єднанні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2001.

В дисертаційній роботі розроблено комплекс нових математичних моделей, які забезпечили створення ефективних розрахункових методів аналізу термопружнопластичного деформування елементів конструкцій циліндричної форми в умовах імпульсного навантаження. Досліджується напружено-деформівний стан і температурний режим з урахуванням великих швидкостей деформування й адіабатичного підвищення температури в результаті пластичного деформування під час формоутворення і з'єднання порожнистих циліндрів.

Розроблено алгоритми і програми розрахунку на ЕОМ практичних задач високошвидкісного деформування і нероз'ємного з'єднання циліндрів нескінченної та скінченої довжини з урахуванням температури та пластичних ефектів. З використанням розробленого методу на основі комплексного підходу, що об'єднує чисельне й інженерне моделювання, вивчений процес зварювання-паяння вибухом.

Ключові слова: швидкісне пружно-пластичне деформування, суміщення операцій, імпульсне навантаження, динамічні властивості міцності матеріалу, формоутворення, зварювання вибухом, кінематична пайка, теплопровідність, тепловий потік, математичне моделювання, міцність.

Abstract

Chernobryvko М.V. Thermoelastoplastic high-speed deformation of cylindrical bodies at their moulding and joint. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of a Candidate of Technical Sciences in the speciality 05.02.09 – dynamics and strength of machines. – The A.N. Podgorny Institute for mechanics engineering problems of UNAS, Kharkov, 2001.

A complex of new mathematical models having allowed to creat a range of efficient methods for constructional cylindrical members deformation analysis in pulse load conditions has been developed. The stressed deformated state and temperature condition taking into account of high-speed deformation and adiabatic temperature raise as a result of plastic deformation at moulding and nondetachable joint of hollow cylinders are being investigated.

The efficient calculation schemes of solving the practical problems concerning the coilision and nondetachable joint of constructional cylindrical members in account of thermoelastoplastic high-speed deformation have been worked out. The process of welding-explosion soldering is investigated on the basis of complex approach combining numerical and engineering modeling.

Key words: high strain rate, combined processing, impulse loading, dynamic strength, metal forming, explosive welding, soldering, heat conduction, computer simulation, strength.

Аннотация

Чернобрывко М.В. Термоупругопластическое скоростное деформирование цилиндрических тел при их формообразовании и соединении. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 – динамика и прочность машин. – Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2001.

В диссертационной работе разработан комплекс новых математических моделей, который позволил создать ряд эффективных методов анализа термоупругопластического деформирования конструкционных элементов цилиндрической формы в условиях импульсного нагружения. Для полых бесконечно длинных и цилиндров конечной длины исследуется напряженно-деформированное состояние и температурный режим с учетом больших скоростей деформирования и адиабатического повышения температуры в результате пластического деформирования при формообразовании и неразъемном соединении. Учитывалась зависимость величины предела текучести от скорости деформирования. Физический закон деформирования аппроксимируется полилинейной зависимостью. Учитывается деформационное упрочнение материала. Предложены математические модели технологического процесса, объединяющего сварку взрывом с кинематический пайкой высокопрочными припоями.

Для случая бесконечно длинного цилиндра изучен ряд закономерностей контактного термоупругопластического скоростного деформирования коаксиальных цилиндров в условиях адиабатического процесса. Принималось во внимание влияние пластического деформирования на изменение температурного поля цилиндра. Изучено влияние скорости перемещения внешней поверхности цилиндра на температуру в зоне ударного взаимодействия.

На основе математической модели скоростного термоупругопластического деформирования коаксиальных цилиндров конечной длины изучены закономерности объединенного технологического процесса сварки-пайки взрывом. Также, разработанные методы дали возможность определять температурные параметры как в зоне контакта конструкционных элементов цилиндрической формы, так и вдали от нее, что представляет значительный интерес для определения параметров неразъемного соединения.

Процесс сварки-пайки эквидистантно расположенных полых цилиндров конечной длины рассмотрен с точки зрения двух этапов. Первый этап включает деформирование внутреннего цилиндра под действием мгновенно приложенной импульсной нагрузки. Определяются динамические и температурные параметры. Второй этап – термокинетическое исследование процесса соударения, анализ поля скоростей и температурного поля. В зоне контактного взаимодействия конструкционных элементов показано наличие температуры, необходимой для плавления высокопрочных припоев.

Разработаны алгоритмы и расчетные схемы решения практических задач неразъемного соединения конструкционных элементов цилиндрической формы с учетом скоростного термоупругопластического деформирования. На основе комплексного подхода, сочетающего численное и инженерное моделирование, предложены теоретические основы технологического процесса сварки-пайки взрывом. Создан комплекс программ для ПЭВМ, позволяющий определять напряженно-деформированное состояние и температурное поле тел цилиндрической формы, соударяющихся в условиях нестационарной динамической задачи термоупругопластичности.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными.

На основе предложенных математических моделей и разработанных методик предложен алгоритм определения параметров сварки-пайки взрывом пучков металлических труб в трубные доски теплообменных аппаратов. Предложенная технология позволяет снизить материалоемкость трубных аппаратов до 80% и трудоемкость производства в 2-3 раза, одновременно снижая энергетические затраты и себестоимость продукции, повышая ремонтопригодность и ресурс трубного аппарата.

Ключевые слова: скоростное упруго-пластическое деформирование, совмещенные операции, импульсное нагружение, динамические свойства прочности материала, формообразование, сварка взрывом, кинематическая пайка, теплопроводность, тепловой поток, математическое моделирование, прочность.

Підп. до друку 21.02.2002 р.

Формат 60x90x1/16. Папір друк. №3.

Умовн. друк. арк. 1.0. Обл.-вид. арк. 0.96.

Тираж 100 прим. Зам № 37.

Ротапринт Інституту проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного

НАН України, 61046, м. Харків, вул. Дм.Пожарського, 2/10