НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК .791

ЛАБАРТКАВА АНДРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

РОЗРОБКА ОСНОВНИХ ПРИНЦИПІВ РАЦІОНАЛЬНОГО КОНСТРУЮВАННЯ ПАЯНИХ ВУЗЛІВ З РІЗНОРІДНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛІВ ВЛАСНИХ НАПРУЖЕНЬ

Спеціальність 05.03.06 – “Зварювання та споріднені технології”

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі зварювального виробництва Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Прохоренко Володимир Михайлович, Національний технічний університет України "КПІ", завідувач кафедри зварювального виробництва.

Офіційні опоненти:–

академік НАН України, доктор технічних наук, професор Махненко Володимир Іванович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона Національної академії наук України, керівник відділу математичних методів дослідження фізико-хімічних процесів при зварюванні і спецелектрометалургії;–

кандидат технічних наук, доцент Лащенко Георгій Іванович ВАТ “Український конструкторсько технологічний інститут зварювального виробництва” заступник генерального директора по наукової роботі.

Провідна установа: Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Захист відбудеться 21.06.2004р. о 15 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .002.15 при Національному технічному університеті України "КПІ" Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, м.Київ-56, пр. Перемоги , корп. , ауд.435

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ "КПІ".

Автореферат розісланий 20.05.2004

Вчений секретар

спеціалізованої ради Головко Л.Ф.

загальна ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності виробництва, якості, надійності та експлуатаційних властивостей конструкцій є актуальним у сучасних умовах розвитку науки і техніки. Застосування різнорідних матеріалів у конструкціях енергетичного машинобудування дозволяє підвищити надійність і експлуатаційні характеристики виробів при вирішенні науково-технічних задач. При цьому найбільш ефективним і поширеним способом з'єднання різнорідних матеріалів є паяння.

При паянні вузлів зі сполученням матеріалів і сплавів різних за фізико-хімічними і фізико-механічними властивостями головною проблемою вважається забезпечення працездатності їх з'єднань. Незважаючи на численні дослідження вітчизняних і закордонних спеціалістів, присвячені з'єднанню різнорідних матеріалів, багато наукових і прикладних задач дотепер залишаються маловивченими і вимагають вирішення. Зокрема, в технічній літературі дуже обмежена кількість робіт, присвячених дослідженням впливу фізико-механічних властивостей матеріалів, геометричних характеристик конструкції на утворення і розподіл власних напружень і деформацій в паяних вузлах. Відсутні експериментально підтверджені методики розрахунку, які дозволяли б на стадії проектування визначити величину і характер розподілу напружень та деформацій у складних вузлах. Немає чітких рекомендацій з раціонального конструктивного оформлення вузлів з різнорідних матеріалів. Через зазначені причини науково-технічна задача розробки основних принципів раціонального конструювання вузлів з різнорідних матеріалів є актуальною. Її вирішення дозволило б проектувати оптимальні конструкції без проведення великої кількості матеріаломістких експериментів.

Робота присвячена розвитку наукових уявлень про вплив фізико-механічних і геометричних характеристик на утворення власних напружень і деформацій при виготовленні паяних конструкцій з різнорідних матеріалів і розробці основних принципів раціонального конструювання таких вузлів. Основна частина досліджень стосується виготовлення МГД-вузлів енергетичних установок з різнорідних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в межах держбюджетних науково-дослідних робіт за замовленням Міністерства освіти і науки України № ДР-0100U003108 “Дослідження взаємодії елементів і фаз у складних металічних системах та з газовим середовищем стосовно зварювання і споріднених процесів, а також закономірностей виникнення власних напружень з урахуванням пружного-пластичного стану різнорідних з'єднань” (1999–2001 р), № ДР-0102U005200 “Наукові основи технології з’єднання жароміцних, туготопких, керамічних і композиційних матеріалів стосовно газових турбін та енергетичних пристроїв спеціального призначення” розпочата у 2002 році.

Мета і задачі роботи.

Метою дослідження є розробка комплексу конструктивно-технологічних рішень оптимального оформлення вузлів з різнорідних матеріалів, що забезпечують необхідний рівень службових властивостей і працездатність паяних з'єднань.

Об'єктом дослідження є паяні з’єднання з різнорідних матеріалів .

Предметом дослідження є вплив конструктивних та фізико-механічних факторів на поля власних напружень та деформацій.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

- розроблено методику розрахунку полів власних напружень і деформацій у паяних конструкціях з різнорідних матеріалів з урахуванням фізико-механічних і геометричних характеристик деталей, що з'єднуються;

- експериментально перевірена методика розрахунку власних напружень і деформацій у паяних конструкціях з різнорідних матеріалів та проведено порівняння експериментальних і теоретичних значень;

- досліджено вплив фізико-механічних, геометричних і конструктивних факторів на рівень власних напружень і деформацій у паяних конструкціях з різнорідних матеріалів;

- досліджено вплив пластичних деформацій на рівень максимальних напружень в паяних вузлах з різнорідних матеріалів;

- розроблено основні принципи раціонального проектування вузлів з різнорідних матеріалів;

- оптимизована конструкція МГД-вузла енергетичної установки з ніобієвого сплаву і композиційної міді та ущільнення газотурбінного двигуна з корозійнотривкої сталі та композиційного матеріалу.

Наукова новизна. Встановлено, що в двох- і тришарових з'єднаннях різнорідних матеріалів у загальному випадку можна виділити дві зони. Перша зона знаходиться безпосередньо біля торців з'єднання, де напруження досягають максимуму і компоненти тензора мають порівнянні значення (x  y, xy  ,6x), а поперечні перерізи помітно викривляються. Друга зона знаходиться в районі поперечної осі симетрії з'єднання, де напруження y і xy майже відсутні, а напруження x можуть бути визначені на підставі гіпотези плоских перетинів.

На рівень максимальних напружень у двошарових паяних з'єднаннях з різнорідних матеріалів (Me+Si, Cu+Nb та ін.) впливає сполучення коефіцієнтів температурного розширення (КТР) та модулів пружності матеріалів. Встановлено, що зниження у двошаровому з'єднанні модуля пружності одного з матеріалів в 2 рази знижує рівень нормальних напружень на 20…40%, а дотичних на 30%. Співвідношення довжини s висоти впливає тільки на розподіл напружень, при цьому рівень максимальних напружень не змінюється.

У тришарових з'єднаннях рівень максимальних напружень можне зменшити за рахунок корегування відносної товщини і модуля пружності проміжного прошарку. Встановлено, що використання проміжного прошарку товщиною 0,2 від товщини матеріалів, що з’єднуються, рівень нормальних напружень знижується на 18%, дотичних – на 45%, а зменшення модуля пружності проміжного прошарку до 0,3 від модуля основного матеріалу, знижує рівень нормальних і дотичних напружень на 15…20%

Практична цінність результатів. Розроблено програму розрахунку, що дозволяє визначати напружений і деформаційний стан вузлів з різнорідних матеріалів на стадії проектування. Запропоновано рекомендації з оптимального конструювання вузлів з різнорідних матеріалів. Досліджено напружений стан і встановлена причина зміни геометрії МГД-вузла з дисперсно-зміцненої міді і ніобієвого сплаву. Запропоновано оптимальну конструкцію вузла МГД-пристрою, що дозволяє виключити зміну форми вузла. Результати досліджень застосовуються на Державному підприємстві науково-виробничому комплексі газотурбобудування "Зоря-Машпроект" при проектування ущільнень газотурбінних двигунів.

Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова при виконанні дипломних проектів, лабораторних занять курсів "Міцність зварних з’єднань" та "Напруження та деформації при зварюванні" і науково-дослідних робіт студентів.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних особисто автором. Розроблено програму розрахунку полів напружень і деформацій з урахуванням пластичних деформацій стосовно вузлів з різнорідних матеріалів. Виконано експериментальну перевірку програмі розрахунку напружно-деформованого стану на модельному зразку. Визначені залежності рівня максимальних напружень від фізико-механічних і геометричних факторів з'єднуємих матеріалів. Встановлено вплив пластичних деформацій на рівень максимальних напружень у двох- і тришарових з'єднаннях. Разом зі співробітниками автором виконана оптимізація МГД-вузла і виготовлено дослідний модельний зразок.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях “Нові науково-технічні досягнення в галузі зварювання та споріднених технологій”, 23–29 ноября 1999 г., г. Николаев; “Кораблебудування: освіта, наука, виробництво”, 24-25 сентября 2002 г г. Николаев; “Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах”, 16–20 сентября 2002 г. г. Кацивели, Крым; II Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів „Зварювання та суміжні технології”, 25–27 червня 2003 р. м.Київ; международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых научных работников "Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства", 28–31 октября 2003 г. г.Николаев; науково-технічної раді УДМТУ.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 наукових праць, серед них 3 в провідних фахових виданнях.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти глав, висновку, списку використаних джерел з 118 найменувань і додатків. Загальний обсяг роботи – 225 стор, основний зміст викладено на 149 сторінках машинописного тексту. Робота містить 7 таблиць і 125 ілюстрацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета і задачі роботи, показані наукова новизна і практична значимість роботи.

В першому розділі відбито загальний стан питання створення вузлів зі сполученням різнорідних матеріалів, таких як кераміка, графіт, тугоплавкі метали і сплави та ін. Розглянуто основні проблеми, що виникають при виготовленні таких вузлів і обумовлені властивостями матеріалів. Суттєве розходження фізико-хімічних властивостей конструкційних матеріалів обумовлює переважне технологій паяння для їх з'єднання. Розходження фізико-хімічних і фізико-механічних властивостей матеріалів, що з'єднуються, приводить до виникнення при паянні власних напружень і деформацій, що в багатьох випадках зв'язано з утворенням неприпустимих дефектів або руйнуванням конструкцій.

Наведено огляд технічної і патентної літератури що до технологій паяння і конструктивному оформленню вузлів з різнорідних матеріалів. Розглянуто існуючи методи розрахунку власних напружень і деформацій. Доведено, що для моделювання полів напружень і деформацій перспективним є застосування чисельних методів, зокрема, методу кінцевих елементів (МКЕ).

З літературних даних відомо, що рівень і характер розподілу власних напружень і деформацій залежать від багатьох факторів: коефіцієнтів температурного розширення, модуля пружності матеріалів, геометрії вузла. Роль різних факторів у літературі оцінюється неоднозначно.

Для зниження рівня власних напружень застосовуються різні конструктивно-технологічні засоби. Вибір конкретного засобу для зниження рівня власних напружень визначається матеріалами, що використовуються, геометрією вузла та іншими умовами.

На підставі аналізу матеріалів глави визначені задачі експериментальних досліджень, моделювання полів власних напружень і деформацій, розрахунків впливу конструктивних факторів і розробки основних принципів конструювання вузлів з різнорідних матеріалів.

Другий розділ присвячений розробці методики експериментального дослідження напружно-деформованого стану (НДС) паяних вузлів з різнорідних матеріалів. Наведені про властивості досліджуваних матеріалів, викладена методика експериментального дослідження НДС. Розглянуто різновиди похибок експериментальних досліджень.

Рис.1 Ескіз зразка | Експериментальні дослідження НДС проводилися з застосуванням методів спекл-інтерферометрії та відновлення опорної хвилі, на спеціально виготовленому модельному зразку (рис.1), типу тришарового паяного бруса.

Як джерело когерентного випромінювання використовувався гелій-неоновий лазер ЛГН-215 потужністю 50 мвт та довжиною хвилі =0,6328 мкм. Рівномірне нагрівання зразка здійснювалося нагрівальним елементом спеціальної конструкції. Температура контролювалася терморезистором. Голограми фотографувалися за допомогою фотоапарату “Зеніт ЕТ”.

Третій розділ присвячен розробці методу розрахунку НДС при паянні різнорідних матеріалів. Визначено початкові і граничні умови необхідні для розрахунку НДС.

МКЕ ґрунтується на представленні конструкції як сукупності геометрично визначених окремих кінцевих елементів, з'єднаних між собою у вузлових точках. У цих точках прикладаються деякі фіктивні зусилля взаємодії, що характеризують дію розподілених внутрішніх напружень, прикладених уздовж реальних меж стикання суміжних елементів. Таким чином, задача зводиться до розрахунку пружної системи з кінцевим числом ступенів свободи. У розрахунках прийнято, що матеріали однорідні, ізотропні, лінійно-пружні і фізико-механічні властивості не залежать від температури.

Виходячи із сутності МКЕ розроблено алгоритм і складена програма розрахунку НДС паяних вузлів з різнорідних матеріалів. Порівняння результатів розрахунку з експериментальними показало їх добру кореляцію, середня розбіжність не перевищувала 10% (рис.2, лініями показані розрахункові дані, крапками експериментальні).

а

Рис. 2 Епюри переміщень: а – Ux, б – Uy

В четвертому розділі приведені результати моделювання полів власних напружень і деформацій паяних вузлів з різнорідних матеріалів.

Аналіз результатів моделювання полів напружень двох і тришарових з'єднань показує, що в загальному випадку можна виділити дві зони. У першій зоні, безпосередньо біля торців, поля напружень мають складний характер і компоненти тензора напружень x, y, xy мають порівнянні значення максимальних величин (x  y, xy  ,6x). Напруження в другій зоні, в районі поперечної осі симетрії з'єднання, досить точно розраховуються формулами, заснованими на гіпотезі плоских перетинів. В залежності від довжини цих зон з'єднання можна умовно розділити на короткі (L=B), довгі, витягнуті уздовж границі розділу (L>B), і високі, витягнуті впоперек границі розділу (L<B). У коротких і високих з'єднаннях друга зона практично відсутня.

Розглянуто особливості впливу фізико-механічних і геометричних факторів на поля напружень у двошарових з'єднаннях. На підставі аналізу НДС встановлено, що зменшення висоти або модуля пружності одного із шарів приводить до зниження рівня максимальних напружень на 20...40%.

На підставі аналізу результатів впливу товщини і модуля пружності проміжного прошарку на рівень максимальних напружень у тришарових з'єднаннях встановлено, що збільшення товщини прошарку приводить до зниження у всьому з'єднанні рівня максимальних нормальних напружень на 25...30%, а дотичних до 50%. Застосування проміжних прошарків з модулем пружності, що дорівнює 0,1…0,2 від модуля пружності основного матеріалу, знижує рівень максимальних напружень на 25…30%

Визначено вплив пластичних деформацій на розподіл і рівень максимальних напружень. Для оцінки впливу пластичних деформацій введені поняття "відносної пружності матеріалу" – відношення границі текучості матеріалу до максимальних напружень у ньому, обумовленим пружним рішенням, і коефіцієнту впливу пластичних деформацій – відношення максимальних напружень з урахуванням пластичних деформацій до напружень при пружному рішенні. Спочатку пластичні деформації з'являються в зоні з'єднання, де зосереджені великі дотичні txy і нормальні sx напруження. Помітний вплив пластичних деформацій на рівень максимальних напружень спостерігається при значеннях e нижче 0,9…1,0.

Аналіз результатів впливу фізико-механічних і геометричних факторів на розподіл та рівень максимальних напружень дозволив сформулювати основні вимоги до конструктивного оформлення паяних вузлів з різнорідних матеріалів:–

до поверхні матеріалу з меншим КТР варто висувати підвищені вимоги до якості поверхні, відсутності на ній дефектів і конструктивних концентраторів напружень;–

у двошарових з'єднаннях слід прагнути до зменшення товщини і модуля пружності одного з матеріалів;–

у з'єднаннях із проміжним прошарком рівень максимальних напружень можна знизити, збільшуючи відносну товщину прошарку, або зменшуючи її модуль пружності.–

при застосуванні пластичних матеріалів варто враховувати вплив пластичних деформацій на рівень максимальних напружень.

П'ята глава присвячена вивченню НДС МГД-вузла і ущільнення газотурбінного двигуна.

Приведено розрахунок напруженого стану МГД-вузла, що включає різнопрофільні елементи з різнорідних матеріалів. На підставі аналізу результатів розрахунків і експериментальним шляхом показано, що під дією напружень, що виникають при охолодженні вузла після пайки, відбувається неприпустима деформація тонкостінного каналу. Для зниження рівня залишкових напружень запропоновано вдосконалення зміна конструкції МГД-вузла шляхом армування струмопідвідів додатковими компенсуючими елементами, з матеріалів з низьким КТР. На підставі аналізу впливу висоти компенсуючого елемента, на рівень максимальних напружень встановлена його оптимальна висота, яка повинна знаходиться в межах 9…11 мм. Застосування компенсатора висотою 10 мм дозволило знизити напруження в тонкостінному каналі до рівня менше критичних і звести до мінімуму деформації втрати стійкості (рис.3).

Проведений аналіз НДС ущільнення газотурбінного двигуна зі сталі 12Х18Н10Т та сплаву Х18Н72В5-МП дозволив визначити оптимальні розміри складових елементів вузла (рис.4). Цей захід збільшив кількість придатних до експлуатації паяних вузлів на 30відсотків.

Рис.3 Зовнішній вигляд вузла МГД–пристрою. |

Рис.4 Ущільнення газотурбінного двигуна

Результати аналізу напруженого стану і озимизовані конструкції ущільнень газотурбінних двигунів використовуються на державному підприємстві "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування „Зоря-Машпроект”.

У висновку підведені підсумки дисертаційної роботи, перераховані основні результати.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дано рішення актуальної наукової задачі, що полягає в розробці рекомендацій для паяння вузлів з різнорідних матеріалів на основі результатів дослідження впливу фізико-механічних і геометричних факторів на величину власних напружень. Виконані дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. Основні проблеми, при з'єднанні паянням різнорідних матеріалів, обумовлені значних розходженням фізико-хімічних і фізико-механічних властивостей матеріалів, що з'єднуються. Більшість друкованих робіт присвячена вирішенню проблеми одержання якісного з'єднання, але рівень власних напружень і деформацій, що виникають в таких з'єднаннях, ускладнюють одержання якісних натурних вузлів.

2. Відомі розрахункові методи, засновані на гіпотезі плоских перетинів і методах теорії пружності, дозволяють оцінити НДС вузла тільки в окремих випадках і не завжди з необхідною точністю. Чисельні методи дають більш повну картину НДС, однак їхнє застосування вимагає експериментальної перевірки.

3. З використанням МКЕ розроблено алгоритм розрахунку НДС паяних вузлів з різнорідних матеріалів.

4. З використанням методу спекл-інтерферометрії проведено експериментальне дослідження НДС зразка типу тришарового бруса. Порівняння отриманих експериментальних даних з результатами моделювання за допомогою розробленої програми показало, що розбіжність не перевищує 5–10%.

5. На основі чисельного моделювання НДС встановлено, що в двох- і тришарових з'єднаннях розподіл напружень має складний характер. Напруження зосереджені на границі розділу і біля торців з'єднання. Встановлено, що для істотного зниження рівня максимальних напружень необхідні оптимізація геометрії з'єднань і варіювання модуля пружності матеріалів, можна домогтися.

6. Досліджено вплив рівня пластичний деформацій на розподіл і рівень максимальних напружень. Встановлено, що при зростанні рівня пластичних деформацій знижується рівень максимальних напружень. Пропонуються прості залежності для наближеної оцінки впливу пластичних деформацій на рівень максимальних напружень.

7. На підставі дослідження НДС двох- і тришарових з'єднань запропоновані основні принципи раціонального конструктивного оформлення вузлів з різнорідних матеріалів.

8. Запропонований метод моделювання дозволив зробити оптимізацію конструкції МГД-вузла. Вірогідність запропонованих результатів підтверджена виготовленням дослідних зразків.

9. Проведений аналіз НДС і оптимізація конструкції ущільнення газотурбінного двигуна, дозволив збільшити вихід придатних до експлуатації вузлів на 30 відсотків.

публікації за темою дисертації

1. Ермолаев Г.В. Лабарктава А.В., Применение ЭВМ для решения задач механики паяных узлов // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 1999. – № ). – С.55–64.

2. Ермолаев Г.В. Лабарткава А.В., Моделирование полей напряжений в паяных соединениях из разнородных материалов // Автоматическая сварка. – 1999. – № . – С.17–21.

3. Лабарткава А.В., Золотий Ю.Г. Дослідження власних деформацій у паяних вузлах з різнорідних матеріалів // Матеріали VI всеукраїнської конференції "Фундаментальна та професійна підготовка вчителів фізики", вересень 2001 р. – Миколаїв, 2001. – С.176–181.

4. Ермолаев Г.В., Лабарткава А.В., Прохоренко В.М. Компьютерное моделирование полей собственных напряжений и деформаций в узлах из разнородных материалов // Матеріали міжнародної конференції "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво", вересень 2002 р. – Миколаїв, 2002. – Т.ІІ. – 308с.

5. Исследование собственных деформаций в паяных узлах из разнородных материалов методом спекл-интерферометрии / В.М.Прохоренко, Г.В.Ермолаев, А.В.Лабарткава, и др. // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – № ). – С.52–57.

6. Компьютерное моделирование полей собственный напряжений и их экспериментальное исследование при соединении разнородных материалов / В.Ф.Квасницкий, Г.В.Ермолаев, А.В.Лабарткава и др. // Сб. труд. междунар. конф. "Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах", сентябрь 2002 г. – пос. Кацивели, Крым, Украина: 2002. – С.136–139.

7. Дослідження термічних деформацій паяних елементів конструкцій методом голографічної і спекл-інтерферометрії / Ю.Г.Золотой, А.В.Лабарткава, В.Д.Будак и др. // Тези доповідей міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми механіки" – 26–28 вересня. – Київ 2003. – 48 с.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві. В [1] розроблено алгоритм розрахунку НДС в конструкціях з різнорідних матеріалів. В [3,5,6,7] підтверджена можливість використання чисельних методів для визначення НДС в конструкціях з різнорідних матеріалів. В [2,4] визначено вплив геометричних та фізико-механічних факторі на розподіл та рівень максимальних напружень.

АНОТАЦІЯ

Лабарткава А.В. Розробка основних принципів раціонального конструювання паяних вузлів з різнорідних матеріалів на основі дослідження полів власних напружень.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – “Зварювання та споріднені технології”. Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова. Миколаїв, 2004.

Дисертація присвячена рішенню наукових задач по конструюванню вузлів з різнорідних матеріалів, створенню методів розрахунку полів напружень і деформацій, а також їхньому експериментальному дослідженню.

На основі методу кінцевих елементів розроблений алгоритм розрахунку полів власних напружень і деформацій у паяних вузлах з різнорідних матеріалів. Вивчено вплив геометричних і фізико-механічних факторів на розподіл і рівень максимальних напружень у паяних конструкціях з різнорідних матеріалів. Виконано експериментальне дослідження напружно-деформованого стану тришарового паяного бруса.

Розроблено практичні рекомендації по оптимальному оформленню конструкцій з різнорідних матеріалів.

Ключові слова: різнорідні матеріали, власні напруження, деформації, комп'ютерне моделювання, метод кінцевих елементів, пайка.

аннотация

Лабарткава А.В. Разработка основных принципов рационального конструирования паяных узлов из разнородных материалов на основе исследования полей собственных напряжений.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – “Сварка и родственные технологии”. Украинский государственный морской технический университет имени адмирала Макарова. Николаев, 2004.

Диссертация посвящена решению научных задач по конструированию узлов из разнородных материалов, созданию методов расчета полей напряжений и деформаций, а также их экспериментальному исследованию. В работе приведен анализ литературных данных по влиянию физико-химических и физико-механических характеристик на качество паяных узлов из разнородных материалов. Установлено, что практически не исследовано влияние физико-механических свойств и геометрических характеристик соединяемых материалов на распределение и уровень собственных напряжений, которые возникают при пайке разнородных материалов и влияют на работоспособность узла.

Основной причиной образования собственных напряжений и деформаций при пайке разнородных материалов является различие коэффициентов температурного расширения. На уровень и распределение собственных напряжений оказывают влияние модули упругости соединяемых материалов, геометрия соединения, а также пластические деформации.

В работе предложен алгоритм расчета собственных напряжений и деформаций в паяных конструкциях из разнородных материалов, основанный на методе конечных элементов. Особенностью предложенного алгоритма является возможность учета геометрии соединения, свойств материалов, температуры пайки и пластических деформаций. Адекватность разработанного алгоритма компьютерного моделирования подтверждена экспериментальным исследованием напряженно-деформированного состояния трехслойного паяного бруса.

С использованием разработанного алгоритма компьютерным моделированием изучено влияние геометрических и физико-механических характеристик, пластических деформаций на распределение и уровень максимальных напряжений в паяных конструкциях из разнородных материалов. Установлено, что подбор оптимальной геометрии соединения и физико-механических свойств материалов позволяет снизить уровень максимальных напряжений в конструкции. Так уменьшение модуля упругости одного из материалов в 2 раза снижает нормальные продольные напряжения на 20…40%, а касательные на ?30%.

Для снижения уровня максимальных напряжений при соединении материалов с сильно различающимися свойствами предложено использование промежуточной прослойки, со свойствами средними от свойств соединяемых материалов. При наличии промежуточной прослойки толщиной 0,5 от толщины соединяемых материалов уровень максимальных напряжений снижается на 20…30%. Снижением модуля упругости промежуточной прослойки уровень максимальных напряжений можно снизить на 25%.

На основании результатов исследований разработаны практические рекомендации по оптимальному оформлению конструкций из разнородных материалов. Результаты работы использованы для разработки уплотнений газотурбинных двигателей ГП НПКГ “Зоря–Машпроект” (г. Николаев).

Ключевые слова: разнородные материалы, собственные напряжения, деформации, компьютерное моделирование, метод конечных элементов, пайка.

summary

Labartkava A.V. Main principles’ development of rational design of heterogeneous materials brazing junctions on the basis of self-tension fields research.

Dissertation for competition of candidate of technical science academic degree on 05.03.06 “Welding and related technologies” specialty. Admiral Makarov Ukrainian State Maritime Technical University. Mykolayiv, 2004.

The dissertation is dedicated to scientific task solutions on design of heterogeneous materials brazing junctions, method of analysis of tension and deformation fields creation and its experimental investigation.

On the basis of finite-element method the calculation algorithm of tension and deformation fields in heterogeneous materials brazing junctions was worked out with considering of above mentioned factors. The influence of geometric and physico mechanical factors on compartition and level of maximal tensions in heterogeneous materials brazing structures was investigated. The mode of deformation experimental investigation of three-ply brazing squared beam was fulfilled.

The practical recommendations on optimal design of heterogeneous materials brazing junctions were worked out.

Key words: heterogeneous materials, self-tension, deformation, computer modeling, finite-element method, brazing.