Введение
Глава 1. Современные представления о свариваемости конструкционных низколегированных сталей. Пути обеспечения свариваемости при проектировании технологических процессов сварки. 14
1.1. Низколегированные стали, используемые для изготовления сварных конструкций 14
1.2. Проблемы свариваемости низколегированных сталей 19
1.2.1. Горячие трещины при сварке 21
1.2.2. Холодные трещины при сварке 23
1.2.3. Охрупчивание и разупрочнение ЗТВ 28
1.3. Методы оценки свариваемости 31
1.4. Выбор параметров режима сварки 34
1.4.1. Влияние режима сварки на форму и размеры шва 36
1.4.2. Оптимизация теплового режима сварки 38
1.5. Выбор сварочных материалов 41
1.5.1. Сварочные материалы, используемые при сварке НЛС 41
1.5.2. Роль металла шва в обеспечении свариваемости НЛС 45
1.6. Автоматизация проектирования ТП сварки 49
1.6.1. САПР и экспертные системы в области сварки 49
1.6.2. Компьютерные средства моделирования в САПР сварки 50
1.6.2.1. Тенденции развития рынка средств моделирования 51
1.6.2.2. Система компьютерного моделирования SYSWELD 53
1.6.2.3. Программный комплекс СВАРКА 55
1.6.2.4. Программа «Свариваемость» 62
Выводы главы 1 и задачи работы 66
Глава 2. Математическое описание и моделирование процессов, протекающих в сталях при сварке 69
2.1. Распространение тепла при сварке 72
2.2. Формирование сварного шва 73
2.2.1. Формирование геометрии сварного шва 75
2.2.2. Формирование химического состава металла шва 78
2.3. Структурные превращения в сталях при сварке 83
2.3.1. Общие сведения о структурных превращениях в сталях 85
2.3.2. Диаграммы анизотермического распада аустенита
при сварке 98
2.3.3. Математическое описание полиморфных превращений 101
2.3.4. Математическое описание процессов отпуска 108
2.4. Диффузионное перераспределение водорода в сталях 110
при сварке
2.4.1. Основные соотношения и закономерности 112
2.4.2. Растворимость водорода в чистом железе 116
2.4.3. Влияние легирования на растворимость водорода 119
2.4.4. Влияние дефектов строения металлов на растворимость водорода123
2.4.5. Диффузионная подвижность водорода в железе 123
2.4.6. Влияние легирующих элементов на диффузионную подвижность водорода в сплавах железа125
2.4.7. Подходы к решению задач о диффузии водорода при сварке129
2.5. Формирование комплекса механических свойств 132
2.6. Напряжения и деформации при сварке 136
2.6.1. Математические модели упругого и упруго-пластического поведения материала 137
2.6.2. Реализация расчета НДС методом конечных элементов 140
2.6.3. Методика решения нелинейных задач 145
2.7. Прогнозирование образования XT при сварке 147
Выводы главы 2 148
Глава 3. Разработка математической модели анализа технологического процесса многослойной сварки низколегированных сталей 150
3.1. Формализация объекта моделирования и алгоритм анализа 151
3.1.1. Основные концепции компьютерного моделирования 151
3.1.1.1. Рациональная степень детализации модели 151
3.1.1.2. Методы построения математических моделей 152
3.1.1.3. Декомпозиция сложных моделируемых объектов на основе системного анализа 153
3.1.1.4. Критерии качества математических моделей 154
3.1.2. Системный анализ процесса формирования показателей свариваемости НЛС в условиях многослойной сварки 155
3.1.2.1. Анализ иерархии связей между частными процессами 156
3.1.2.2. Алгоритм анализа процесса многослойной сварки НЛС 159
3.1.2.3. Требования к математическим моделям 161 частных процессов
3.2. Решение температурной задачи при многопроходной сварке 163
3.2.1. Выбор расчетной схемы и моделей источников теплоты 163
3.2.2. Расчет размеров и положения сварных швов 165
3.2.3. Расчет размеров зоны проплавлення 168
3.2.3.1. Рабочие гипотезы и алгоритм расчета 170
3.2.3.2. Учет скрытой теплоты плавления 172
3.2.3.3. Учет распределенности источника тепла 175
3.2.3.4. Расчет параметров источников тепла 176
3.2.3.5. Построение обобщающих моделей 176
3.2.4. Расчет положения анализируемых точек ОШЗ 178
3.2.5. Расчет размеров нагретых зон 181
3.2.6. Расчет основных параметров термического цикла 182
3.2.6.1. Расчет текущих значений температур 183
3.2.6.2. Расчет максимальных температур и времен 185 их достижения
3.2.6.3. Расчет времени достижения заданной температуры 185
3.3. Решение задачи о структурных превращениях 188
при многослойной сварке
3.3.1 Основные положения и допущения 189
3.3.2. Расчетное определение границ характерных 191 температурных интервалов
3.3.3. Схематизация диаграммы распада аустенита 192
3.3.3.1. Определение инкубационного периода распада 193 аустенита
3.3.3.2. Аппроксимация температурных кривых начал 194 превращений
3.3.4. Моделирование отдельных структурных превращений 196
3.3.5. Определение кинетических коэффициентов функций распада199
3.3.6. Алгоритм анализа структурных превращений в стали 202
3.3.6.1. Блок анализа области стабильного существования 204
3.3.6.2. Блок анализа области мартенситного превращения 205
3.3.6.3. Блок анализа области бейнитного превращения 206
3.3.6.4. Блок анализа области перлитного превращения 207
3.3.6.5. Блок анализа области неполной аустенизации 208
3.3.6.6. Блок анализа аустенитной области 209
3.3.6.7. Блок анализа области плавления или кристаллизации 210
3.3.6.8. Блок анализа области существования жидкой фазы 211
3.3.7. Воспроизведение дилатометрической кривой 211
3.3.8. Расчет размеров действительного зерна аустенита 214
3.3.9. Экспериментальная проверка моделей 216
3.4. Прогноз механических свойств металла шва и ЗТВ 218
3.5. Расчет содержания водорода в ОШЗ 220
3.5.1. Алгоритм численного решения МКР задачи о диффузии 221
водорода при многослойной сварке
3.5.2. Построение сеточной области 223
3.5.3. Выбор величин шагов по времени 225
3.5.4. Насыщение сечения валика исходным водородом 227
3.5.5. Граничные условия при решении задачи о диффузии 228
3.6. Расчет уровня поперечных остаточных напряжений 230
3.6.1. Напряжения при укладке корневого валика 230
3.6.2. Балочная модель сварного соединения 232
3.6.3. Алгоритм расчета остаточных напряжений при многослойной сварке 238
3.6.3.1. Учет релаксации напряжений при нагреве выше 600С 240
3.6.3.2. Учет объемных эффектов превращений при охлаждении 241
3.6.3.3. Учет поперечной усадки сварного шва 247
3.6.3.4. Учет закрепления и формирование окончательной эпюры 249
3.7. Прогноз образования XT в многослойном сварном соединении 250
3.7.1. Учет температурно-временного фактора 252
3.7.2. Учет влияния состава металла шва 255
3.7.5. Оценка вероятности образования холодных трещин 260
3.7.6. Прогноз момента времени образования XT 264
3.8. Разработка инженерного программного комплекса «Свариваемость легированных сталей» 266
3.8.1. Назначение и основные возможности комплекса 267
3.8.2. Исходные данные для расчетов 268
3.8.3. Получаемые результаты 269
3.8.7. Пример работы с комплексом 270
Выводы главы 3 27
3 Глава 4. Расширение возможностей исследовательского программного комплекса «СВАРКА» 275
4.1. Направления модернизации комплекса «СВАРКА» 275
4.2. Подготовка исходных данных для проведения расчетов 277
4.2.1. Номенклатура исходных данных 278
4.2.2. Концепция кодирования и представления материалов 278
4.2.3. Разработка универсальной структуры данных о материале 282
4.2.4. Типовые зависимости свойств низколегированных сталей 284
4.2.4.1. Температурные зависимости плотности 286
4.2.4.2. Температурные зависимости теплопроводности 291
4.3. Определение температурных полей 296
4.3.1.Основные соображения и математические соотношения 296
4.3.2.Сетка КЭ для расчета температурных полей 298
4.3.3. Учет фазового состава структуры материала 300
4.3.4. Расчет тепловых потоков через границы элементов 301
4.3.5. Учет тепловых эффектов превращений в материале 302
4.3.6. Расчет приращений температур в элементах 304
4.3.7. Выбор шага по времени при явной схеме решения 308
4.3.8. Пути повышения производительности тепловых расчетов 311
4.3.8.1. Использование кратных шагов по времени для групп КЭ 312
4.3.8.2. Использование двухслойной схемы счета 312
4.3.8.3. Комбинация явной и неявной схем решения 313
4.4. Согласование шагов решения связных задач 318
4.5. Моделирование сварки монтажного шва коллектора ГПА 321 Выводы главы 4 335
Глава 5. Разработка методики оптимизации параметров технологического процесса многопроходной сварки низколегированных сталей на базе математической модели анализа процесса 337
5.1. Математическая формулировка задачи 337
5.1.1. Типовое задание на проектирование ТП сварки 338
5.1.2. Особенности задачи проектирования ТП сварки 339
5.1.3. Выбор критерия оптимальности и функции цели 339
5.2. Выбор метода решения оптимизационной задачи 343
5.2.1. Особенности целевой функции минимума 344
5.2.2. Основные идеи метода проекции вектора градиента 346
5.3. Алгоритм решения задачи проектирования 348
5.3.1. Анализ исходных данных и возможности получения приемлемого решения 350
5.3.2. Решение задачи по частям 352
5.3.3. Выбор параметров режима сварки и подогрева 353
5.3.4. Выбор сварочных материалов 355
5.3.5. Анализ чувствительности решения 359
5.4. Программная реализация и тестирование методики 360
5.4.1. Оптимизация технологии однопроходной сварки 361
5.4.2. Оптимизация технологии многослойной сварки 365
5.4.2.1. Сварка в щелевую разделку 367
5.4.2.2. Концепция желательного СТЦ 369
5.4.3. Выбор проволоки для наплавки зубьев звездочки 377
5.4.4. Расчет состава шихты керамического магнитного флюса 379 Выводы главы 5 385 Общие выводы 387
Список литературы 390
