U0vSrbCC8k

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ

Методические указания к практическим занятиям и лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

УДК 621.365.5

Обработка материалов концентрированными потоками энергии: метод. указания к практ. занятиям и лаб. работам / сост.: В. В. Царевский, С. А. Галунин. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 28 с.

Рассматриваются методы построения физических, математических и численных моделей реальных процессов обработки материалов концентри- рованными потоками энергии. Содержат пошаговые инструкции, наглядные иллюстрации и примеры, а также индивидуальные задания.

Предназначены для подготовки магистрантов по направлению 140400 – «Электроэнергетика и электротехника», также могут быть полезны инженер- но-техническим работникам и студентам других специальностей.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

ВВЕДЕНИЕ

Процесс обработки материалов концентрированными потоками энергии с точки зрения теплопередачи чаще всего сводится к поверхностному нагре- ву резистивными нагревателями, лазерным излучением и электронным лу- чом. Сюда же можно отнести воздействие электрической дуги и плазмы. Сварку, резку и сверление концентрированными потоками энергии в ряде случаев также можно свести к поверхностному нагреву. В дисциплине «Фи- зические основы электронагрева» дается физическое толкование дифферен- циальных уравнений матфизики, моделирующих основные составляющие электротехнологических процессов, – распространение электромагнитных и тепловых полей, механику твердого тела при неизотермическом нагреве.

На практических занятиях и в лабораторных работах большое внимание уделяется методу конечных элементов. С помощью программы Temperatures & Stresses 2D, разработанной для исследования сварочных процессов (С. П. Марковым) и адаптированной для поверхностного нагрева и термиче- ской резки металлов (В В. Царевским), студенты имеют возможность озна- комиться с азами программирования и провести исследование температур- ных полей, остаточных напряжений и деформаций.

3

1. ПОРЯДОК РАСЧЕТОВ

Запустите на исполнение программу Temperatures & Stresses 2D. Пароль для входа в программу – mark. Расчет начинается с выбора в выпадающем

окне Плоская деформация и осевая симметрия задачи Температурные поля (рис. 1.1). В окне приветствия Heating with fusion and vaporation необ-

ходимо нажать кнопку Ok.

Рис. 1.1

После завершения расчета температурных полей нагрева и охлаждения выбирается тип задачи Напряжения и деформации и выполняются все рас- четы по этой задаче. Затем производится анализ результатов по обеим зада- чам и составляется отчет.

4

2. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

После выбора задачи Температурные поля и запуска появляется окно прикладной подпрограммы (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Строка заголовка содержит название подпрограммы, с которой ведется работа (в данном случае это Temperatures). Непосредственно под строкой заголовка расположено главное меню. В нем скрыты семь выпадающих меню с командами, необходимыми для подготовки исходных данных, управления расчетом и графического изображения результатов. Существует более быст- рый и эффективный доступ к самым важным командам. Это кнопки на пане- ли инструментов, расположенной ниже главного меню. Значок на кнопке в известной мере передает содержание операции, связанной с ней. Если курсор мыши задержать на кнопке, то в нижней части рабочего поля окна появится подсказка относительно функции кнопки.

2.1. Построение сетки

Температурное поле рассчитывается методом конечных элементов (МКЭ), суть которого заключается в аппроксимации непрерывной искомой величины (в данном случае – температуры) в заданной области с помощью дискретной модели, построенной на конечном множестве кусочно-непре- рывных функций, определенных на конечном числе подобластей (элемен- тов). Разделение области на элементы производится построением сетки.

Первая, считая слева, кнопка панели инструментов открывает ключевую диаграмму, с которой рекомендуется начинать построение сетки или ее

5

фрагмента. В первой стр ке (или первом столбце) задается число четырех- угольных зон фрагмента сечения (области) исследуемого тела в плоскости

xy – с клавиатуры вводится единица. Таким образом, число з н во фрагменте равно числу ячеек с един цей. Строка (колонка) ячеек с единицами должна

заканчиваться целым чи лом, обозначающим количество строк (колонок) элементов во фрагменте. Число колонок (строк) в каждой з не задается во второй строке (колонке) к ючевой диаграммы. В законченно виде ключевая диаграмма представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2

Рис. 2.3

Следующей кнопкой открывается таблица для создания файла соедине- ния зон во фрагмент. П едварительно в системе координат изображается фрагмент (рис. 2.3), разделенный на зоны, и узлы. Узлы фрагмента нумеру-

6

ются слева направо, начиная с верхнего ряда узлов. В каждую строчку таб- лицы последовательно вносятся номера узлов зоны, начиная с нижнего лево- го, против часовой стрелки (рис. 2.4).

Рис. 2.4

Рис. 2.5

С помощью третьей кнопки создается файл с координатами узлов фраг- мента (рис. 2.5). Таким образом, получено три файла: vv.tke, vv.tnd и vv.tcd.

7

Четвертой кнопкой вызывается панель (рис. 2.6), на которой собираются эти файлы, задаются имена файла узлов (fvv.tnd) и файла элементов (fvv.tke) фрагмента с заданным числом строк и колонок. Расширения файлов задаются программой, а система имен − исследователем проблемы. Нажимаем кнопку Make Fragment и в случае успеха появится сообщение Mesh is made!. После нажатия кнопки Ok появляется окно с сообщением FeniteElements=350.

Рис. 2.6

Графическое изображение полученного разбиения фрагмента на конеч-

ные элементы можно получить с помощью выпадающего меню Результаты главного меню Графика окно Graphics Object в главном меню окна

Grafics FE Mesh окно Files for Mesh (to show picture) вставить файлы fvv.tnd и fvv.tcd Ok окно с параметрами сетки Оk Start Demo в главном меню окна Grafics FE Mesh Ok окно с размерами

сетки (количество полученных конечных элементов и узлов) Оk сетка

(рис. 2.7).

Примечание. На рис. 2.7–2.9 представлены графические изображения, которые наблюдаются на экране монитора персонального компьютера.

Следующая – пятая – кнопка панели инструментов предназначена для объединения фрагментов в расчетный массив. Предположим, к построенному фрагменту (см. рис. 2.7) необходимо присоединить еще один.

8

единенного массива кнопка Connect в выпадающих окнах производит-

ся привязка левого нижнего узла фрагмента к глобальной системе координатдается информация о завершении построения фрагмента Оk. Процеду- ра повторяется для второго фрагмента. В результате должен получиться объ- единенный массив (рис.2.9).

2.2.Исходные данные для тепловой задачи

2.2.1.Теплофизические характеристики объекта исследований

Теплопроводность, объемная теплоемкость и коэффициент теплоотдачи зависят от марки стали, из которой изготовлена заготовка (объект исследова- ния), и условий охлаждения, которые определяются заданием. Подготовка этих данных производится заполнением таблиц, которые вызываются соот- ветствующими командами выпадающего меню Данные главного меню, и присвоением имен созданным файлам.

Условия теплоотдачи при охлаждении могут быть одинаковыми с усло- виями теплоотдачи при нагреве или отличными от них (например, при моде- лировании процессов закалки стали и сплавов). В последнем случае следует подготовить еще один файл с другими коэффициентами теплоотдачи и дру- гим именем.

Объемная теплоемкость может быть вычислена как произведение массо- вой теплоемкости на плотность материала заготовки (внимательно следите за единицами измерения вводимых величин).

В таблицы заносятся 12–15 значений требуемых величин через 50…100 °С в диапазоне температур от комнатной до 1200 °С.

2.2.2. Граничные условия

В программе предусмотрено задание граничных условий: первого рода с помощью команды Граничные температуры; третьего рода – Поверхности теплоотдачи. Граничные условия второго рода с нулевой правой частью за- даются по умолчанию на тех поверхностях, где не заданы другие граничные условия. Граничные условия третьего рода задаются на поверхностях, под- вергающихся воздействию концентрированных потоков тепловой энергии, в виде плотности источников постоянного, переменного или импульсного ха- рактера.

Поверхности теплоотдачи можно задавать двумя способами: на плоско- стях – с помощью координат границы, в двумерном случае – с помощью ко- ординат концов отрезка. Преобразование информации о координатах грани-

10