На основе анализа применяемых моделей гидродинамических демпферов определено, что отсутствуют методики учета способа подвода смазки к питающей канавке. Для решения этой проблемы предложено использовать численные методы. Создана модель короткого гидродинамического демпфера в пакете Fluent. Принято, что вибратор демпфера совершает прямую синхронную прецессию, а течение смазки ламинарное. Данная модель в настоящее время не учитывает условия подвода смазки и служит только для верификации результатов по общепризнанным моделям. По результатам верификации разница по максимальному давлению составила 13 %. Также качественно результаты соответствуют теоретически ожидаемым. Предложено дальнейшее улучшения модели.

Методом конечных элементов исследовано влияние геометрии и сочетания свойств на поля напряжений в двух- и трехслойных соединениях типа бруса. Установлены зависимости максимальных напряжений от размеров и свойств соединяемых материалов. Поперечные напряжения сосредоточены на свободной (боковой) поверхности в непосредственной близости от поверхности соединения. Уменьшение модуля упругости хотя бы одного из соединяемых материалов является довольно эффективным методом снижения уровня напряжений во всем узле. Максимальные касательные напряжения наиболее существенно зависят от толщины промежуточного слоя и могут быть снижены до двух раз.

Індекс рубрикатора НБУВ: К643-18

Рубрики:

Паяння металів

Шифр НБУВ: Ж26970 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Методом компьютерного моделирования на базе метода конечных элементов исследовано напряженно-деформированное состояние цилиндрических деталей при диффузионной сварке. Показано, что при сварке даже простых деталей из разнородных материалов создается сложное напряженное состояние с неравномерным распределением напряжений на поверхности стыка. Установлено, что в соединениях материалов с различными значениями коэффициента линейного температурного расширения для локализации пластических деформаций в зоне стыка целесообразно использовать термоциклирование.

Установлены закономерности влияния пластических деформаций на формирование напряженно-деформированного состояния при диффузионной сварке деталей из разнородных материалов в виде цилиндров и втулок в условиях сжатия и изменения температуры. Показано, что самый низкий уровень пластических деформаций и неблагоприятные распределения их вдоль оси цилиндров и втулок формируются при сварке материалов разной прочности в условиях сжатия при постоянной температуре.

На базе метода конечных элементов путем компьютерного моделирования исследовано влияние соотношения размеров (радиусов и высоты) цилиндрических деталей типа цилиндров и втулок из разнородных материалов на напряженно-деформированное состояние в зоне стыка при диффузионной сварке с учетом пластических деформаций в условиях нагружения сжатием и термоциклированием и установлены закономерности его формирования.

Исследованы стали повышенной и высокой прочности для сварных конструкций. Раскрыты проблемы свариваемости низколегированных высокопрочных сталей. Представлены расчетные методы оценки свариваемости и разработки технологии сварки высокопрочных сталей. Изложены общие технические требования при сварке высокопрочных сталей. Приведена технология сварки под флюсом низколегированных высокопрочных сталей больших толщин.

С целью оптимизации процесса диффузионной сварки и пайки узлов из разнородных материалов с мягкими прослойками исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) при нагружении сжатием и изменением температуры. Соединяли материалы, которые имели отличающиеся термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и одинаковые модули упругости. Примером таких соединений могут быть соединения магнитных и немагнитных сталей, полученных с применением диффузионной сварки с мягкими прослойками или пайкой давлением с использованием припоев на основе меди с добавками кремния, марганца, бора. Достаточная прочность материалов в паяном узле сочетается с пластическим деформированием только прослойки. Изучены поля всех составляющих напряжений и деформаций, а также их эпюры в различных сечениях узлов. Анализ результатов моделирования показал, что касательные и эквивалентные напряжения в зоне стыка (на поверхности раздела), определяющие образование физического контакта и активацию процесса образования соединения при диффузионной сварке, при совместном нагружении узлов с мягкой прослойкой заметно увеличиваются в материале с большим ТКЛР при охлаждении и материале с меньшим ТКЛР при нагреве. При этом распределение пластических деформаций в прослойке более равномерно, т. е. термоциклирование под давлением способствует образованию физического контакта и активации процессов формирования соединения в таких узлах.

С целью выяснения возможности компенсации пониженной прочности металла шва увеличением размеров выпуклости стыкового соединения и установления зависимости необходимой высоты выпуклости от соотношения прочности шва и основного металла проведено исследование уровня и характера распределения напряжений в стыковых соединениях при нагружении их растяжением при различных размерах выпуклости. Исследования проводили с помощью метода компьютерного моделирования на стыковых соединениях видов С25 и С21. Варьировались высота и ширина выпуклости при постоянной толщине основного металла. Форма выпуклости принималась в виде дуги. Изучены поля всех составляющих напряжений, а также их эпюры в различных сечениях шва. Полученные величины коэффициентов концентрации (1,8 - 2,3) при изменении размеров выпуклости в довольно широких пределах подтвердили адекватность моделирования. Вместе с тем показано, что наличие выпуклости в симметричном соединении вида С25 несколько снижает уровень максимальных растягивающих и эквивалентных напряжений внутри металла шва, что дает возможность компенсировать снижение его прочности по сравнению с основным металлом, но это снижение непропорционально увеличению площади сечения. Получено выражение, позволяющее рассчитать необходимую величину выпуклости в соединении в С25 вида при известной степени снижения прочности наплавленного металла по сравнению с основным. Наличие выпуклостей и их размер в несимметричном соединении вида С21 практически не влияет на уровень максимальных эквивалентных напряжений в сечении по оси шва, поэтому компенсировать пониженную прочность металла шва увеличением выпуклостей в таком соединении невозможно. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании стыковых соединений материалов, в частности, для соединений высокопрочных сталей, выполняемых аустенитными материалами, для которых существует проблема обеспечения равнопрочности металла шва и основного металла.

Рассмотрено напряженно-деформированное состояние при различных режимах охлаждения цилиндрических узлов из графита и меди в упругой и пластической стадиях с учетом как кратковременных пластических деформаций, так и ползучести. Установлено влияние режима охлаждения на пластические деформации в зоне стыка и осевые напряжения на поверхности узлов, определяющие вероятность разрушения хрупкого графита.

Приведены результаты исследований напряженно-деформированного состояния узлов типа цилиндр-цилиндр и втулка-втулка из материалов с одинаковыми и отличающимися физико-механическими свойствами, как с промежуточными прослойками, так и без них, при нагружении сжатием и изменением температуры. Установлены закономерности влияния физико-механических свойств как соединяемых материалов, так и прослоек на формирование напряжений в упругой стадии работы материалов.

Определено влияние толщины промежуточной твердой прослойки на напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке и пайке узлов из разнородных материалов. Методом компьютерного моделирования решена осесимметричная упругопластическая задача для быстрого охлаждения узла после сварки. Проведено сравнение полей и эпюр напряжений в узлах при различной толщине прослойки и в случае ее отсутствия. Установлено, что все напряжения в узле сосредоточены в непосредственной близости от места стыка соединяемых материалов и прослойки. При этом характер полей напряжений в соединяемых материалах существенно не изменяется с изменением толщины прослойки, однако изменяется их уровень. С увеличением толщины прослойки точка максимума напряжений растяжения в графите постепенно удаляется от стыка, и его величина уменьшается. Для уменьшения опасности разрушения графита после охлаждения узла целесообразно использовать жесткую прослойку толщиной не менее 1 мм.

Методом компьютерного моделирования исследовано напряженное состояние в узлах, полученных диффузионной сваркой и пайкой, под действием осевой нагрузки. Рассмотрены цилиндрические узлы из стали с прослойкой меди с нагружением выше предела текучести меди. Показано, что в результате формирования сложного напряженного состояния уровень эквивалентных напряжений в прослойке снижается по сравнению с приложенной осевой нагрузкой и повышается в небольшой зоне основного металла вблизи внешней поверхности у стыка с прослойкой, что вызывает эффект упрочнения (разгрузки) прослойки и разупрочнения (перегрузки) основного металла. Получены количественные зависимости степени упрочнения прослойки и разупрочнения основного металла от величины внешней нагрузки. Установлено, что в упругопластической стадии нагружения узла разупрочнение основного металла более выражено, чем в упругой. Степень упрочнения прослойки в упругой стадии ее работы не зависит от величины внешней нагрузки, а в упругопластической стадии растет пропорционально нагрузке.

Исследовано напряженно-деформированное состояние при диффузионной сварке в вакууме и пайке разнородных материалов с учетом пластических деформаций мгновенной пластичности и ползучести. Рассмотрена роль пластических деформаций в формировании соединений и остаточных напряжений при диффузионной сварке в вакууме разнородных металлов, в том числе металлов с неметаллами, а также однородных материалов с промежуточными прослойками. Применение температурного нагружения совместно с внешней нагрузкой при диффузионной сварке в вакууме разнородных металлов позволяет создать в стыке объемное напряженное состояние с формированием осевых, радиальных, окружных, касательных напряжений, способствующее локализации пластических деформаций в зоне стыка и развитию деформаций сдвига, а соответственно интенсификации процессов образования физического контакта, активации поверхностей и развитию диффузионных процессов. Управление напряженно-деформированным состоянием при соединении металлов с неметаллами позволяет регулировать релаксационные процессы при охлаждении и предотвратить разрушение соединений.

Компьютерное моделирование методом конечных элементов использовали для исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) в соединениях однородных материалов при осевой нагрузке. Исследования выполнены с учетом пластических деформаций в мягких прослойках, которые обычно используют при диффузионной сварке для активации поверхностей и снижения остаточных напряжений, а при пайке промежуточной прослойкой является паяный шов, отличающийся от основного металла по физико-механическим свойствам. Показано, что вдоль стыка, как в соединяемых металлах, так и прослойке, эквивалентные напряжения распределены более равномерно, чем при упругом деформировании. Пластические деформации в прослойке отсутствуют в зоне застоя (на оси цилиндрического узла) и почти линейно увеличиваются, достигая максимальных значений (около 6,5 %) у внешней цилиндрической поверхности узла. Высокий уровень пластических деформаций свидетельствует о целесообразности использования термического нагружения при диффузионной сварке разнородных материалов с мягкими прослойками. Степень "мягкости" прослойки и ее влияние на НДС узла при пластическом деформировании определяется главным образом ее прочностью (пределом текучести) и практически не зависит от ее жесткости (модуля упругости).

Исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) при температурно-силовом нагружении цилиндрических узлов из материалов одинаковой прочности, но отличающихся температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), с мягкой (с меньшим пределом текучести, чем у основного материала) прослойкой и средним температурным коэффициентом линейного расширения. Анализировались поля и эпюры напряжений и пластических деформаций узлов. Исследования НДС показали, что эффект совместного температурного (охлаждением) и силового (сжатием) нагружения узлов с мягкими прослойками проявляется в увеличении радиальных и окружных напряжений в обоих материалах, увеличении эквивалентных в материале с большим ТКЛР и прослойке и осевых в соединяемых материалах и, соответственно, уменьшении эквивалентных в материале с меньшим ТКЛР. Касательные напряжения при этом остаются практически такими же, как при чисто температурном нагружении. При смене охлаждения нагревом материалы меняются местами. Величина максимальных пластических деформаций в материале прослойки по границе раздела с основными материалами вблизи внешней поверхности при совместном температурно-силовом нагружении достигает 2,3 %. При этом осевые напряжения растяжения в хрупких материалах с низким ТКЛР (керамика, графит и др.) при охлаждении в узлах с мягкой прослойкой уменьшаются на величину сжимающих внешних напряжений, т. е. риск хрупкого разрушения снижается.

Предмет изучения - напряженное состояние при изгибе, как в упругой, так и упруго-пластической стадии, плоского образца с напыленным слоем, имеющем иные механические свойства (модуль упругости и предел текучести), чем материал подложки. Цель работы - выбор вариантов покрытий малой (мягкий слой), нейтральной и большой (жесткий слой) жесткости по отношению к основному металлу, имеющему меньший предел текучести, при разных соотношениях их толщин (0,2, 0,4 и 0,6). Задачи: выполнить анализ распределения нормальных напряжений, определить наиболее загруженные точки на поверхности напыленного слоя и на нижней поверхности подложки, определить условия и причины появления трещин в напыленном слое и пластических деформаций в подложке. Используемыми методами являются компьютерное моделирования и аналитические расчеты. Получены следующие результаты. Характер распределения напряжений существенно зависит от соотношения толщин напыленного слоя и подложки и не изменяется при пропорциональном их увеличении или уменьшении. Наиболее загруженными точками в сечении, где нормальные напряжения достигают максимальных значений, являются точки на поверхности напыленного слоя и на нижней поверхности подложки. Максимальные нормальные напряжениякак в напыленном слое, так и подложке, значительно (на 2 порядка) превышают касательные. Таким образом, именно они являются основной причиной появления трещин в напыленном слое и пластических деформаций в подложке. При этом результаты расчетов по аналитическим формулам, основанным на законах механики твердого тела, и полученные компьютерным моделированием совпадают, что подтверждает адекватность моделирования. На уровень напряжений при неизменной толщине подложки влияет как относительная толщина напыленного слоя, так и его жесткость. Максимальные напряжения в напыленном слое снижаются с увеличением его относительной толщины и увеличиваются с ростом его относительной жесткости. Выводы: полученные различными методами теоретических исследований результаты позволяют определить направления совершенствования оборудования, технологических приёмов выбора режимов, активных материалов для получения напыленных слоёв с высоким качеством для узлов и деталей различных конфигураций и различных материалов изделий и напыляемых материалов. Результаты работы могут быть использованы на практике при разработке технологических карт ведения процессов напыления. Научная новизна полученных результатов состоит следующем: усовершенствованы методы изучения напряженного состояние плоских образцов с напыленным слоем при испытаниях на изгиб; впервые получены результаты влияния комплекса условий напыления на прочностные характеристики напылённого слоя.

Приведены результаты исследований напряженно-деформированного состояния соединений наиболее распространенных узлов типа цилиндр - цилиндр, втулка - втулка и втулка - фланец из материалов с отличающимися физико-механическими свойствами при диффузионной сварке и пайке с промежуточными прослойками и без них с учетом влияния пластических деформаций мгновенной пластичности и ползучести при нагружении внешней силой и изменении температуры. Установлены закономерности влияния физико-механических свойств соединяемых материалов и прослоек на формирование напряжений и деформаций при нагреве и охлаждении узлов.