анализ осшочных напряжений и деформаций после сварки конструкций, работающих под давлением, в программе SYSWELD
©Биленко Георгий Андреевич,
инженер технической поддержки группы компаний «ПЛМ Урал»
Аля того, чтобы помочь быстро найти инженерные решения и ответить на многие вопросы, существует много методик и инструментов, используемых при проектировании, но самый эффективный - это численное моделирование.
Дискретная математика позволяет решать самые разнообразные задачи и, что самое главное, получать точное значение интересующих величин. Именно этот подход и реализован в программном продукте БУБ'^ЕЬЭ. Рассмотрим его на примере решения модельной задачи - технологии сварки цистерны. Решение этой задачи позволяет получить ответы на технологические вопросы, определяющие качество конечной продукции: минимизация коробления, определение микроструктуры сварных соединений, а также зоны термического влияния.
Для достижения заданных целей требуется решить связанную задачу теплопередачи - металлургии и механики.
Технологическая модель сварки цистерны для хранения нефтепродуктов приведена на рис. 1.
Емкость изготовлена из конструкционной стали состава, мас. %:
0,2 С; 1,6 Мп; 0,55 Б1; 0,035 Б; 0,035 Р.
Для изготовления цистерны используется полуавтоматическая сварка в защитных газах. Тепловая задача решается на основе термоцикла сварки в области сварного шва (рис. 2). Номера швов конструкции указаны на рис. 3. Сварка производится поэтапно: сначала привариваются полусферы, горловина и, затем присоединяются опоры.
С целью минимизации коробления используются несколько вариантов закрепления (рис. 4).
В ходе выполнения сварки по варианту №1 оснастка не используется. Конструкция предвари™ тельно собрана на прихватках. Для варианта №2 используются поджимающие кольца, устанавли-» ваемые внутри изделия.
Варианты последовательности выполнения £ операций приведены в таблице. < Так как сталь, из которой изготавливают ци-
г стерну, является многофазной, то при нагреве и
быстром охлаждении происходят определенные структурные превращения, что также учитывается в при помощи встроенных моделей, в частности, моделей Леблона и Койстинена - Марбургера.
Уравнение Койстинена - Марбургера:
P(T) = 1 - ехр(-£ ^ -!)),
где P - количество образовавшегося мартенсита; T - температура; Ms - температура начала мар-тенситного превращения; Ь - константа.
Уравнение Леблона:
тт) _ Рщ{Т)-РСГ)
¿е ' т(т) ,
где Peq - первоначальное количество металлургической фазы; P - доля фазы, претерпевающей превращение; иf(T) - константы реакции.
При помощи этих моделей строится ССТ диаграмма (рис. 5). Диаграмма построена согласно требуемым скоростям охлаждения (синие кривые). В местах пересечения кривыми скоростей линий существования фаз, указаны доли образовавшихся структур (ферритно-перлитной, бей-нитной или мартенситной) при определенной скорости охлаждения и температуре.
Расчетная модель состоит из сетки конечных элементов, в местах выполнения сварных швов плотность элементов увеличена в связи с высоким уровнем градиентов напряжений и деформаций (рис. 6). Перед сваркой конструкция предварительно собирается на прихватках.
В результате расчета получены данные об остаточных напряжениях и короблениях после сварки, выполненной по технологическим вариантам, приведенным в таблице (рис. 7).
Так как коробления при использовании технологического варианта № 2 оказались меньше,
Технология сборки и сварки
Вариант Порядок выполнения швов
закрепления
№ 1 № 1 № 2 № 3 Опора 1 Опора 2
№ 2 № 3 № 1 № 2 Опора 2 Опора 1
Рис. 1. CAD модель резервуара (красным цветом отмечены сварные швы, присутствующие в конструкции цистерны)
Рис. 3 . Сборка элементов и сварка цистерны
■
Рис. 5. Расчетная диаграмма:
фаза № 1 - феррит+перлит; фаза № 2 - бейнит; фаза № 3 - мартенсит
Рис. 8. Распределение напряжений в поперечном направлении к сварному шву: Misses stresses - напряжения по Мизесу; First stresses - первые главные напряжения; Mean stresses - гидростатические напряжения
а,
а.
Рис. 7. Коробления конструкции: суммарные перемещения при варианте № 1 (а) и при варианте № 2 (б) выполнения сборки-сварки
Рис. 9. Микроструктура области сварного шва и ОШЗ - ферритно-карбидная смесь
рассмотрим остаточные напряжения и микроструктуру для опоры № 2. Пик первых главных напряжений приходится на околошовную зону, далее они снижаются и характер НДС меняется.
Гидростатические напряжения свидетельствуют о том, что в металле шва создаются напряжения сжатия, тогда как околошовная зона находится под действием растягивающих напряжений.
Полученная картина распределения напряжений (рис. 8) и металлургических фаз подтверждает, что конструкция технологична с точки зрения выполнения операций сварки. На шкале рис. 9 видно, что основная структура сварного соединения состоит из 93-99% (0,93-0,99) ферритно-кар-бидной смеси (бейнита).
В настоящее время проектирование аппаратов и конструкций для нефтяной, газовой и не-
фтехимической отрасли очень актуально, так как необходимость создания узлов и агрегатов, цистерн и емкостей постоянно возрастает.
В связи с этим конструкторам и технологам предстоит ответить на ряд вопросов и решить цепочку задач для успешной эксплуатации сварных конструкций и минимальным рискам возникновения аварийных ситуаций.
Среди основных вопросов - работоспособность конструкции, ее технологичность и качество исполнения. Моделирование технологии сварки в БУБ'^ЕЬЭ уже на ранних этапах проектирования позволяет на них ответить. Применяя данное программное обеспечение, пользователь получает доступ к знаниям, которые годами накапливались, создавая и развивая существующие технологии соединения материалов в машиностроении.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.