Методичка по 5 лабе (ФОЭН)

13

испарения, например при моделировании термической резки материала или прошивки в нём отверстий.

2.2.4. Этапы по времени

Команда Временные характеристики используется для разделения исследуемого процесса на этапы. В конце очередного этапа программой в

каждом конечном элементе определяются теплофизические характеристики материала и заносятся в память в виде файлов для обращения к ним при расчётах напряжений и деформаций. Количество этапов и длительность каждого этапа подбираются таким образом, чтобы приращение температуры (± T) на каждом этапе было, по крайней мере, в два раза меньше

температурного интервала фазовых превращений в обрабатываемом материале при нагреве и охлаждении. Обычно достаточно получить T≤

≤100 °С.

температура обрабатываемого изделия не превышала 80 °С. После расчёта

процесса охлаждения термический цикл закалки можно считать завершённым.

14

3.РАСЧЁТ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

3.1.Исходные данные для расчёта напряжений и деформаций

Для расчёта напряжений и деформаций в окне Плоская деформация и

Рис. 2.9

осевая симметрия следует выбрать нужный тип задачи и получить на экране окно с заголовком Stresses & Strains (рис. 3.1).

В главном меню этого окна следует выбрать меню Данные и ввести требуемую информацию через соответствующие выпадающие и вложенные меню и команды.

3.1.1. Механические свойства

Командой Механические свойства вызывается таблица, содержащая шесть столбцов. В первый столбец заносятся значения температуры в пределах от 0 °С до 1300 °С через 50-100 °С. Во второй - модуль упругости Е для заданной марки стали, в третий - предел текучести Yh при нагреве, в четвёртой предел текучести Yc при охлаждении, в пятый и шестой - значения модуля упругости и предела текучести для стали аустенитного класса.

15

Рис. 3.1

Последние два столбца заполняются при исследовании процессов сварки и термообработки сварных соединений.

3.1.2. Превращения при нагреве и охлаждении

16

можно получить экспериментально или аппроксимировать ломаной линией (рис. 3.2). Угловые коэффициенты α1, α2 и α3 отрезков 0Ac1, Ac3Ts и

y

Ts

Ac1

Ac3

Tc

0

x

Tb

Рис. 3.2

Ac1Ac3 соответственно определяются из полученных дилатометрических диаграмм.

Пусть в прямоугольной системе координат на оси абсцисс отложена температура, а на оси ординат - относительное линейное расширение

y = L/L0, где L0 - исходная длина образца; L - её приращение за счёт температурного расширения. Коэффициенты α1 и α2 заданы. Линия y1 с

угловым коэффициентом α1, соответствующим коэффициенту линейного расширения перлитно-ферритного нагреваемого металла, при температуре Ts пересекается с линией y2 с угловым коэффициентом α2, соответствующим коэффициенту линейного расширения аустенита при охлаждении. Можно построить линии y3 и y4 с коэффициентами α3 и α4 и определить их как

α3 = (α1 (Ts- Aс1) - α2 (Ts- Ac3))(Ac3 - Ac1)-1,

α4 = (α1 (Ts- Tc) - α2 (Ts- Tb))( Tb- Tc)-1,

где Tb, Tc и Ac1, Ac3 - температуры начала и конца мартенситных и аустенитных превращений соответственно. С помощью заданных и вычисленных коэффициентов производится учёт структурных превращений.

Параметры, характеризующие фазовые превращения при охлаждении, можно задать двумя способами. Командой Мартенситные вызывается окно с таблицей из двух столбцов, в которой задаются значения α4 = f(T) в период

17

Для этих скоростей температуры начала и конца превращений и механические свойства можно взять из предыдущей строки.

3.1.3. Граничные условия

Следующая строка в меню Данные главного меню окна Stresses & Strains - Закреплённые узлы. Во вложенном меню этой строки две команды: Координаты и По узлам. Порядок их использования такой же, как при задании граничных температур в тепловой задаче. Закрепление узлов

производится для предотвращения поворота исследуемой области под действием сил. В то же время, закреплённые узлы не должны препятствовать свободному температурному расширению тела. Каждый узел можно закрепить от перемещения либо вдоль оси x (вставляется символ 10 в строку столбца Type таблицы, вызванной командой Координаты), либо вдоль оси y (вставляется символ 01), либо по обоим направлениям (вставляется символ 11). Неправильное закрепление приводит к искажению полей напряжений и деформаций в теле.

18

Остальные команды в меню Данные при моделировании поверхностной закалки не используются.

3.2. Расчёт напряжений и деформаций

Расчёт деформаций и напряжений подготавливается и проводится с помощью меню Расчёт главного меню окна Stresses & Strains. Подготовка осуществляется созданием макрофайла со свойствами командой Свойства при нагреве и заполнением окна Files for Material Properties, а также созданием макрофайла с исходными данными для расчёта командами

Напряжения и деформации Итерационный метод и заполнения окна

Files for Stresses and Strains Task.

Расчёт производится запуском макрофайла с расширением .tm2. При

этом в окно Stresses & Strains требуется ввести число этапов для расчёта напряжений и деформаций, равное сумме этапов нагрева и охлаждения.

Дальнейшие команды и информация подобны командам и информации при расчёте температурного поля.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

После завершения расчёта необходимо произвести анализ результатов и определить:

1)скорость нагрева - среднюю и в диапазоне температур Ас1… Ас3;

2)скорость охлаждения - среднюю и в диапазоне температур Тс… Тb;

3)максимальную температуру нагрева;

4)толщину закалённого слоя как расстояние от поверхности нагрева в глубину тела до границы с температурой 850…900 °С;

этап охлаждения, на котором температура закалённого слоя ≥ Тb,

вывести графические изображения температурного поля и остаточных напряжений в виде фрагментов, на 60-70% заполненных закалённым слоем в отдельные файлы;

то же, что в п. 5, но для последнего этапа;

причину разного характера остаточных напряжений на поверхности

визображениях, полученных в пп. 5 и 6.

5. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Поверхностной закалке подлежит длинномерная заготовка, поперечное сечение которой имеет форму пятиугольника (плоская деформация) с одной

вершиной в начале координат и с шестью вариантами координат остальных четырёх вершин (табл. 5.1)

19

Предусмотрено 27 вариантов заданий (табл. 5.2), отличающихся либо конфигурацией сечения, которая определяется номером сечения и плоскостью его симметрии, либо расположением поверхности нагрева, через которую вводятся источники тепла удельной мощностью p0.

Девять вариантов задания тиражируются до 27 с помощью характеристик источников нагрева и материала (табл. 5.3).

C

Поверхность

нагрева

D

Рис. 5.1

Выбор количества и формы фрагментов для построения сетки конечных элементов даже в таком простом примере может иметь несколько решений и зависит от опыта и интуиции исполнителя.

21

Содержание

Издательско-полиграфический центр СПбГЭТУ (ЛЭТИ) 197376, С-Петербург, ул. Проф. Попова, 5