Дипломная (вкр): Численное моделирование процесса передачи сварки взрывом

Численное моделирование процесса передачи сварки взрывом

РЕФЕРАТ

Расчетно-пояснительная записка содержит 87 страниц, 53 рисунка, 5 таблиц, 13 источников.

Численное моделирование, мелкозернистая структура, сварка взрывом, точка контакта, угол метания, скорость метания.

Цель работы - методами численного моделирования установить зависимость температуры в точке контакта от утла соударения пластин при сварке взрывом В ходе работы проводилось численное моделирование процесса сварки взрывом с использованием ВВ, и без него, с заранее разогнанной пластиной.

В настоящей дипломной работе освоена программа AUTODYN. Выполнено численное моделирование процесса сварки взрывом. По результатам моделирования получена зависимость температуры в точке контакта от угла метания пластины. Проведена экономическая оценка стоимости работ. Освещены вопросы по охране труда и техники безопасности.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. Методы получения мелкозернистой структуры

. Расчет параметров метаемой пластины инженерной методикой

.1 Исходные данные

.2 Решение

. Описание ПО ANSYS AUTODYN

.1 О компании ANSYS, Inc

.2 Модуль программы ANSYS -ANSYS AUTODYN

.3 Программный расчетный комплекс AUTODYN. Области применения

.3.1 Математическое описание постановок решения задач нестационарной нелинейной динамики AUTODYN

.3.2 Методы, используемые решателями AUTODYN

.3.3 Концепция создания расчетной модели AUTODYN

.3.4 Операционные системы, и распараллеливание AUTODYN

.3.5 Лицензии ANSYS для высших учебных заведений (ВУЗов)

. Моделирование сварки взрывом

.1 Постановка задачи

.2 Результаты моделирования

.3 Сравнение результатов моделирования с результатами расчета инженерной методикой

. Исследование зависимостей параметров сварки взрывом

.1 Постановка задачи

.2 Результаты моделирования

.3 Вывод о зависимости температуры в точке контакта от угла соударения

. Технико-экономическое обоснование выполнения дипломной работы

.1 Определение трудоемкости выполнения НИР

.2 Построение ленточного графика выполнения НИР

.3 Определение плановой себестоимости проведения НИР

.4 Определение прибыли и договорной цены НИР

.5 Оценка научно-технической результативности и социальной эффективности НИР

. Проектирование рабочего места оператора ПК на основе требований эргономики

.1. Эргономика размещения монитора

.2 Требования к рабочему месту

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Один из наиболее перспективных подходов к решению проблемы создания конструкционных материалов с уникальным сочетанием важнейших механических свойств заключается в формировании ультрамелкозернистой структуры. В последние годы активно обсуждается проблема получения наноструктурированных металлических материалов конструкционного назначения. Решение отмеченной проблемы в свою очередь связано с необходимостью решения ряда сложных задач. Одна из наиболее важных заключается в разработке технологических процессов, позволяющих получать массивные компактированные заготовки или изделия.

1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ

Специалистами предложено несколько технологических процессов, позволяющих сформировать нанокристаллическую структуру, обеспечивающую высокий комплекс механических свойств материалов [1]. Один из наиболее рациональных подходов к отмеченной проблеме заключается в применении методов, основанных на интенсивной пластической деформации (ИПД) материала. Используя методы интенсивной пластической деформации нано- и субмикрокристаллическую структуру удается получать на таких материалах как алюминий, железо, магний, вольфрам, никель, титан и их сплавы.

Методы получения наноматериалов, основанные на интенсивной пластической деформации массивных заготовок, лишены недостатков характерных для методов компактирования предварительно полученных нанопорошков. Важнейшая особенность методов, основанных на интенсивной пластической деформации металлических материалов, заключается в обеспечении нулевой пористости. Материалы, полученные по технологии интенсивной пластической деформации, в настоящее время являются одними из наиболее изучаемых среди наноматериалов конструкционного назначения. В современной литературе подробно отражены технологические процессы измельчения зеренной структуры материалов, основанные на равноканальном угловом прессовании (РКУП), кручении под давлением, винтовом прессовании, аккумулируемой прокатке, мультиосевой деформации, деформации по схеме знакопеременного изгиба.

В качестве основных методов, обеспечивающих деформацию с большими степенями и пригодных в этой связи для получения нанокристаллической структуры, используют равноканальное угловое прессование (РКУП), кручение под давлением. Схема РКУП представлена на рисунке 1.1).

Рисунок. 1.1 - Принципы методов интенсивной пластической деформации: а - кручение под высоким давлением; б - РКУ-прессование

Истинная логарифмическая степень деформации при реализации этих методов достигает 4…7. В установках, обеспечивающих деформацию кручением заготовок, используется принцип наковален Бриджмена. Образец помещается между двумя штангами, сжимается под большим давлением и закручивается. В нижней штанге имеется углубление, в котором находится деформируемый образец. Углубление не позволяет материалу вытекать в радиальном направлении и обеспечивает в процессе деформации квазигидростатическое давление. В условиях гидростатического сжатия деформируемый материал не разрушается. Диаметр диска обычно составляет 10…20 мм, толщина - 0,3…1,0 мм. При использовании образцов диаметром 20 мм давление, действующее на образец, достигает ~ 1,5 ГПа. Образцы диаметром около 3 мм могут испытывать давление до ~ 10 ГПа.

Наиболее перспективным методом интенсивной пластической деформации, обеспечивающим получение массивных объектов с нано- и ультрадисперсной кристаллической структурой является, равноканальное угловое прессование (РКУП), предложенное В.М. Сегалом [2]. В англоязычной литературе технология известна под аббревиатурой ECAP (equal-channel angular pressing). Метод РКУП основан на многократном продавливании заготовок через систему двух каналов, пересекающихся под углом. Каждый проход деформируемого прутка обеспечивает эквивалентную деформацию на величину e = 1…1,16. Неизменность поперечного сечения исходной заготовки позволяет осуществлять многократную деформацию материала, обеспечивая необходимую степень деформации.

Важная особенность анализируемого метода связана с локализацией очага интенсивной пластической деформации и с высокой степенью однородности напряженного и деформированного состояния материала в зоне сопряжения двух каналов. Эти особенности позволяют в итоге сформировать субмикрокристаллическую (СМК) или даже нанокристаллическую структуру во многих металлических материалах. В настоящее время технология развивается таким образом, чтобы перерабатывать достаточно крупные объекты (прутки). Методом равноканального углового прессования получены заготовки диаметром до 60 мм. Средний размер зерен в заготовках составляет ~ 200…500 нм.

Субмикрокристаллическая структура, сформированная методами интенсивной пластической деформации, отличается наличием неравновесных границ зерен. Эта неравновесность определяет высокий уровень упругих напряжений в материале. Именно по этой причине наноструктурированные материалы, полученные по технологии интенсивной пластической деформации в холодном состоянии, обладая высоким уровнем прочностных свойств, во многих случаях являются охрупченными. Это заставляет специалистов искать альтернативные способы воздействия, обеспечивающие сочетание высокого уровня показателей прочности, пластичности, вязкости.

Одним из наиболее простых подходов к решению отмеченной проблемы является термопластическое воздействие на материал, сочетающее пластическую деформацию материала с его нагревом. Однако получить по такой схеме размер зерна менее 1 мкм не представляется возможным.

Таким образом, проблема заключается в том, что интенсивная пластическая деформация в холодном состоянии, способствуя эффективному измельчению зеренной структуры, приводит к охрупчиванию материала. С другой стороны горячая деформация не позволяет получить ультрамелкозернистую структуру и обеспечить высокий уровень прочностных свойств.

Российскими учеными на основе метода равноканального углового прессования предложен динамический метод интенсивной пластической деформации материалов [3], в котором для деформации материалов используется энергия импульсных источников - продуктов взрыва, горения пороха, электромагнитной энергии, обеспечивающий скорость деформации образцов порядка 10⁵ с^-1 и уровень давлений порядка 3-7 ГПа. Этот метод позволяет получить измельчение структуры и повышение прочностных свойств металлов. На примере титана, меди и алюминиевого сплава показана возможность трансформации крупнозернистой структуры в субмикрокристаллическую с размером зерна 30-350 нм. При этом наблюдается существенное (до 2 раз) повышение прочности и твердости материалов.

В то же время воздействие на материалы сильных волн сжатия с амплитудами свыше 30 ГПа, при которых реализуются сверхвысокие скорости деформирования порядка 10⁶ -10¹⁰ с^-1 и напряжения сдвига, превышающие предельную прочность кристаллической решетки, привлекают все большее внимание исследователей. При ударно-волновой обработке материалов уже подтверждено образование таких уникальных структур, как квазикристаллическая и аморфная фазы. С помощью металлографических методов исследуются тонкие структурные изменения материалов при воздействии на них высокоскоростного деформирования и делаются попытки связать изменение структуры на микро- и мезоуровнях с изменением механических свойств. Макроскопическая реакция на высокоскоростное деформирование оказывается весьма сложной - за довольно короткие времена материал может претерпевать кратковременное падение прочности, а после выравнивания температурного поля - повышение прочностных свойств. В работе [4] исследовались прочностные свойства и структура меди с различным размером зерна, подвергнутой высокоскоростному нагружению при различных условиях. Проводилось ударноволновое нагружение с амплитудами 70-25 ГПа, и скоростями деформации 10⁸ -10⁹ с^-1, квазиэнтропическое нагружение с амплитудами 30 ГПа, и скоростями деформации 10⁶ -10⁷ с^-1, и двойное ударное нагружение с амплитудами 40 и 35 ГПа. Было показано, что высокоскоростное деформирование (скорость деформации >10⁶ с^-1) изменяет не только структуру, но и механические свойства меди. Значительно увеличивается как сдвиговая, так и откольная прочность.

Разработанные в РФЯЦ-ВНИИТФ сферические взрывные герметичные устройства сохранения позволили получить высококачественные объемные нанокерамики [5]. Использовались сферические герметичные устройства сохранения с наружным, внутренним и встречным инициированием детонации. В качестве объектов исследования были выбраны:

антиферромагнитный полупроводник - монооксид меди CuO;

ферромагнетик Mn₃O₄;

двухфазный манганит LaMnO_3, являющийся смесью 3:1 ромбоэдрической и кубической модификаций.

Исходные образцы представляли собой шары из оксида, статически подпрессованного и отожженного до плотности 79-80% от теоретической и имели исходное зерно размером 5-15 мкм. Образцы заваривались в вакууме в силовые гермочехлы из нержавеющей стали и подвергались сферическому взрывному обжатию. В процессе взрывного обжатия гермочехлы сохраняли прочность и герметичность, что исключало загрязнение изучаемого образца. По результатам работы продемонстрированы возможности разработанных в РФЯЦ-ВНИИТФ сферических взрывных герметичных устройств сохранения для получения объемных высокопрочных нанокерамик. Разработанные методы являются, по-существу, единственно доступными для получения объемных высококачественных нанокерамик, обладающих требуемым комплексом оптических и магнитных свойств. По сравнению с нанокристаллическими металлами и сплавами полученные образцы нанокерамик обладают существенно большей временной (годы хранения при комнатной температуре) и температурной (до 800-900 К) стабильностью, что представляет уже не только большой научный интерес, но позволяет надеяться на практическое использование новых синтезированных во взрывных экспериментах материалов.

Поиск зарубежных публикаций по проблеме получения ультрамелкозернистой структуры в металлах и сплавах путем использования специальных схем взрывного нагружения показал, что опубликован ряд работ [6-8] по проблеме сварки взрывом, в которых при иследовании структуры и характеристик зоны сварного шва было обнаружено измельчение структуры и повышение твердости, что связано с высокими степенями пластической деформации в зоне сварки взрывом.

Предварительные неопубликованные результаты профессором Хокамото, подтверждают принципиальную возможность получения ультрамелкозернистой структуры в металлах и сплавах в схемах нагружения, подобных схеме сварки взрывом, представленной на рисунках 1.2, 1.3).

Рисунок 1.2 - Схема сварки взрывом: 1 - детонатор; 2 - заряд ВВ; 3 - метаемая пластина; 4 - неподвижная пластина; 5 - массивное основание.

Также были подробно изучены процессы структурных преобразований в поверхностных слоях сварных соединений под воздействием алмазного индентора, колеблющегося с ультразвуковой частотой [9]. В качестве объектов исследования были использованы сварные швы, полученные методом лазерной сварки углеродистых сталей с содержанием углерода 0,1…0,2%.

Рисунок 1.3 - Устройство для ускорения ударника детонационной волной в режиме тангенциального падения: 1- инициатор плоской детонационной волны; 2-слой ВВ; 3-ударник; 4-мишень; 5-обойма

Показано, что в процессе ультразвуковой обработки в поверхностном слое сварного соединения образуется ультрамелкозернистая структура. Характерной особенностью такой обработки является формирование в деформируемом материале остаточных напряжений сжимающего типа. Это принципиально отличает ультразвуковую обработку от многих других способов формирования ультрамелкозернистой структуры, основанных на интенсивной деформации материала в холодном состоянии. Сформированная при ультразвуковой обработке структура характеризуется повышенным уровнем усталостной трещиностойкости, что является важным достоинством исследованного метода.

В ходе глубоких структурных исследований были изучены преобразования не только дислокационной и зеренной структуры, но также и карбидной фазы. Установлено, что интенсивная пластическая деформация обеспечивает растворение грубых цементитных частиц и последующее их выделение в виде мелкодисперсных глобулей с размерами ~ 10…30 нм.

Показано, что нагрев ультрамелкозернистой структуры, сформированной в процессе ультразвуковой обработки, до 500..520^ОС и выше приводит к активному перераспределению дислокаций, формированию субзеренной структуры в ферритной матрице.

Авторами было изучено влияние высокоинтенсивного динамического нагружения при фокусировке энергии во взрывных системах, включающих высокомодульные упругие элементы [10] на процессы двойникования углеродистых сталей с феррито-перлитной структурой. С использованием методов растровой и просвечивающей электронной микроскопии подтвержден механизм двойникования не только в феррите, но также и в структуре пластинчатого перлита, что видно на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Двойникование при высокоинтенсивном динамическом нагружении

Показано, что присутствие множества двойников, возникших на стадии нагружения взрывом, отражается на изломах стальных образцов в виде характерных, геометрически правильных фасеток скола, видных на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Изломы стальных образцов в виде характерных, геометрически правильных фасеток скола

Методами структурных исследований показано, что процессы высокоинтенсивного нагружения взрывом стальных пластин сопровождаются не только активным двойникованием материала, но также и проявлением явно выраженных процессов локализованного пластического течения, изображенных на рисунке 1.6. Ширина этих зон достигает сотен микрометров, длина - нескольких миллиметров. Размер отдельных структурных элементов в зонах локализованного пластического течения составляет ~ 100…300 нм.