Как влияет неравномерность нагрева при сварке на величину деформации основного металла


23.Как влияет неравномерность нагрева при сварке на величину деформации основного металла?

В данной инструкции изложены основные функции сайта, и как ими пользоваться

Здравствуйте,  

Вы находитесь на странице инструкции сайта Тестсмарт.
Прочитав инструкцию, Вы узнаете  функции каждой кнопки.
Мы начнем сверху, продвигаясь  вниз, слева направо.
Обращаем Ваше внимание, что в мобильной версии  все кнопки располагаются, исключительно сверху вниз. 
Итак, первый значок, находящийся в самом верхнем левом углу, логотип сайта. Нажимая на него, не зависимо от страницы,  попадете на главную страницу.
«Главная» -  отправит вас на первую страницу.
«Разделы сайта» -  выпадет список разделов, нажав на один из них,  попадете в раздел интересующий Вас.

На странице билетов добавляется кнопка "Билеты", нажимая - разворачивается список билетов, где выбираете интересующий вас билет.

«Полезные ссылки» - нажав, выйдет список наших сайтов, на которых Вы можете получить дополнительную информацию.

 

 

 

В правом углу, в той же оранжевой полосе, находятся белые кнопки с символическими значками.

  • Первая кнопка выводит форму входа в систему для зарегистрированных пользователей.
  • Вторая кнопка выводит форму обратной связи через нее, Вы можете написать об ошибке или просто связаться с администрацией сайта.
  • Третья кнопка выводит инструкцию, которую Вы читаете. :)
  • Последняя кнопка с изображением книги ( доступна только на билетах) выводит список литературы необходимой для подготовки.
Опускаемся ниже, в серой полосе расположились кнопки социальных сетей, если Вам понравился наш сайт нажимайте, чтобы другие могли так же подготовиться к экзаменам.
Следующая функция «Поиск по сайту» - для поиска нужной информации, билетов, вопросов. Используя ее, сайт выдаст вам все известные варианты.
Последняя кнопка расположенная справа, это селектор нажав на который вы выбираете, сколько вопросов на странице вам нужно , либо по одному вопросу на странице, или все вопросы билета выходят на одну страницу.

На главной странице и страницах категорий, в середине, расположен список разделов. По нему вы можете перейти в интересующий вас раздел.
На остальных страницах в середине располагается сам билет. Выбираете правильный ответ и нажимаете кнопку ответ, после чего получаете результат тестирования.
Справой стороны (в мобильной версии ниже) на страницах билетов располагается навигация по билетам, для перемещения по страницам билетов.
На станицах категорий расположен блок тем, которые были добавлены последними на сайт.
Ниже добавлены ссылки на платные услуги сайта. Билеты с ответами, комментариями и результатами тестирования.
В самом низу, на черном фоне, расположены ссылки по сайту и полезные ссылки на ресурсы, они дублируют верхнее меню.
Надеемся, что Вам понравился наш сайт, тогда жмите на кнопки социальных сетей, что бы поделиться с другими и поможете нам.
Если же не понравился, напишите свои пожелания в форме обратной связи. Мы работаем над улучшением и качественным сервисом для Вас.

С уважением команда Тестсмарт.

Аналитическая модель

для оценки количества тепла, выделяемого при сварке трением с перемешиванием: нанесение на пластины из алюминиевого сплава 2024 T351

Тепловыделение - это неизбежный процесс, следующий за процессом создания шва трением с перемешиванием. Поскольку FSW - это сварочная процедура, в которой сварочный инструмент используется в качестве инициатора процесса соединения деталей, сварочный инструмент передает энергию активации [38, 39] на детали, и соединение деталей достигается при выделении тепла.

В данном исследовании представлена ​​аналитическая модель для оценки количества тепла, выделяемого во время FSW [5]. Модель распознает геометрические, кинематические, физические и энергетические возможности тепловыделения во время FSW, распознает доминирующие параметры, влияющие на процесс тепловыделения, и использует их для оценки того, сколько механической энергии преобразуется в тепло. Существующие модели для оценки количества тепла, выделяемого во время FSW [12, 15, 17, 20, 22, 23, 25, 26], распознают многие параметры, влияющие на процесс тепловыделения.Некоторые из них - это топология и геометрия сварочного инструмента, технологические параметры (скорость вращения инструмента n [об / мин] или угловая скорость ω [рад / с], скорость перемещения v x [мм / с] ], угол наклона и т. д.), нагрузка (осевое усилие F z , крутящий момент M т и т. д.), физические фазы FSW, продолжительность процедуры сварки, продолжительность определенных фаз процедуры сварки и т. д. Кроме того, эти параметры инициируют другие параметры, влияющие на процесс тепловыделения: коэффициент трения μ , контактное давление p , напряжение сдвига τ , температура T , механизм тепловыделения (определяется е.грамм. переменная постоянного состояния δ ) и т. д. Однако представленные модели упрощают FSW, предполагая, например, постоянный коэффициент трения [12], постоянное контактное давление [15], чистое тепловыделение от трения [12, 15, 17, 23], тепловыделение только из-за работы большей части сварочного инструмента [20, 23, 25, 26] , отсутствие тепловыделения, когда температура в заготовке достигает точки плавления [22, 23] и т. д. Подобные предположения влияют на удобство использования и точность результатов, полученных с помощью разработанных моделей.

Представленная здесь модель учитывает многие из ранее проанализированных параметров. Особое внимание в модели уделяется, помимо оценки значений параметров, взаимным зависимостям между параметрами и их влиянию на процесс тепловыделения. Таких зависимостей много, и распознать их все невозможно. Более того, многие из них слишком сложно объяснить аналитически и требуют численных расчетов и экспериментальной оценки / проверки. По этим причинам аналитическая модель учитывает только самые важные зависимости (рис.2, а).

Из-за природы этого подхода предлагаемая аналитическая модель опирается на три основных элемента: аналитическую алгебру, численные расчеты и экспериментальные данные [5]. Аналитическая алгебра основана на существующих исследованиях и результатах, но включает некоторые улучшения. Алгебра разработана для законченного сварочного инструмента, включает в расчеты больше основных параметров, чем в предыдущих моделях, распознает больше зависимостей между параметрами, игнорирует меньшее количество параметров и имеет более короткое время расчета.Одним из усовершенствований алгебры является реализация численной модели потока материала с учетом баланса энергии в деталях. В численных расчетах используются соответствующие численные процедуры, обеспечивающие хорошую точность и сходимость за короткое время вычислений.

Аналитическая модель дает точные результаты только в том случае, если в модель включены экспериментально оцененные параметры. Кроме того, проверка аналитической модели может быть выполнена путем сравнения результатов аналитической модели с экспериментально оцененными результатами.Экспериментальные данные, полученные при сварке заготовок из сплава Al 2024 T351, используются в качестве исходных и для проверки аналитической модели. Взаимные зависимости параметров, влияющих на тепловыделение, выводятся в итеративном режиме работы аналитической модели: время и пространство дискретизируются, а условия, численно оцененные для текущего дискретизированного момента времени, являются входными данными для будущего дискретизированного момента времени (рис. , б).

Поскольку сварочный инструмент является главным инициатором процесса сварки и выделения тепла, важно проанализировать сварочный инструмент и его влияние на детали, а также физическое включение сварочного инструмента во время сварки.

2.2.1. Активные поверхности, взаимодействие активных поверхностей и физические фазы процесса FSW

С 1992 г. по настоящее время был введен ряд различных типов сварочных инструментов [1, 40, 41]. Они различаются по форме, размеру, механическим свойствам и т. Д., И каждый инструмент применим к определенному материалу и ограниченно применим к некоторым другим. Однако все сварочные инструменты имеют одну и ту же основу: они состоят как минимум из одного плеча, несущего хотя бы один зонд, непосредственно участвующий в сварке.Недавно появились усовершенствованные катушечные инструменты [7], когда сварочный инструмент имеет двуплечие. Независимо от того, насколько сложен или прост сварочный инструмент, ограниченная часть сварочного инструмента находится в постоянном контакте с основным металлом и выполняет сварку. Область сварочного контакта (WCR) на сварочном инструменте состоит из трех областей, называемых активными поверхностями сварочного инструмента (ASWT). Их всегда три: конец зонда (pt), сторона зонда (ps) и кончик плеча (st) (рис. 1, б). Полная сварка и все физические процессы, следующие за ней, возникают на этих поверхностях или вблизи них [5].Наконечник зонда обычно представляет собой самый маленький ASWT, расположенный в верхней части зонда. Он может быть плоским, изогнутым или фланцевым, а также закругленным в углу, где он соединяется со стороной зонда. Сторона зонда является цилиндрической или конической ASWT, имеющей одну ось вращения с наконечником зонда. Площадь со стороны зонда увеличена за счет различных резьб или фланцев, которые способствуют более интенсивному перемешиванию материала в сварном шве [41]. Корневая сторона щупа соединяется с плечом. Кончик заплечика - это самый большой ASWT, обычно плоский или изогнутый таким образом, что создает «резервуар» для вспыхивающего материала, исходящего от заготовок.Он ограничен верхней поверхностью сварного шва и играет роль в создании сварного шва без дефектов [11].

В начале процесса FSW сварочный инструмент располагается над заготовками, а ось вращения сварочного инструмента (почти) перпендикулярна линии соединения.

После позиционирования сварочный инструмент начинает вращаться с постоянной скоростью ( n оборотов в минуту, угловая скорость ω [рад / сек]) и медленно погружается в заготовки в направлении - z -ось.То есть начало процесса сварки начинается т = т 0 . Погружение прекращается при достижении глубины погружения ( т = т 1 , продолжительность погружения т пл = т 1 - т 0 ). Глубина врезания равна высоте заготовки или немного меньше и достигается при постоянной скорости перемещения сварочного инструмента v z .Сварочный инструмент продолжает вращаться и останавливается до т = т 2 . В это время ( т dw 1 = т 2 - т 1 ) материал заготовки готовится к сварке: он нагревается и размягчается в области возле сварочного инструмента . После этого сварочный инструмент начинает поступательное движение вдоль линии соединения ( x -ось) с постоянной скоростью перемещения v x .Вращение и поступательное движение сварочного инструмента заставляют материал заготовки (около сварочного инструмента) деформироваться, прилипать и смешиваться в монолитную композицию (сварной шов), которая осаждается в области позади сварочного инструмента. Движение сварочного инструмента по линии стыка продолжается до достижения длины сварки л , при т = т 3 . Этот период ( т w = т 3 - т 2 ) является продуктивной фазой сварочного процесса.Перемещение сварочного инструмента останавливается, и инструмент остается в конечной точке до т = т 4 ( т dw 2 = т 4 - т 3 ) . Затем сварочный инструмент перемещается в направлении z и покидает сварной шов и детали. Когда сварочный инструмент полностью снят с заготовок ( т = т 5 , т po = т 5 - т 4 ) процесс сварки окончен .Физические фазы FSW показаны на рис. 3. При определенных обстоятельствах, время ожидания может быть исключено из процесса сварки, однако полный процесс FSW состоит из фазы погружения (от т 0 до т 1 ), первая фаза жилья ( т 1 до т 2 ), фаза сварки ( т 2 до т 3 ), вторая фаза строительства ( т 3 до т 4 ), и фаза извлечения ( т 4 до т 5 ) [5].

Рис. 3.

Физические фазы процесса сварки трением с перемешиванием

Активные поверхности сварочного инструмента по-разному участвуют в процессе сварки во время полного цикла сварки, и степень зацепления каждой активной поверхности изменяется в течение цикла (Рис. 4, б). Наконечник зонда участвует в сварке с начала процесса сварки до конца второй фазы выдержки (от т 0 до т 4 ). Поскольку при сварке полностью задействован конец зонда, зацепление кончика зонда считается максимальным.Сторона зонда участвует в процессе сварки при возникновении интенсивного врезания (при т пл ’ ) [5, 42-46]. Зацепление стороны зонда поднимается с подъемом погружения зонда в заготовки. По окончании фазы погружения ( t 1 ) зацепление стороны датчика достигает определенного значения и сохраняет его в течение всего первого этапа удержания. Когда начинается фаза сварки (при t 2 ), зацепление стороны зонда увеличивается до максимального.Это значение достигается, когда процесс сварки стабилизируется - скорость хода ( с ) v x достигает постоянного значения (при t pl ” ) и остается постоянной до конца вторая жилищная фаза ( т 4 ) и после этого уменьшается. Наконечник заплечика участвует в процессе сварки до окончания фазы погружения ( т st ) и достигает полного зацепления при прекращении врезания ( т 1 ) и удерживает его до конца второй выдержки фаза.

Рисунок 4.

a) Сварочный инструмент, использованный для экспериментов [5], b) Активное поверхностное взаимодействие (ASE) [44]

2.2.2. Оценка количества тепла, выделяемого во время FSW

Как упоминалось ранее, процесс тепловыделения в FSW - это процесс, который преобразует механическую энергию (мощность) в тепло. Если η Q представляет собой преобразование тепла [5], общее количество тепла, выделяемого во время FSW - Q т , является функцией механической мощности P a , доставленной в сварочный инструмент:

Qt = ηQPa [Вт], ηQ = (0, 1) E1

Сварочный инструмент выполняет двойное движение: поступательное (tr) и вращательное (вращение), а общее количество выделяемого тепла является суммой поступательного перемещения Q ttr и тепло, генерируемое вращением Q trot :

Qt = Qttr + Qtrot = Qttr0 + QtrotE2

Количество поступательного тепла значительно меньше, чем количество тепла вращения [5, 12 ] и им можно пренебречь при анализе.

Тепло генерируется на ASWT или около него [5, 10, 12], а общее количество выделяемого тепла представляет собой сумму тепла, генерируемого на каждом ASWT:

, где Q pt - количество тепла генерируется на конце зонда, Q ps - количество тепла, выделяемого на стороне зонда, и Q st - количество тепла, выделяемого на кончике плеча.

Упрощая анализ и предполагая, что общее количество механической энергии преобразуется в тепло ( η Q = 1), общее количество тепла становится:

Механическая мощность зависит от угловой частоты ω и крутящего момента M t и общее количество выделяемого тепла составляет:

и

dQt = ωdMt = ωrdFt = ωrτcontdAE6

, где d F t - бесконечно малая сила, расстояние r - бесконечно малый отрезок, d A - бесконечно малая площадь, τ cont - контактное напряжение сдвига в материале.

Рис. 5.

Активные поверхности сварочного инструмента FSW

Различные топологии активных поверхностей приводят к разному количеству выделяемого на них тепла, что дает разные выражения для оценки количества выделяемого тепла (Рис. 5). После интегрирования уравнения. 6, выражения для аналитического количества тепла, выделяемого на каждом ASWT, соответственно:

Qpt = ∫02π∫0d / 2ωr2τcontdθdr = 23πωτcont (d2) 3E7Qps = ∫02π∫0hω (d2) 2τcont (1 + tgβ2) dθdz = 2πωτcont (d2) 2h (1 + tanβ2) E8Qst = ∫02π∫d / 2D / 2ωr2τcont (1 + tanα) drdθ = 23πωτcont [(D2) 3− (d2) 3] (1 + tanα) E9

где: d - номинальный диаметр зонда, D - диаметр заплечика, h - высота зонда, α - угол конуса заплечика, β - угол конуса зонда.

Существует тепло, выделяемое трением (теплота трения), и тепло, выделяемое при деформации (теплота деформации) [5, 10-12]. Оба типа тепла появляются одновременно на каждом ASWT и оба влияют друг на друга. Учитывая оба типа тепла и их взаимное влияние друг на друга, общее количество тепла, выделяемого на наконечнике зонда, на стороне зонда и на конце выступа, соответственно:

Qpt = (1 − δpt) Qptfr + δptQptdef E10Qst = (1− δst) Qstfr + δstQstdefE11Qps = (1 − δps) Qpsfr + δpsQpsdefE12

, где тепло с индексом fr представляет тепло трения, тепло с индексом def представляет тепло деформации, δ ps , δ st - безразмерная переменная состояния контакта (протяженность проскальзывания) на конце зонда, на стороне зонда и на конце выступа соответственно.

Количество тепла при трении и деформации в уравнениях 10, 11 и 12 для каждого ASWT с использованием уравнений 7, 8 и 9 относительно контактного напряжения сдвига [12, 5] составляет:

τcont = {μpτyield, для генерации тепла при трении, для генерации тепла деформацией E13

где: μ - коэффициент трения, p - контактное давление, τ yield - предел текучести заготовок при сдвиге.

Кроме геометрических размеров сварочного инструмента ( d , D , h , H , α , β и т. Д.) и технологических параметров процесса ( ω , v x ), всех остальных параметров ( μ , p , τ cont , τ выход , T , F z ( т ), M т ( т ), δ pt , 000 δ ps6 , δ st , t 1 , t 2 , t ps ' , t st и т. Д.), необходимые для аналитической модели, должны быть оценены аналитически, численно, экспериментально или в сочетании с процедурами оценки.

Оценка коэффициента трения: Из-за сложной кинематики FSW сложно установить простую процедуру для оценки коэффициента трения в FSW. Предыдущие исследования признали коэффициент трения переменной в FSW, но пренебрегали вариациями и предполагали постоянное значение на протяжении всего цикла FSW.Обычно коэффициент трения в пределах СТС для сварочного инструмента из стали и заготовок из алюминия равен 0,3-0,4 [12, 34].

Kumar et al. В [34] предложена экспериментальная модель для оценки коэффициента трения при СТП. Модель основана на экспериментальной оценке импульса трения и осевой силы, которые необходимы для оценки коэффициента трения. На рисунке 6 представлена ​​функциональная схема места измерения для оценки коэффициента трения.Чтобы оценить коэффициент трения при СТП, необходимо оценить импульс трения и осевую силу [5]. Импульс трения представляет собой произведение тангенциальной силы F т ( т ) (измерено датчиком силы 10, рис.6) и длины полюса (полюса трения) L т . Если диаметр соприкасающегося щупа сварочного инструмента составляет d ( t ), а осевое усилие составляет F z ( t ), коэффициент трения μ можно оценить как [14, 34]:

μ = 3Ft (t) LtFz (t) d (t), t2≥t≥t0E14
Рисунок 6.

Конфигурация для измерения момента трения и осевой силы: 1 сварочный инструмент, 2 шпинделя сварочного инструмента, 3 вала, 4 детали, 5 датчиков силы (осевое усилие), 6 опор, 7 опорных пластин. , 8-шарикоподшипник, 9-фундаментный болт, 10-контактный датчик (тангенциальная сила), 11-полюсный

Предлагаемая модель дает приблизительные результаты и только для первых двух фаз СТП - погружения и первого заселения. Модель не применима к фазе сварки, поскольку измерительная система теряет устойчивость, когда сварочный инструмент движется вдоль линии соединения, и момент трения не может быть измерен [5].Без надлежащей модели для оценки коэффициента трения во время фазы сварки необходимо моделировать коэффициент трения. Коэффициент трения, используемый для аналитической модели, оценивается по результатам экспериментов.

Оценка контактного давления: Контактное давление p появляется в начале фазы погружения в результате осевой нагрузки F z ( t ) на сварочном инструменте. Герц [45] предложил первую модель распределения контактного давления, если цилиндр с плоским основанием пробивает плоскость, в то время как Munisamy et al.[46] и Левицкий [47] предложили модели, описывающие контактное распределение давления и тепловыделение при наклоне оси цилиндра.

Распределение контактного давления p ( r , t ) от плоского наконечника зонда (рис. 7, а) составляет [48]:

p (r, t) = 2Fz (t) dπd2 −4r2, t0≤t Рис. 7.

Распределение контактного давления для а) плоских и б) сферических наконечников зонда [4, 42, 43]

Если наконечник зонда имеет сферическую форму , контактное давление распределяется (рис.7, б) как [48]:

p (r, t) = 2πd2−4r23Fz (t) E¯2d53, t0≤t , где E¯– представляет собой оцененный средний модуль упругости как:

1E¯ = 1 − νwt2Ewt + 1 − νwp2EwpE17

и E wt - модуль упругости материала сварочного инструмента, ν wt - коэффициент ядовитости материала сварочного инструмента, E wp - модуль упругости материала заготовок, ν wp - Отравление материала заготовки.

Для инженерной практики среднее контактное давление p м ( t ) дает хорошие результаты:

p≈pm (t) = 4Fz (t) d (t) 2π, d (t) = d, t0≤t Исследования [5, 10, 42-44] показали, что контактное давление, распределенное по заготовкам, достигает разных значений в разных зонах - в некоторых зонах оно превышает предел текучести заготовок, а в в остальных зонах он имеет значения ниже предела текучести (рис. 8, в).

Наличие таких зон увеличивает сопротивление заготовок при погружении и интенсивное погружение возникает, когда [5, 10, 42-44]:

pm (t)> kehσyield (T); кех = 1.5-3E19

где: σ yield ( T ) - предел текучести заготовок в зависимости от температуры T .

Рис. 8.

Распределение контактного давления [4, 42, 43]: a) сторона зонда, b) конец выступа, c) контактное давление, определяющее условия контакта [5, 10, 42]

Контактное давление, обеспечиваемое заплечиком наконечник распределен аналогично (рис. 8, б) с плоским наконечником зонда [5]. Это выглядит гладко, так как кончик заплечика постоянно участвует в сварке.Совместное контактное давление, создаваемое наконечником зонда и концом заплечика [5], составляет:

p≈pm (t) = 4Fz (t) d (t) 2π, d (t) {≈d − Dtst − t1⋅ (t − tst ) + d, tst≤t Контактное давление, создаваемое стороной зонда (рис. 8, а), является случаем модифицированной контактной задачи «цилиндр в цилиндре» [45, 49] . Резьба на стороне зонда увеличивает сложность анализа распределения контактного давления, однако, с резьбой или без нее, среднее контактное давление на стороне зонда составляет:

p≈pm (t) {≈Fx (t) dh, ≈0 , T2 где: F x ( t ) - усилие в направлении сварки, h - высота датчика / заготовки.

Оценка касательного напряжения сдвига: Когда появляется деформация заготовок, вращающийся слой размягченного материала перемещается вокруг сварочного инструмента [5, 12, 35, 37]. Это возможно только в том случае, если нагрузки, создаваемые сварочным инструментом, вызывают касательные напряжения, превышающие предел текучести при сдвиге. Граничное значение такого касательного касательного напряжения сдвига (контактного) по критерию текучести фон Миссеса при одноосном растяжении и чистом сдвиге [5, 12, 41, 42] составляет:

τcont = τcont (T) = τyield (T, ε) = σyield (T, ε) / 3E22

где: τ cont ( T ) - тангенциальное контактное напряжение в зависимости от температуры T , τ yield ( T, ε ) ) - предел текучести материала заготовок при сдвиге в зависимости от температуры T и скорости деформации ε, σ yield ( T, ε ) - предел текучести материала заготовок в зависимости от температуры T и скорость деформации ε .Предел текучести материала в значительной степени зависит от температуры и скорости деформации, а анализ касательных напряжений в пределах FSW требует полной истории температуры и деформации деталей в широкой зоне вокруг сварочного инструмента [5, 11, 14, 17, 23, 24, 27, 30]. Однако анализ тепловыделения при СТП может не учитывать влияние деформации на снижение предела текучести и при этом сохранять достаточную точность [12]. Пренебрежение возможно, так как максимальные температуры материала достигают примерно 80% [38] температуры плавления, когда деформация имеет значительные значения из-за условий, близких к плавлению в материале [18, 22].Напряжение касательного контактного сдвига составляет:

, где: σ yield ( T ) - предел текучести материала заготовок в зависимости от температуры T . Термомеханические свойства Al 2024 T351 приведены в [5, 12, 50-53].

Оценка переменной состояния контакта: Переменная состояния контакта или степень проскальзывания - это параметр, определяющий влияние проскальзывания в процессе тепловыделения после разницы в скорости сварочного инструмента и материала, и связывает трение с трением.деформационное тепло. Оно получено после аппроксимации кривой экспериментальных данных относительно измеренных скоростей [12, 14, 54, 55]:

δ = δmin + (1 − δmin) (1 − eAR), AR = −δ0ωrω0RE24

где: δ мин. - минимальное измеренное скольжение, δ 0 - регулируемый параметр в зависимости от материала заготовок, R - максимальный радиус сварочного инструмента, ω 0 - нормированная угловая частота сварочный инструмент (часто средняя точка диапазона измеряемых угловых частот).

В ранних работах [12] степень скольжения рассматривалась как единственная величина для всего сварочного инструмента. Эксперименты [5] показали, что разложение сварочного инструмента дает более точные результаты для степени скольжения, если оценивать его для каждого ASWT отдельно. Например, при сварке алюминиевых сплавов стальным сварочным инструментом с резьбовым датчиком [12], с учетом ASE ASWT, частичная степень скольжения составляет:

δpt = {0, δpt min + (1 − δpt min) ( 1 − eAd), Ad = −δ02ωrω0d, t0≤t t≥t4tst≤t где: δ pt = 0.1, δ пс = 0,2, δ st = 0,1, δ 0 = 0-1 из [5].

Оценка температурной предыстории заготовок: Для оценки температуры заготовки необходимо знать, сколько тепла выделяется во время сварки, поскольку тепло влияет на повышение температуры, и это должно выполняться в итерационном режиме. Итерационный режим требует дискретизации времени и пространства (рис.9, б), числовые вычисления и значительное время вычислений [5]. Температурную историю заготовок и сварочного инструмента можно оценить, решив уравнения теплопроводности:

ρwcw∂T∂t = λw (∂2T∂x2 + ∂2T∂y2 + ∂2T∂z2) + qv (для заготовок) E28ρwtcwt∂T∂t = λwtr∂∂ r (r∂T∂r) + λwtr2⋅∂∂φ (∂T∂φ) + λwt∂∂z (∂T∂z) + qv (для сварочного инструмента) E29

где: ρ w - плотность заготовки, c w - удельная теплоемкость заготовки, λ w - теплопроводность заготовки, ρ wt - плотность сварки инструмент, c wt - удельная теплоемкость сварочного инструмента, λ wt - теплопроводность сварочного инструмента.

Рис. 9.

Заготовки, сварочный инструмент, болты и опора, расположенные для сварки: а) реалистичный вид с размерами и некоторыми технологическими параметрами, использованными в эксперименте [5], б) дискретный вид (в первую очередь и вторично с сеткой с адаптивной сеткой) [ 5]

Источник тепловой энергии q v напрямую зависит от генерируемого тепла Q т и объема, получающего генерируемое тепло В т :

Начальные условия для такой системы включают распознавание начальной температуры:

T (x, y, z, t0) = T (r, φ, z, t0) = T0E31

Граничные условия сложны из-за сложной геометрии сварочного инструмента и сложной кинематики.Например, граничные условия для верхней поверхности заготовок включают конвективный и радиационный теплообмен:

λw (∂T∂z) z = h = α (T0 − Ti, j, k) + σε¯ (T04 − Ti, j , k4) E32

где: α - коэффициент теплоотдачи, σ - постоянная Стефана-Больцмана, ε¯- коэффициент теплового излучения деталей, T 0 - температура окружающей среды.

Граничные условия контакта заготовки с опорой:

λw (∂T∂z) z = 0 = λa (∂T∂z) z = 0 → λw (∂T∂z) z = 0 = αaprox (Ti, j, k − T0) E33

где: λ a - теплопроводность опоры, α aprox - приблизительный коэффициент теплопередачи.

Граничные условия между сварочным инструментом и заготовками включают теплопроводность между частями. Такое условие разлагается на классическое граничное условие проводимости:

λw (∂T∂r) r = d / 2 = λwt (∂T∂r) r = d / 2 E34

и влияние теплопередачи за счет потока материала [5 ]. Материал заготовок в зоне сварки перемещается вокруг сварочного инструмента и частично несет с собой свой энергетический баланс. При анализе в дискретном пространстве и в дискретное время узлы «перемещаются» из одного дискретного положения в другое, и они «переносят» его температуру, а во время путешествия они получают и теряют выброс тепла.Эта модель движения материала основана на исследованиях, касающихся обтекания сварочного инструмента [5, 13, 14, 20, 25, 26, 30, 34, 37], и применяется в численных расчетах температуры и теплового потока. Модель получила название «Метод замещения и замены узлов - NSRM» [5].

Результаты могут быть получены аналитически и численно - для оценки температуры использовался метод конечных разностей, явная схема с адаптивной сеткой, с применением алгоритма NSRM. Численное решение уравнений29-30 с применением ряда Тейлора для аппроксимации порядка 2 и порядка , а расположение узлов в дискретизированном пространстве:

Ti, j, km + 1 = Δtρwcw ​​[λw (Kx "+ Ky" + Kz ") + qv ] + Ti, j, км (для заготовки) E35Ti, j, km + 1 = Δtρwtcwt [λwt (Kr'ri + Kφ "ri2 + Kz") + qv] + Ti, j, км (для сварочного инструмента) E36

где:

Kx "= Ti + 1, j, km − Ti, j, km (xi + 1 − xi) (xi − xi − 1) −Ti, j, km − Ti − 1, j, km (xi− xi − 1) 2, Ky "= Ti, j + 1, km − Ti, j, km (yi + 1 − yi) (yi − yi − 1) −Ti, j, км − Ti, j − 1, км (yi − yi − 1) 2, (a) Kz "= Ti, j, k + 1m − Ti, j, km (zi + 1 − zi) (zi − zi − 1) −Ti, j, km − Ti , j, k − 1m (zi − zi − 1) 2, Kφ "= Ti, j + 1, km − Ti, j, km (φi + 1 − φi) (φi − φi − 1) −Ti, j, км − Ti, j − 1, км (φi − φi − 1) 2, (б) Kr'≈ri + 12Ti + 1, j, км − Ti, j, км (ri + 1 − ri) (ri − ri −1) −ri − 12Ti, j, км − Ti − 1, j, км (ri − ri − 1) (ri − ri − 1), ri + 12≈ri + ri + 1 − ri2, (c) Kr "≈Ti + 1, j, км − Ti, j, км (ri + 1 − ri) (ri − ri − 1) −Ti, j, км − Ti − 1, j, км (ri − ri − 1) 2, ri − 12 = ri − ri − ri − 12 (d) E37
Рисунок 10.

а) Дискретные узлы с координатами и температурами, б) Дискретизированное пространство со схемой метода «замены и подстановки узлов» [5]

.

Защитный агент между двумя материалами

Сварочный флюс - это сварочный агент, который предотвращает взаимодействие сварного шва с окружающей средой (например, воздухом). Причина, по которой это так важно, заключается в том, что материал основы и наполнителя может взаимодействовать с атмосферой и вызывать образование оксидов или других нежелательных соединений.

Почему флюс так важен при сварке?

В процессе сварки основной металл и присадочный материал претерпевают значительные изменения температуры за очень короткое время.Нагретый металл может взаимодействовать с окружающим воздухом и вызывать окисление, которое создает оксидный слой на сварном шве, снижая прочность сварного шва.

И не только кислород может создавать инфекционные сварные швы, образование сульфидов и нитридов также может снизить прочность сварного шва.

СВАРКА ТРЕНИЕМ: ПРОЦЕСС, ТИПЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА

Поскольку такие газы, как азот, присутствуют в атмосфере в изобилии, металлы имеют очень высокую вероятность воздействия на них включений.Оксидный слой снижает коррозионную стойкость металла.

Также влияет на прочность сварного шва. Поэтому техники и инженеры ищут способы, чтобы кислород никогда не попадал на сварной шов во время процесса сварки.

Основным условием работы флюса является то, что он должен быть инертным по отношению к соединяемым металлам. Другими словами, между флюсом и металлами не должно происходить никакой реакции.

Следовательно, выбор материала флюса зависит от используемых металлов.Помимо предотвращения образования оксидов, сварочный флюс также:

  • Создает защитный шлак над расплавленным металлом
  • Удаляет примеси из металла мотеля
  • Уменьшает разбрызгивание
  • Предотвращает затвердевание за счет замедления времени охлаждения и т. Д.

Флюсы находят применение в дуговой сварке защищенных металлов (SMAW), дуговой сварке порошковой проволокой (FCAW) и дуговой сварке под флюсом (SAW).

Типы электродного флюса

Для сварки флюс не используется как отдельное приложение.Они почти всегда присутствуют вместе с электродом. Флюс наносится на электрод толщиной от 1 мм до 3 мм .

В некоторых электродах внутри полой полости используется флюс. В этом случае электрод закрывает флюс.

В сфере дуговой сварки порошковые электроды в целом подразделяются на четыре различных типа в зависимости от их свойств.

1. Рутиловый электрод

Рутиловое покрытие электрода изготовлено из оксида титана. Они предлагают сварщику отличный контроль дуги и шлака.Благодаря этим свойствам покрытие рутилового электрода часто называют наиболее благоприятным для сварщиков типом флюса.

Количество дыма, выделяемого электродом, также обычно мало для рутилового электрода. Флюс рутилового электрода является предпочтительным выбором для сварки швов вне положения.

2. Основной флюс

Основной флюс изготавливается из карбоната кальция, фторида кальция, карбоната магния и некоторых других защитных соединений. Преимущество использования основного флюса заключается в том, что он приводит к лучшим механическим свойствам и низким уровням диффузии водорода.

Basic Flux является наиболее предпочтительным для высокопрочных сталей. Однако основной флюс гораздо менее терпим, когда речь идет о стабильности работы и нестандартных сварных швах.

Дуга также менее предсказуема при использовании основного потока.

3. Покрытие электрода из целлюлозы

В покрытии электрода из целлюлозы используется смесь целлюлозы и других органических соединений. Когда целлюлоза подвергается воздействию высоких температур при сварке, она разлагается с образованием окиси углерода и водорода.

Производство этих двух газов обеспечивает защиту сварного шва от атмосферы. Они также обеспечивают лучшее проплавление сварных швов.

Однако высокая скорость образования водорода может не подходить для сварки металлов, которые проявляют свойства включения водорода.

4. Покрытие из оксида железа

Покрытие из оксида железа представляет собой смесь металлических оксидов железа, марганца и кремнезема. Когда они нагреваются, они производят расплавленный кислый шлак.

Из-за высокого образования кислорода покрытие из оксида железа не подходит для сварки металлов, которые легко подвергаются включению кислорода.Одним из способов предотвращения окисления сварного шва является добавление раскислителей в сварочную сердцевину.

Разница между сваркой MIG и сваркой под флюсом

Сварка MIG или сварка в среде инертного газа - это процесс сварки, при котором электрод вводится в сварной шов с помощью электродной горелки. По сравнению со сваркой под флюсом, сварка MIG не требует покрытого флюсом электрода, поскольку в ней используется защитный газ для защиты сварочной ванны от внешнего вмешательства.

Но на этом различия не заканчиваются.

Стоимость

Сварочное оборудование MIG обычно дороже, чем установка для дуговой сварки. Следовательно, первоначальный капитал для сварки MIG - это больше, чем дуговая сварка.

Портативность

По сравнению с MIG, оборудование для дуговой сварки порошковой проволокой легко транспортировать. Компонентов, которые нужно перемещать, меньше, поскольку нет никакой системы, необходимой для подачи струи воздуха к сварному шву.

Простота использования

Сварка MIG намного проще для новичка по сравнению со сваркой под флюсом.Простота использования объясняется тем фактом, что сварщику необходимо обрабатывать только один компонент за раз. Сварка под флюсом часто требует более квалифицированных сварщиков.

В помещении или на открытом воздухе

Сварка MIG невозможна снаружи, так как внешние факторы, такие как ветер или дождь, могут значительно снизить прочность сварного шва. По этой причине они в основном предназначены для использования внутри помещений.

Сварка под флюсом не имеет таких ограничений. Они продолжают работать даже в менее благоприятных условиях.

Толщина металла

Сварка MIG используется для сварки металлов тонкой и средней толщины.Сварка под флюсом эффективна для металлов большой толщины благодаря своей глубокой проникающей способности.

Аргон - один из самых популярных защитных газов MIG, используемых в промышленности, благодаря доступной цене и инертным химическим характеристикам.

Заключение

Сварка - это не просто процесс соединения металлов. Безупречный сварной шов - это результат множества сознательных решений, принимаемых сварщиком с учетом всех особенностей.

СВЯЗАННЫЕ С: ХОЛОДНАЯ СВАРКА: СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ БЕЗ ТЕПЛА

Флюс является неотъемлемой частью дуговой сварки, и выбор одной из них оказывает большое влияние на окончательное качество сварки.Сварщики проходят подробное обучение, чтобы ознакомиться с различными методами сварки и компонентами, используемыми для каждого метода сварки.

Сварка сердечником флюсом вполне может быть одним из старейших методов дуговой сварки. Тем не менее, это один из самых эффективных и широко используемых методов соединения металлов.

.

Обзор методов оценки усталости сварных стальных конструкций

Из-за высоких концентраций напряжений сварные соединения представляют собой наиболее распространенные места возникновения усталостных трещин в стальных конструкциях, склонных к усталости. Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения и сочетания основного и дополнительного материала. Поскольку сварка является основным процессом соединения элементов стальных конструкций, очевидно, что оценка усталости в процессе проектирования и технического обслуживания становится неизбежной.Существует множество методов оценки усталости сварных соединений, но их точность остается под вопросом. В данной статье представлен обзор наиболее распространенных методов оценки усталости сварных стальных соединений. В результате этого обзора выделены области, требующие дополнительных исследований.

1. Введение

В течение срока службы многие стальные конструкции, такие как автомобильные и железнодорожные мосты, нефтегазовые платформы (морские платформы), ветряные мельницы и т. Д., Подвергаются большому количеству повторяющихся циклических нагрузок.Со временем эти нагрузки могут вызвать повреждения, например трещины, в критических местах. Это явление называется «утомляемость». Его можно определить как прогрессирующий локализованный процесс, в котором повреждение непрерывно накапливается в конструкции или структурном элементе из-за эффекта циклической нагрузки, которая имеет гораздо меньшую интенсивность, чем статическое сопротивление наблюдаемой структуры или структурной детали. Исследование Oehme [1] показывает, что усталость занимает третье место в качестве причины разрушения стальных конструкций, склонных к усталости.

Усталостные трещины обычно возникают в местах резкого изменения геометрии или в местах надрезов [2], где наблюдается локализованное увеличение напряжения (концентрация напряжений). Чем меньше вырез, тем больше концентрация напряжений и, в конечном итоге, сокращается усталостный ресурс. Наиболее частыми местами возникновения усталостных трещин в стальных конструкциях являются сварные соединения, поскольку они являются местами с высокой концентрацией напряжений. Очевидно, что оценка усталости становится неизбежной при проектировании и техническом обслуживании, поскольку сварка является основным процессом соединения элементов в конструкциях, упомянутых выше.Кроме того, в последние несколько лет высокопрочные стали все чаще используются для изготовления стальных конструкций из-за снижения собственного веса конструкции, и, хотя ее использование дает положительный эффект, усталость становится ведущим предельным состоянием по пределу прочности.

В статье представлен обзор особенностей усталостных сварных соединений и наиболее важных методов расчета и оценки усталостной долговечности сварных стальных конструкций, склонных к усталости. Области, требующие дополнительных исследований, выделены в результате обзора.

2. Усталость сварных соединений
2.1. Усталость в целом

Термин «усталость» впервые был упомянут в 19 веке для описания разрушения конструкции или структурного элемента, подвергающегося циклической нагрузке. Исследование усталости было впервые проведено Августом Велером, исследовавшим отказ осей поездов. Он обнаружил, что структурная нагрузка, которая намного ниже ее статического сопротивления, не вызывает никаких повреждений. Однако в случае повторения одной и той же нагрузки в течение длительного периода времени это может привести к выходу из строя конструкции или элемента конструкции.В XIX веке усталость была загадочным явлением, потому что усталостные повреждения не могли быть замечены, а поломка происходила без всякого предупреждения. В ХХ веке стало известно, что циклическое (повторяющееся) нагружение конструкции запускает механизм усталости и, соответственно, зарождение и распространение трещин. С тех пор, как это явление усталости стало общепризнанным, было проведено много исследований и достигнут значительный прогресс в разработке методов оценки усталости, понимании механизма усталости конструкций и материалов, а также в разработке деталей, устойчивых к усталости.Однако это явление требует дальнейшего изучения [3].

Хронология развития утомления с 1837 по 1994 гг. Приводится Шютцем [4], а также Манном [5] в его коллекции из 21 075 литературных источников в его четырех книгах, посвященных проблеме усталости материалов и конструкций с 1838 г. по 1990 г. Обзор методов оценки усталости с 2002 г. и факторов, влияющих на усталостное поведение конструкций и материалов, был проведен Куи [6].

Понимание механизма усталости является необходимым условием при рассмотрении различных факторов, влияющих на усталостную долговечность, и выборе подходящих методов оценки.Усталостная долговечность конструкции или структурного элемента измеряется от фазы зарождения и распространения трещины. Трещины от циклического нагружения обычно возникают на поверхности структурного элемента, где усталостное повреждение проявляется в виде микроскопических трещин в кристаллографических плоскостях скольжения. Эта фаза называется «фазой зарождения трещины». Кроме того, трещины распространяются от локализованной пластической деформации до макроскопических размеров в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, которое представляет собой фазу распространения трещины [3].Фаза зарождения трещины также включает в себя рост трещины в микроскопическом масштабе, но его все еще нельзя увидеть невооруженным глазом. Очень сложно определить точку между фазами зарождения и распространения трещины. На этапе зарождения трещины усталость является поверхностным явлением и зависит от характеристик поверхности материала и условий окружающей среды, в то время как распространение трещины зависит от характеристик материала, по которому трещина распространяется. Эти две фазы были впервые признаны Форсайтом [7], что является одним из крупнейших достижений в исследованиях усталости металлов в 20 веке.Механизм усталости в различных материалах и структурах широко описан Шийве [3] в его книге.

Современные теории усталости отдельно анализируют каждую фазу процесса утомления. Теории возникновения трещин основаны на предположении, что усталостные трещины возникают с локальными концентрациями напряжений или деформаций на поверхности структурного элемента из-за различных геометрических форм, таких как отверстия, выемки, неоднородности и т. Д. Распространение трещины и окончательное разрушение (разрушение) анализируются с помощью механики разрушения, которая рассматривает скорость распространения трещины в зависимости от напряженного состояния в вершине трещины.

2.2. Усталостные свойства сварных соединений

Металлоконструкции содержат большое количество геометрически сложных сварных деталей. Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения, а также путем соединения основного и дополнительного материала. Это приводит к неоднородности сварных швов. Сварные швы всегда содержат определенные недостатки, такие как зазубрины, поры, пустоты, недостаточный провар и неполное соединение основного и дополнительного материала. Влияние дефектов на усталостную долговечность сварных соединений рассмотрено Хоббахером [8].Мэддокс работал с оценкой усталостной долговечности сварных швов с дефектами [9] и пришел к выводу, что подход механики разрушения лучше всего подходит для таких оценок. Сварка представляет собой резкое изменение геометрии соединения, которое вызывает высокие концентрации напряжений, как показано на рисунке 1.


Сварка проводится путем плавления основного и дополнительного материала с использованием концентрированного источника тепла. Возникновение остаточных напряжений в зоне термического влияния и деформации элементов из-за деформаций, вызванных нагревом, является результатом быстрого охлаждения после сварки.Локальные концентрации напряжений, которые добавляются к циклическим напряжениям от внешней нагрузки, вызываются остаточными напряжениями в корне или носке сварного шва, и в некоторых случаях усталостная долговечность снижается [10, 11]. На усталостную прочность сварных соединений влияет толщина листов соединяемых элементов. Основываясь на экспериментальных результатах и ​​анализе, Герни [12] подтвердил, что увеличение толщины листа приводит к снижению усталостной прочности сварных соединений. Остаточные напряжения, вызванные процессом сварки, увеличиваются за счет увеличения толщины листа.В стандартах отрицательное влияние толщины элемента учитывается коэффициентом уменьшения сопротивления усталости, например, в европейских стандартах EN 1993-1-9, с коэффициентом уменьшения усталостного напряжения для учета размерных эффектов [13]. Важно отметить, что качество основного материала незначительно влияет на усталостную прочность сварных соединений по сравнению с другими факторами. Однако, как упоминалось во введении, использование высокопрочных сталей приводит к уменьшению собственного веса, и есть отрицательный эффект на стороне нагружения, которая в этом случае становится доминирующей.Следовательно, усталость становится ведущим предельным состоянием при проектировании конструкций.

Как упоминалось ранее, двумя фазами процесса усталости являются фаза зарождения трещины и фаза распространения. Для несварных деталей, которые склонны к усталости, большая часть усталостной долговечности связана с фазой зарождения трещины, в то время как фазой распространения трещины можно пренебречь. Сварные соединения содержат уже упомянутые недостатки в местах, где трещины могут начать распространяться с первого цикла нагружения.Поэтому в сварных соединениях фазой зарождения трещины можно пренебречь, а предел выносливости свариваемых деталей зависит от исходного размера дефекта внутри сварного шва [14]. Уже упомянутые особенности сварного шва показывают, что в сварных деталях, склонных к усталости, трещины всегда возникают в местах сварки, а не в основном материале. Трещины могут возникать в корне или на носке шва. В случае стыковых швов с полным проваром усталостные трещины возникают на носке сварного шва и распространяются по основному материалу, а в случае неполного провара трещины возникают в корне шва и распространяются по его толщине [15].

Для улучшения свариваемых стальных деталей возможно применение методов послесварочной обработки. Наиболее распространенными являются шлифование заусенцев (BG), обработка TIG (TIG), ударная обработка, чистка игл и HFMI (высокочастотное механическое воздействие) для удаления дефектов, вызванных сваркой [16, 17]. Это обеспечивает более плавный переход между подошвой сварного шва и основным материалом, что снижает концентрации напряжений, показанные на рисунке 1. Кроме того, некоторые из этих методов снимают остаточные напряжения таким образом, что деформации (деформации) пластического материала в области носка сварного шва вызывают положительные сжимающие напряжения.Следствием послесварочной обработки является увеличение возможного количества циклических нагрузок, вызывающих возникновение трещин. Основываясь на более длительной фазе зарождения трещины, качество стали теперь играет роль в повышении усталостной прочности [18]. Таким образом можно получить сварные стальные детали, которые на 30–60% более устойчивы к усталости [16]. Важно отметить, что обработка подошвы шва незначительна, если трещина зародилась в корне шва.

Усталостное повреждение возникает уже при относительно небольших напряжениях, далеко от текучести материала.Поэтому в рамках различных методов оценки усталости оправдана оценка напряжений на основе теории упругости. Ключевую роль в оценке сопротивления усталости свариваемых деталей играет точная оценка воздействия нагрузки и геометрии. Этого практически невозможно достичь без использования современных компьютерных инструментов, основанных на методе конечных элементов. Примеры расчетов соответствующих нагрузок в рамках оценки усталостной долговечности можно найти в [15, 19–21]. Развитие метода конечных элементов приводит к появлению более совершенных методов оценки сопротивления усталости, таких как метод напряжений в горячих точках, метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке и метод эталонных кривых SN, метод эффективного напряжения надреза или деформации и анализ распространения трещин с помощью линейно-упругая механика разрушения.

Проблема усталости сварных соединений дополнительно усложняется, если циклические напряжения в свариваемых деталях действуют в большем количестве направлений. Это явление называется многоосной усталостью, которая значительно неблагоприятна для сварных соединений по сравнению с одноосной усталостью [22]. В литературе есть много предложенных теорий для оценки многоосной усталостной долговечности сварных соединений [23–25]. Анализ 233 экспериментальных результатов сварных соединений, склонных к усталости, представлен в статье Бэкстремса и Маркиза [26].Результаты анализируются тремя различными методами, основанными на напряжении в горячих точках, которые включают максимальную амплитуду главного напряжения, максимальную амплитуду напряжения сдвига и подход к модели критической плоскости. Сделан вывод, что модель критической плоскости лучше всего описывает кривую S-N. Однако в будущем необходимо дополнительно развить этот метод для учета остаточных напряжений.

Многоосная усталостная нагрузка может быть пропорциональной, когда направление главных напряжений постоянное, и непропорциональной, когда направления напряжений меняются во времени.В случае пропорциональной нагрузки в EN 1993-1-9 [13] предлагается использование максимальной основной нагрузки в качестве параметра повреждения. Непропорциональная нагрузка наносит гораздо больший ущерб по сравнению с пропорциональной. В этом случае многоосная усталость разбирается на две составляющие: нормальные и касательные напряжения. Используя правило Майнера, повреждения каждого компонента оцениваются отдельно и объединяются уравнениями взаимодействия. Уравнения взаимодействия наиболее подходят для случаев, когда нормальные и касательные напряжения действуют в одном месте и в одном направлении.Существуют эксперименты, которые показывают, что усталостная долговечность элементов, подверженных непропорциональной нагрузке, столь же близка, как и усталостная долговечность элементов, склонных к одноосной нагрузке [27]. Основываясь на 233 экспериментальных результатах, Бэкстрем и Маркиз сравнивают уравнения взаимодействия, приведенные в рекомендациях европейских стандартов EN 1993-1-9 [13], финских стандартов SFS 2378 [28] и рекомендаций IIW [25]. Показано, что все три выражения обладают определенной степенью консерватизма [29]. Наилучшая корреляция для пропорциональных и непропорциональных нагрузок дается с уравнениями взаимодействия из рекомендаций IIW, которые ограничивают совокупную сумму повреждений для непропорциональной нагрузки на 0.5.

Консерватизм уравнений взаимодействия в EN 1993-1-9 [13] и рекомендациях IIW [25] подтвержден Лотсбергом в его статье [30]. Соединения, в которых трещина возникает в корне шва из-за многоосной нагрузки, были исследованы Bokesjö et al. [31]. Были проведены только испытания с пропорциональными напряжениями. Результаты были проанализированы уравнениями взаимодействия трех стандартов [13, 25, 32]. Показано, что модели оценки многоосной усталости подходят для определения усталостной долговечности, когда трещина возникает в корне сварного шва.

В настоящее время преимущества оценки многоосной усталости с помощью спектрального анализа напряжений более признаны, чем классическая хронология напряжений. Временные истории, которые используются для оценок, часто показывают большие статистические вариации, и каждое следующее напряжение, записанное во времени, отличается. Более того, моделирование амплитуды многоосных напряжений с более длительной историей может занять время. Эти проблемы могут быть решены с помощью спектрального подхода и обзора методов оценки многоосной усталости с использованием спектрального подхода, приведенного в [33].Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить пригодность численных моделей в реальных условиях. За последние четыре десятилетия было проведено много исследований, которые значительно улучшили понимание многоосевой усталости [34]. Однако очевидно, что для точной оценки динамики элементов, склонных к многоосной усталости, требуются дальнейшие значительные исследования, с акцентом на разработку уравнений взаимодействия, чтобы снизить степень консерватизма и позволить простой инженерный метод для практических оценок. .Кроме того, необходимо исследовать влияние компонентов нормального напряжения на разрушающий процесс касательных напряжений, что дало бы лучшее понимание поведения взаимодействия [29].

3. Методы оценки усталостной долговечности сварных соединений в целом

Оценка усталостной долговечности сварных соединений является очень сложной и сложной процедурой. Сварные соединения крупных стальных конструкций могут подвергаться различным нагрузкам в зависимости от их геометрической конфигурации и степени сложности.Оценка усталости явно или неявно включает сравнение нагрузки, напряжений или деформаций с их критическими значениями, которые вызывают повреждения, деформации, начальную трещину или отказ. Классические методы оценки напряженного состояния, а также базы данных с результатами подробных экспериментальных исследований были весьма ограничены. Детали проектирования и моделирования на практике основывались на опыте, полученном методом проб и ошибок [35, 36].

Сегодня существует множество подходов к оценке усталостной долговечности в зависимости от того, как учитывается локальная концентрация напряжений.Общие методы основаны непосредственно на внутренних силах и моментах в критическом сечении в предположении линейного распределения напряжений. Влияниями локальных концентраций на стороне нагружения пренебрегают. Оценки локальной усталости основываются на местных параметрах (местные напряжения или деформации) с учетом эффектов локальной геометрии в наблюдаемом месте. Наиболее часто используемые варианты локального и глобального подходов показаны на Рисунке 2 [10]. Каждый вариант характеризуется определенными параметрами нагружения, напряжения или деформации со стороны воздействия, а на диаграммах - со стороны сопротивления.


Руководства и стандарты по оценке усталости в основном основаны на подходе номинального напряжения, который фактически является глобальной концепцией. Однако выход из строя элементов конструкции из-за усталости - это локальный процесс. Локальные параметры и геометрия максимально влияют на усталостную прочность и усталостную долговечность элементов конструкции. Обширная литература, содержащая местные подходы для несварных и сварных конструкций, собрана Радаем [37]. Наиболее часто используемые методы, основанные на напряжениях, - это подход номинального напряжения, метод напряжения горячей точки и метод эффективного напряжения надреза [37, 38].В последнее десятилетие метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке, и метод эталонной кривой S-N [39, 40] также стали широко распространены благодаря доступности удобного для пользователя коммерческого программного обеспечения, такого как Verity ™ в FE-safe ™ [41].

Для проведения точной оценки усталости сварных стальных конструкций необходимо иметь столь же точную информацию о нагрузке; даже малейшее изменение значения нагрузки может вызвать большую разницу в результатах оценки. Более того, определение нагрузки методом конечных элементов является идеализацией и не включает все параметры, влияющие на поведение конструкции.Единственный способ получить точную информацию о нагрузке - это измерение поля, когда реальные деформации могут быть измерены и отмечены различными датчиками, прикрепленными к элементам конструкции. Таким образом создается наиболее точная основа для оценки утомляемости.

Системы долгосрочного мониторинга состояния конструкций, так называемые системы мониторинга состояния конструкций, в настоящее время более широко используются и развиваются [42, 43]. Они предназначены для раннего обнаружения структурных повреждений, предоставления информации о состоянии конструкции в реальном времени и для получения данных для дальнейших исследований [44].Преимущества таких систем признаны во многих странах и внедрены в большие стальные конструкции по всему миру [42, 44–48]. Для точного определения мест повреждений на конструкции используются локальные неразрушающие методы, такие как визуальный осмотр, ультразвуковой контроль, радиографические методы, контроль магнитных частиц и так далее. [49, 50]. Эти методы часто дороги и требуют много времени, но необходимы из-за оценки структурного состояния после повреждений [51].Недостатком всех этих методов является то, что история структурного состояния представляет собой только запись в определенном временном интервале и не должна представлять состояние в будущем. Учитывая множество неопределенностей, возникающих во время процедуры оценки усталости, вероятностный подход представляет собой рациональное решение. Источники неопределенностей в основном классифицируются как физические неопределенности, неопределенности измерения, статистические неопределенности из-за ограниченного числа измерений и неопределенности модели из-за несовершенства и идеализации.Разработка методов надежности конструкции (вероятностных) и метода накопления усталостных повреждений позволила при оценке усталости учесть все эти неопределенности. В конце 80-х годов были опубликованы статьи, предлагающие полную методологию оценки утомляемости с помощью вероятностных методов [52]. В то время эти методы в основном использовались для морских конструкций, а затем для оценки усталости соединений внутри стальных мостов, подверженных транспортной нагрузке [53, 54].Исчерпывающий обзор литературы, посвященной существующим подходам к надежности для повторной оценки автомобильных и железнодорожных мостов, доступен в статье Byers et al. [55].

Первым шагом в анализе усталостной надежности конструкций является формулировка математической модели, которая в идеале включала бы больше переменных, влияющих на усталостные характеристики. После этого проводится вероятностный и статистический анализ [52].

При оценке усталости два основных подхода, которые в основном используются на этапе проектирования и оценки уровня надежности, - это подходы SN в сочетании с правилом Майнера и механикой разрушения, которая используется на этапах оценки состояния и оценки остаточной усталости. жизнь конструкции.В первом случае целью анализа на усталость является определение усталостной долговечности конструкции или элемента конструкции с заданной надежностью или определение интервалов проверки, в то время как в других случаях целью является определение интервалов проверки или оставшегося времени до ремонта.

4. Подходы на основе кривых S-N
4.1. В целом

Для успешного проведения оценки усталости стальной конструкции необходимо оценить усталостную долговечность каждого элемента конструкции.Сопротивление детали представлено соответствующей кривой S-N, полученной в результате испытания образцов, подвергнутых переменным напряжениям постоянной и переменной амплитуд. Он определяется как соотношение между переменными напряжениями S и количеством изменений напряжений N . Таким образом, получают данные о сопротивлении каждой детали соответствующей геометрии, качестве работы, влиянии окружающей среды и способе нагружения.

Если кривые показаны в логарифмическом масштабе, линии берутся, рисунок 3.Аналитическое уравнение для кривой S-N: где - угол наклона кривой S-N, - значение амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения, и - значение амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения.

Из рисунка 3 видно, что сопротивление усталости уменьшается с увеличением числа амплитуд напряжений N . Билинейная кривая S-N имеет определенный наклон (обычно м = 3) к точке, которая соответствует пределу усталости с постоянной амплитудой (CA, рисунок 3.). Предполагается, что усталостная долговечность определенной детали при постоянных амплитудах напряжений ниже этого предела бесконечна. Сегодня авторы очень скептически относятся к этому утверждению [56]. Если проверка проводится достаточно долго, каждый элемент в конечном итоге выйдет из строя. Это особенно верно в случае конструкций, которые подвергаются большому количеству циклов напряжения. Как показано на рисунке 3, необходимо изменить допущение о пределе усталости с постоянной амплитудой (CA), если деталь подвергается нагрузкам с переменной амплитудой (VA).В случае переменных амплитуд (пунктирная линия на рис. 3) этот предел выносливости должен быть изменен. Например, европейский стандарт [13] дает кривые S-N с наклоном, измененным на м, = 5 после CA с горизонтальной линией после N = 10 8 (предел отсечения). Стандарты IIW в случае многоцикловой усталости принимают кривые S-N с наклоном м = 22 после CA без предела отсечки. Если пренебречь пределом усталости по постоянной амплитуде и выбрать одну линию с постоянным наклоном к горизонтали, это будет консервативный подход, как показано пунктирной линией.

Во время оценки усталости характерные детали классифицируются по категориям (классы FAT) таким образом, что одна стандартизованная кривая представляет больше деталей. В стандартах категория деталей представляет детали диапазона напряжений, выраженных как характеристическая усталостная прочность в МПа для количества циклов напряжения N = 2 × 10 6 .

Как упоминалось ранее, кривые S-N основаны на экспериментальных результатах, полученных в основном при постоянных амплитудах, в то время как в действительности детали подвергаются нагрузкам с переменными амплитудами.Используя гистограмму, можно показать спектр переменного напряжения, где каждый блок определяется амплитудой напряжения, Δ σ i и соответствующим количеством вариаций напряжения (Рисунок 4).


На рисунке 4 представлена ​​гистограмма с шестью такими блоками. Чтобы преобразовать напряжения с переменной амплитудой (которые могут быть обнаружены в действительности) в напряжения постоянной амплитуды, предполагается, что каждый блок напряжений вызывает определенные связанные частичные повреждения ( n i / N i ) , при котором порядок напряжений не учитывается.

Эта процедура называется гипотезой Палмгрена – Майнера о линейном накоплении повреждений, широко известной как правило Майнера [57]. Согласно правилу Майнера, кумулятивное усталостное повреждение может быть выражено как где - количество диапазонов напряжений с постоянной амплитудой и - количество диапазонов напряжений до разрушения.

Отказ происходит, когда сумма каждого частичного повреждения равна единице. Правило Майнера также может применяться с использованием концепции эквивалентного диапазона напряжений. Он представляет собой диапазон фиктивного напряжения постоянной амплитуды Δ σ e , который вызывает такие же повреждения, как и сумма диапазонов напряжений Майнера, если это происходит достаточно часто.Диапазон эквивалентных напряжений сравнивается с соответствующей кривой S-N для заданного числа диапазонов напряжений. Обзоры применения правил Майнера для сварных конструкций даны Мэддоксом и Размджу [58], Герни [59] и Сонсино и др. [60, 61].

Оценка усталостной долговечности стохастически нагруженной конструкции связана с соотношением спектра напряжений и сопротивления рассматриваемой детали. Спектр напряжений обычно неизвестен и может быть получен с помощью различных измерений и моделирования.Чтобы получить амплитуды напряжений из истории напряжений, необходимо использовать один из методов подсчета диапазона напряжений, например, метод водохранилища или дождевого потока [62]. Метод резервуара больше подходит для ручных расчетов, а метод дождевого потока больше подходит для программирования и, соответственно, компьютерного расчета [63].

Подход S-N не отличается от зарождения и распространения трещин, но учитывает общую усталостную долговечность конструктивного элемента. В случае геометрически сложных деталей конструкции, которые невозможно отнести к определенной категории, необходимо использовать более продвинутые методы оценки усталости (местные подходы), которые точно определяют значения напряжений в наблюдаемом месте.Применение локальных подходов оправдано тем, что даже процесс утомления локального характера не может быть хорошо описан глобальными подходами. Функция предельного состояния формируется базовыми переменными со стороны сопротивления и нагрузки. Модель нагрузки определяется ее собственным значением и частотой возникновения, в то время как модель сопротивления получается путем испытаний на усталость. Обзор наиболее часто используемых функций распределения для модели нагрузки и сопротивления приведен в [53]. Существует множество вероятностных исследований усталостных повреждений и оценок усталостной долговечности мостов.Вероятностная модель для оценки надежности стальных мостов на основе данных длительного мониторинга разработана Ni et al. [64]. В статье интегрировано распределение вероятностного диапазона напряжений в горячей точке с вероятностной формулировкой правила Майнера. Недавние оценки усталости стальных мостов с помощью билинейной кривой S-N также можно найти в [65, 66].

Как уже упоминалось, кривая S-N представляет собой взаимосвязь между диапазонами напряжений с постоянными амплитудами и количеством диапазонов напряжений до разрушения.Если речь идет о переменных амплитудах, используется правило Майнера. Для эргодических процессов диапазонов напряжений разбросом истории напряжений можно пренебречь и повреждение D n с диапазоном напряжений n можно записать как [67]: где E […] - математическое ожидание, это вероятность функция плотности диапазонов напряжений, а K и m - это параметры материала, которые неявно учитывают влияние геометрии сварного шва, остаточных напряжений и изменения напряжения по толщине.

Согласно этой модели, отказ происходит, когда D n равно единице. В большинстве случаев используется модель с двумя наклонами кривой S-N, которую можно найти в литературе [67]. Влияние геометрии сварного шва, остаточных напряжений и изменения напряжений в зависимости от толщины листа неявно включены в значения K и м . Влияние таких факторов, как толщина листа, окружающая среда, надрез на сварном шве, обработка после сварки и т. Д., Учитывается путем соответствующих корректировок основных кривых отношения сигнал-шум.

В этом случае функция предельного состояния может быть записана в виде где - вектор случайной величины, - время, - сумма ущерба майнера с ошибкой и - ущерб с n циклами.

Применяя методы структурной надежности, можно рассчитать вероятность отказа или индекс надежности для усталостной долговечности структурных деталей, которые можно использовать в качестве основы для принятия решений по обслуживанию конструкции.

4.2. Метод номинального напряжения

Это наиболее используемый подход для оценки усталостной долговечности стальных конструкций, склонных к усталости, и он также принят в стандартах.Этот подход основан на среднем напряжении в соответствующем поперечном сечении. Напряжение рассчитывалось с помощью классической структурной механики в предположении линейной теории упругости. Локальный эффект, вызывающий увеличение (концентрацию) напряжения, не учитывается, но учитывается геометрическая модификация, которая оказывает значительное влияние на изменение напряжения (например, вырезанные отверстия). Локальные эффекты неявно учитываются кривыми S-N. На рисунке 5 показано определение номинального напряжения без учета концентрации напряжений в области сварного шва.


.

Характеристики остаточной деформации крупнозернистых грунтов земляного полотна при повторяющейся нагрузке, вызванной поездом

В данной статье представлены результаты лабораторного эксперимента, направленного на определение характеристик остаточной деформации крупнозернистых грунтов. Чтобы оценить влияние амплитуды циклического напряжения, начального среднего напряжения и начального отношения напряжений на остаточную осевую деформацию, было проведено шесть серий трехосных испытаний с повторной нагрузкой. Результаты показывают, что остаточная деформация крупнозернистых грунтов увеличивается с увеличением амплитуды циклических напряжений.В частности, для относительно низких уровней циклических напряжений скорость накопления остаточной деформации постепенно снижалась с увеличением количества циклов и в конечном итоге достигла состояния равновесия. Было также обнаружено, что начальное соотношение напряжений, очевидно, способствует нарастанию осевой деформации, поскольку это означает более высокое девиаторное напряжение, поскольку среднее давление остается постоянным. Поскольку начальное соотношение напряжений было меньше, чем наклон линии статического разрушения, экспериментальные результаты показали, что увеличение начального среднего напряжения повысило способность сопротивляться деформации.Была предложена упрощенная механистическая эмпирическая модель прогнозирования, которая предсказывала остаточную деформацию как произведение четырех независимых функций от амплитуды циклического напряжения, начального среднего напряжения, начального отношения напряжений и количества циклов нагрузки. С помощью предложенной модели были получены удовлетворительные прогнозы поведения остаточной деформации крупнозернистых грунтов.

1. Введение

Увеличение нагрузки на колеса и увеличение скорости грузовых железнодорожных перевозок ускоряют износ путей на железнодорожных путях.В общем, доминирующим фактором износа балластированных путей является неравномерное оседание балласта и слоя земляного полотна из-за кумулятивной пластической деформации. Таким образом, в качестве основы путевой структуры должным образом уплотненное земляное полотно хорошего качества будет эффективно поглощать и рассеивать вибрационные нагрузки поезда и, кроме того, обеспечивать прочные нижние опоры для верхних компонентов за счет высокого сопротивления сдвигу. В реальном проекте рекомендации по контролю деформации во время строительства земляного полотна пути обычно основываются на методе установки зарезервированной величины осадки.Таким образом, детальное понимание и характеристика деформационного поведения грунтов земляного полотна является необходимым условием как для строительства, так и для последующего технического обслуживания железнодорожного основания.

Крупнозернистые грунты, которые обычно являются основными строительными материалами слоя земляного полотна в железнодорожной системе, обычно демонстрируют два типа деформационного поведения при повторяющейся динамической нагрузке транспортного типа: (а) упругая или восстанавливаемая деформация, которая связана с несущая способность путевой конструкции отражает свойства жесткости материала и (б) остаточную или необратимую деформацию, которая способствует большей части осадки земляного полотна, определяет долгосрочную работу железнодорожной линии [1–4].Хотя и мала по сравнению с упругой деформацией, остаточная деформация накапливается в каждом цикле нагружения и в конечном итоге может достигать значительно больших значений, вызывающих разрушение земляного полотна.

На протяжении многих лет, значительные исследования были посвящены характеристике упругого поведения почв с использованием лабораторных методов, и было разработано множество математических моделей для прогнозирования упругой реакции с учетом влияния уровней напряжения, коэффициента пустотности и некоторых других факторов [5 –8].Например, ввиду нелинейности материала, Сид [9] первым ввел понятие модуля упругости, который был определен как отношение уровня циклического напряжения к восстанавливаемой осевой деформации, и некоторые аналогичные определения широко использовались более поздними исследователями. Напротив, остаточная деформация крупнозернистых грунтов на практике еще менее известна. Хотя измерить осадку в железнодорожном полотне несложно, точное прогнозирование развития остаточной деформации является чрезвычайно трудным делом.Наиболее вероятная причина заключается в том, что накопление деформации при многократном нагружении - это трудоемкий процесс, на который влияет слишком много факторов, а полученные результаты испытаний гораздо более разбросаны, чем испытания модуля упругости [10, 11].

Исследования остаточных деформаций в основном основаны на трехосных испытаниях под многократной нагрузкой, и напряженное состояние, несомненно, является наиболее важным фактором, влияющим на развитие остаточных деформаций для крупнозернистых грунтов. На ранней стадии некоторые исследования, основанные на трехосных испытаниях с повторной нагрузкой, показали, что до определенного физического состояния постоянная осевая деформация явно увеличивается с увеличением циклического напряжения и уменьшением ограничивающего давления [12].В этом смысле, главным образом, некоторые формы отношения напряжений определяли поведение остаточной деформации при испытаниях, и больше внимания исследователей было уделено модели прогнозирования деформации на основе этого отношения напряжений. Впоследствии несколько исследователей также попытались сопоставить результаты при повторной нагрузке с напряжением девиатора разрушения при монотонных испытаниях [13–15]. При таком подходе линия разрушения рассматривалась как граница состояния равновесия и постепенного обрушения, а величина остаточной деформации могла определяться тем, насколько близко траектория приложенного напряжения к линии разрушения материала.Раймонд и Уильямс [16] ввели коэффициент напряжения максимального отклоняющего напряжения, деленный на напряжение монотонного разрушения, чтобы охарактеризовать результаты испытаний, и сообщили о хорошей корреляции с лабораторными наблюдениями. Важно отметить, что в этом методе не рассматриваются случаи анизотропной консолидации; иными словами, такая же постоянная деформация будет получена, пока применяются идентичные максимальные девиаторные напряжения. Паппин [17] наблюдал эту проблему и в качестве альтернативы описал остаточную деформацию с отношением амплитуды девиаторного напряжения к среднему нормальному напряжению.Сообщалось о хороших характеристиках этой модели без других подтверждений, найденных в литературе. Однако несколько исследователей [18] исследовали и поставили под сомнение подход к прогнозированию остаточной деформации крупнозернистых грунтов при многократном нагружении на основе монотонного напряжения разрушения, так как результаты

являются необоснованными.

Смотрите также