Компонентную базу сварных конструкций, работающих под давлением в условиях теплосмен, составляют трубы и трубообразные детали, для соединения которых чаще всего используются стыковые сварные соединения по ГОСТ 16037-80.
Обеспечение высокой точности проектных размеров и работоспособности таких конструкций в заданном периоде эксплуатации, требует глубокого анализа технологии сварки на предмет оценки уровня местных остаточных напряжений и деформаций в области сварного шва.
Такого рода исследования возможно провести при помощи численного моделирования методом конечных элементов, подробно рассмотрев на математической модели изменения полей температур, напряжений и деформаций.
Рассмотрим это на примере задачи сварки трубы из нержавеющей аустенитной стали типа 18-8. Сварка осуществляется методом TIG в среде спокойного воздуха при температуре 20 – 25 °С.
Таким образом процесс моделирования сварки делится на две подзадачи: тепловую и термомеханическую. Так как каждое сечение трубы будет испытывать примерно одинаковое тепловое нагружение в процессе сварки, возможно рассматривать задачу как осесимметричную.
Тепловая задача представляет решение уравнения теплового баланса системы: наплавленный материала - основной материал, является нелинейной и нестационарной, была решена в программном продукте ESI Group Visual Weld. Стоит отметить, что тепловое воздействие на систему источника сварки заменяется описывается термоциклом, приложение которого вызывает изменение внутренней энергии системы.
Термоцикл сварки может быть получен путем решения объемной тепловой задачи с подвижным источником сварки – двойным эллипсоидом Голдака. Рис.1.
Рис.1. - Тепловые поля при решении объемной задачи
Температурные градиенты (Рис. 2) передаются, затем для расчета механической задачи, которая решается на основании системы уравнений статического равновесия внутренних сил.
Рис. 2. - Рассчитанные температурные градиенты на 1, 3 и 5 проходе
Известно, что последние, в неравновесных температурно – временных условиях сварки, приводят к упруго-пластическому деформированию металла в зоне сварного шва, поэтому механическая задача также, как и тепловая является нелинейной. Переход в пластическое состояние характеризуется критерием Мизеса.
Так как стали 18-8 обладает большим запасом пластичности и мало упрочняется при пластическом деформировании была использована модель идеально упруго-пластического тела. Численное решение реализовано средствами Microsoft Visual Studio.
В ходе решения были получены поля остаточных напряжений и пластических дефрмаций. Рис. 3 а,б.
Рис. 3.- Распределение полей остаточных пластических деформаций(а) у.ед. и напряжений (б),МПа
