797

Основам теплопередачи при сварке. Температурный режим в заданный момент времени

Реферат

Производство и промышленные технологии

Распределение максимальной температуры. Термический цикл точки, максимальная температура которой равна температуре плавления. Основные теплофизические свойства материала, который используется в расчётах. Реализация метода источников.

Русский

2013-01-06

138.5 KB

19 чел.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

КАФЕДРА СВАРКИ И ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Реферат

По: «Основам теплопередачи при сварке »

Исполнитель:

студент гр. 4066/1        (подпись) 

И. В. Денисов         (дата)

Руководитель:                                      (подпись)

     П. Н. Хомич             (дата)

 

 

Санкт-Петербург

2011

Введение

Решение любой технологической задачи следует начитать с выбора методики расчета и анализа исходных данных.

Специфическим для задач теплопроводности при сварке является то, что в области высокой температуры на температурное поле оказывают влияние в большей степени особенности ввода теплоты (особенности сварочных источников) и в меньшей степени граничные условия.

Существуют различные аналитические методы решения задач теории теплопроводности (метод разделения переменных, операционные методы, метод источников и др.). Предложенный ещё лордом Кельвином метод источников (в математической физике называемый методом функций Грина) является предпочтительным в силу своей наглядности, простоты учета особенностей сварочных источников теплоты; вместе с тем он обладает математической строгостью. Все это и обусловило его популярность при расчете температурных полей в сварных изделиях.

Основные теплофизические свойства материала, который используется в расчётах даны в таблице 1.

  1.  
    Метод источников

1.1. Основные допущения

Для упрощения расчётов принимаются  следующие предпосылки:

— теплота распространяется только по закону теплопроводности Фурье;

— структурные и фазовые превращения происходят без выделения или поглощения теплоты, т.е. тепловые эффекты фазовых превращений не учитываются;

— коэффициенты теплопроводности, объемной теплоемкости  и поверхностной теплоотдачи не зависят от температуры;

— за начало отсчета температуры принимается исходная температура тела и среды ().

1.2. Сущность метода

Физическая сущность метода источников заключается в том, что любой процесс распространения теплоты в теле можно представить в виде суммы процессов выравнивания температуры от множества элементарных источников теплоты, распределенных как в пространстве, так и во времени. Подчеркнем, что заложенный в метод источников принцип суперпозиции (наложения) решений применим только в том случае, если краевая задача линейна (в уравнении теплопроводности и граничных условиях , , ,, не зависят от температуры, a  — линейная функция Т.

В качестве элементарного принимается мгновенный точечный источник теплоты  (Дж), помещённый в точку  бесконечного тела и действующий в момент t = 0. Температура в любой точке тела х, у, z в любой момент t определяется формулой

.   (1)

Непосредственной проверкой можно убедиться, что решение (1) удовлетворяет уравнению теплопроводности в частных производных второго порядка парабо-лического типа . Это решение называется фундаментальным. Из него видно, что температура тела стремится к нулю, когда  во всех точках за исключением одной —  , где становится бесконечно большой.

Представим непрерывно действующий источник мощностью q0 (Вт) в виде последовательности элементарных мгновенных источников. Определим по (1) приращение температуры к моменту t от элементарного источника

(Дж), действовавшего и находящегося в момент  в точке :

,  (2)

где (t - ) — время распространения теплоты. Тогда от любого источника, распределенного в пространстве и во времени, температура может быть получена суммированием всех элементарных источников

,     (3)

где — объемная плотность мощности источника, Вт/м3. Эта функция является решением уравнения (1) в однородном бесконечном теле.


2.
 Реализация метода источников

 Если источник находится на поверхности полубесконечного тела в начале координат, то

(4)

        С  помощью данной зависимости можно рассчитать температурное поле T(R)   в заданные моменты времени (0,5 с, 1 с, 2 с, 3 с, 4 с после ввода тепла) и получить графические зависимости T(R) при фиксированном времени:

Рис.1. Температурное поле T(R) в моменты времени 0,5 с, 1 с, 2 с, 3 с, 4 с

     Самая верхняя линия соответствует самому малому промежутку времени, самая нижняя самому большому.

       Взяв частную производную  (см. формулу (4)) по времени и приравняв ее к нулю, мы получим значение t в момент, когда температура максимальна:

;      (5)

;

.

Откуда получим:

.       (6)

Подставим полученное значение в формулу (4) и получим:

    (7)

С помощью формулы (7) можно построить следующую зависимость:

Рис.2. Распределение максимальной температуры

Подставим в левую часть формулы (7) температуру плавления данного материала (низкоуглеродистая сталь) и получим R при :

 (8)

Подставим данные в формулу (8) и получим R=4,762 мм, затем значение R в формулу (4):

  (9)

      В полученной формуле неизвестной является только время, поэтому можно построить графическую зависимость T(t) при заданном  R=4,853 мм, называемую термическим циклом данной точки:                             

Рис.3. Термический цикл точки (==4,853)

Рис. 4 Скорость охлаждения, максимальная температура которой равна температуре плавления , R=4,853

       Для того чтобы найти скорость охлаждения при  , необходимо с помощью формулы (9) и графика (см. рис. 2) методом половинного деления найти t, соответствующее данной T, а затем полученное значение t подставить в формулу (5).

Для решения уравнения с одним неизвестным в Mathcad предусмотрена встроенная функция root, которая, в зависимости от типа задачи, может включать либо два, либо четыре аргумента и, соответственно, использует разные алгоритмы поиска корней, в нашем случае четыре аргумента:

root (f (x) , x, a, b),

где  f(x) — скалярная функция, определяющая уравнение f(x)=0;

       х — имя скалярной переменной, относительно которой решается уравнение;

       а, b — границы интервала, внутри которого происходит поиск корня.

        С точностью 0,001 было получено значение t=2,365 c. Теперь подставим  данное значение t и ранее полученное значение R=4,853 мм в формулу (5) и получим скорость охлаждения при =850 К:

 К/с


Заключение

        В данной работе было рассчитано температурное поле T(R) в моменты времени 0,5 с, 1 с, 2 с, 3 с, 4 с после ввода теплоты (рис.1.); распределение максимальной температуры  (рис.2.); термический цикл точки, максимальная температура которой равна температуре плавления (==4,853) (рис.3.); скорость охлаждения при  равна К/с.


Список использованной литературы

  1.  Кархин В. А. Тепловые основы сварки: Учебное пособие. – Л.: гос. техн. ун-т Л., 1990. – 100 с.
  2.  Рыкалин Н. Н. Расчёты тепловых процессов при сварке. – М.: Машгиз, 1951. – 296 с.
  3.  Шишковский И. В. Расчёт тепловых полей при обработке материалов КПЭ в среде MATHAD: Метод. указ. к лаб. работам. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т; 2003, 40 с.