автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка методов анализа и проектирования сварочной технологии на основе компьютерного моделирования термодеформированного и структурного состояния сварных конструкций

На правах р}ч

РГВ од

Киселев Алексей Сергеевич _ ^

2 - Г.-М Ш

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАРОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОДЕФОРМИРОВАННОГО И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.03.06 Технология и машины сварочного проишодегм

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Российском Научном Центре "Курчатовский институт".

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук ГрШГОрЬЯНЦ А.Г. профессор, доктор технических наук Прохоров H.H.

профессор, доктор технических наук КаавНЦвВ А.Г.

Ведущее предприятие- MBGYRXy« Проблем бв8ОЛвСНОГО paSBBtM в*С вой вноргемп (ИБРА8) РАН

Защита состоится HAß_ 2000 г. в

па заседании диссертационного Совета Д053.15.07 при Московском Государственном Техническом Университете имени Н.Э.Баумана по адресу: 107005, I .Москва, 2-я Бауманская ул., 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени Н.Э.Баумана.

Ваш отзыв в 1-м экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по

указанному адресу. '

Телефон для справок 267-09-63. •Ав гореферат разослан •Jk -

AflplBAß 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

Л.В.Коновалов

Подписано к печати О.ОЧ- лооог. Объем 1,5 Тираж 100 экз.

Заказу^ Типография МГТУ имени Н.Э.Баумана

K641-642.1c11Gs0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Процессы сварки, высокотемпературной резки, наплавки, термообработки широко используются при создании ответственных конструкций. К ним можно отнести корпуса и элементы оборудования атомных станций, трубопроводы во всех отраслях промышленности, конструктивные элементы транспорта и многое другое. Без применения процессов сварки изготовление большинства перечисленных конструкций было бы практически невозможно. Вместе с этим использование процессов сварки и наплавки приводит к возникновению ряда проблем, связанных с неоднородностью сварных соединений. Возникновение неоднородности обусловлено сложными физикохимически-ми и термодеформационными процессами протекающими при сварке и наплавке. Влияние этих процессов на качество сварных конструкций многообразно. Оно выражается в изменении механических свойств и химического состава металла в зоне технологического влияния, в возникновении упругих и пластических деформаций и высоких временных и остаточных напряжений, в появлении специфических для сварных соединений форм концентраторов напряжений и деформаций. При определенных условиях сочетание отрицательных факторов может привести к разрушению конструкции уже на стадии изготовления или к появлению крупного дефекта, исключающего последующую эксплуатацию. Для обоснованного принятия решения о несущей способности конструкции при наличии неоднородности или дефектов необходимо применять современные расчетные и экспериментальные методы, прежде всего для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС). Возможности экспериментального определения временных и остаточных напряжений и деформаций при наличии в объекте сложного трехмерного НДС ограничены. Во многие случаях они связаны с повреждением конструкции, что недопустимо для сложных, дорогостоящих или действующих изделий. Применение неразрушающих методов измерений позволяет определять остаточные деформации и напряжения на поверхности деталей на удалении от зон высокого нагрева, хотя во многих случаях наиболее опасные зоны сварных соединений находятся в глубине металла. Экспериментальные методы дают достоверную, но неполную информацию (в

малом числе точек), кроме этого они часто не позволяют выявить влияние отдельных факторов процесса сварки на кинетику НДС. Поэтому наиболее перспективными для прогнозирования несущей способности сварных конструкций с учетом всех их особенностей можно считать современные методы компьютерного моделирования, а экспериментальные использовать для их верификации и определения исходных данных.

Разработке расчетных методов изучения сварочных процессов, оценки прочности и НДС сварных конструкций посвящены работы многих российских и зарубежных ученых. Следует отметить труды наиболее известных исследователей Е.О.Патона, Г.А.Николаева, Н.О.Окерблома, Н.Н.Рыкалина, С.А.Куркина, О.А.Бакши, Н.Н.Прохорова, В.А.Винокурова, А.Г.Григорьянца, Г.П.Карзова, Э.Л.Макарова, В.И.Махненко, В.Ф.Демченко, Р.З.Шрона, Л.А.Копельмана, А.А.Углова, В.И.Труфяко-ва, В.М.Сагалевича, В.Ф.Лукьянова, С.Н.Киселева, Н.Никол. Прохорова, В.А.Судника, А.С.Зубченко, В.А.Кархина, Б.З.Марголина, А.С.Кур-кина, В.В.Аладинского, Уатаёа У., УовЫтига N. и др. Одним из важных результатов их работы и переходящих из поколения в поколение знаний и опыта стало создание в последние десятилетия ряда программных комплексов на основе современных численных методов. Их применение позволило весьма подробно изучать термомеханическое поведение сварных конструкций, вводя все более и более совершенные физические и математические модели. Однако некоторые существенные проблемы моделирования к настоящему времени не решены.

Математическое моделирование процессов, происходящих при сварке, наплавке, термообработке должно проводиться на базе решения трех основных задач:

- нелинейной нестационарной задачи теплопроводности;

- задачи структурообразования;

- термомеханической задачи в упругопластической постановке.

Решение перечисленных задач осложняется необходимостью учета

зависимости теплофизических и механических свойств материала ог температуры и структуры, которые меняются в очень широких пределах. На точность результатов решения температурно-структурной и механической задач оказывает существенное влияние учет скрытой теплоты структурных н фазовых превращений, скорости охлаждения различных

точек модели и максимальной температуры их нагрева, различным :труктурный состав в каждой точке модели.

Можно отметить недостаточное развитие методов компьютерного моделирования процессов структурных и фазовых превращений применительно к сварным конструкциям, хотя они имеют существенное значение для проведения корректной оценки работоспособности сварных кон-лрукций.

Ряд проблем имеется также в направлении оценки технологическом прочности сварных конструкций в высокотемпературной области. Они связаны с отсутствием методики переноса критериев технологической прочности, получаемых на пробах, на реальные изделия. Развитие методов компьютерного моделирования в этой области является перспективным.

Применяя численные методы, исследователи обычно пытаются свести схему решения задачи к двумерной: осесимметричной, плоского напряжения, плоской деформации, плоского слоя. Это связано с большим ростом (в сотни и тысячи раз) затрат вычислительных ресурсов при использовании объемной схемы решения, которая наиболее полно соответствует реальному процессу, что делает возможным решение сварочных задач в трехмерной постановке лишь с применением суперкомпьютеров. При переходе к двумерным схемам вводят упрощающие допущения, например, об одновременной укладке шва и быстродвижущихся источниках теплоты или о постоянстве температуры или ее градиента по толщине изделия и т.п. Несмотря на то, что они существенно ограничивают круг конструкций и режимов сварки, для которых может быть проведено расчетное исследование, на основе двумерных моделей получены решения для ряда важных практических задач. Однако в каждом конкретном случае такие допущения, как «быстродпижущийся источник теплоты», «тонкая» или «толстая» пластина, «короткий» или «длинный» шов и др. требуют количественной оценки. Все указанные ограничения Снимаются при переходе к трехмерным моделям. Необходимо подчеркнуть, что большинство задач коробления конструкций при сварке, моделирования деформационных процессов вблизи сварочной ванны при сложной форме проплавления, а также при исследовании изделий сложной трехмерной геометрии либо простой геометрии, но при местном ме-

ханическом и термическом воздействии, принципиально не могут был решены в двумерной постановке. Поэтому разработка методик трехмер ного моделирования для исследования рассматриваемых проблем пред ставляется перспективной.

Таким образом, развитие методов компьютерного моделировани: при проектирования технологических процессов сварки в двухмерной 1 трехмерной постановке с уточнением физической модели материал! представляется актуальным.

Целью диссертационной работы является разработка методов ком пьютерного анализа сварочных технологий, обеспечивающих обосно ванный выбор конструктивно-технологических решений, направленны: на повышение работоспособности сварных конструкций.

Методы исследования: Моделирование термодеформационных про цессов в конструкциях проведено численными методами элементарны: тепловых балансов, конечных элементов и суперэлементов с учетом фи знческой нелинейности с помощью специально разработанных про граммных комплексов. При экспериментальных исследованиях исполь зованы методы тензометрирования, магнитоупругий, лазерной интерфе рометрии. Для получения дилатометрических характеристик и построе ния диаграмм анизотермического распада аустенита использовался ком пыогсрный анализатор материалов КАМАТ-ГАНГ.

Научная новизна работы:

1 .Сформулирована концепция, заключающаяся в том, что развити расчетных методов анализа и проектирования сварочной технологии не обходимо проводить в следующих направлениях:

а) совершенствования методов моделирования кинетики структур ных превращений при сварке для оценки структурного состояния свар пых конструкций;

б) совершенствования физической модели материала в расчетах теп ловых и деформационных процессов, учитывающая возможное наличт различных структурных составляющих или их смесей в каждой точю модели для уточнения результатов расчета;

в) разработки методов трехмерного моделирования термодеформа ционных процессов при сварке, снимающих ограничения, присущи! двумерным моделям, на типы конструкций и режимы технологически) процессов.

Разработана специализированная методика, позволяющая модели-эвать кинетику структурных превращений в изделиях при сварочном ;хнологическом воздействии с использованием термокинетических диа-1амм металлов, а также решать термодеформационные упругопласти-гскне задачи в трехмерной постановке на стандартных персональных эмпыотерах с использованием суперэлементного подхода и физической одели материала, учитывающей возможное наличие различных струк-фных составляющих и их смесей в каждой точке модели.

2. Установлено, что для оценки стойкости сварных соединений про-1В горячих трещин(ГТ), в зависимости от зоны их образования, целесо-бразно использовать следующие деформационные критерии: для свар-ого шва наиболее информативными являются компоненты собственных ^формаций, накапливаемых в температурном интервале хрупкое™, риентированные вдоль и поперек оси шва, в околошовной зоне - ин-;нсивность пластических деформаций, накопленных в температурном нтервале хрупкости (ТИХ). На базе этих критериев разработана рас-гтно-экспериментальная методика, позволяющая получить количест-:нные данные для перехода от оценки стойкости материалов против ГТ а пробах к оценке технологической прочности реальных сварных кон-грукций.

3. На основании решения задачи о проплавлении тонких листов в эехмерной постановке для источника теплоты, движущегося с конечной соростыо, установлено, что причиной изменения величины и знака ременного и остаточного прогибов пластин при постоянном режиме ¡арки и способе закрепления являются малые, в пределах толщины лис-1, начальные отклонения от плоской формы. При наличии начального рогиба «вверх» (с приближением к сварочному источнику) перемеще-ия кромки пластины из плоскости на стадии сварки имеют синусон-альный, со сменой знака характер, а на стадии остывания непрерывно эзрастают. При наличии начального прогиба «вниз» эти перемещения а стадии сварки монотонно возрастают, а на стадии остывания - убы-нот. Остаточные значения прогиба существенно ниже, чем в нервом 1учае. При наличии начального «скручивания» листового элемента в роцессе сварки и остывания форма пластины изменяется в сторону упе-ячения начального отклонения.

4. Применение гипотезы об одновременной укладке шва и решенш задачи о расчете напряжений при сварке кольцевых швов труб в осесим мегричной постановке дает погрешность по значениям максимальны: напряжений в сварном шве не более 5% по сравнению с решением i трехмерной постановке во всем диапазоне рассмотренных eKopoerei сварки (0.2 - 1.2 см\с). В зоне, прилегающей к шву, погрешность расчет; окружных (продольных) напряжений может достигать 50%, однако он: идет в запас прочности. Исследование процесса пространственного де формирования труб при сварке можно проводить только в трехмерно! постановке.

5. Расчетным путем показано, что при электронно-лучевой сварю труб из никелевого сплава наличие сложной формы проплавления в со четании с низкой теплопроводностью и-высокой жаропрочностью обу словливает высокий уровень накопления растягивающих деформаций i ТИХ в направлении толщины стенки трубы в околошовной зоне, что яв ляется причиной образования ГГ. С увеличением/толщины труб (в диа назоне 6-27 мм) накопленная в ТИХ деформация имеет максимум npi толщине 18 мм. При увеличении погонной энергии сварки максимум де формации, накопленной в ТИХ, смещается из «под^рибкойой» зоны i середину шва. С увеличением скорости сварки величина этого критерия возрастает, что означает увеличение вероятности образования ГГ.

Практическая ценность и результаты работы:

1. Совместно с проф.,д.т.н Куркиным A.C. (кафедра сварки МГТЬ им. Н.Э.Баумана) разработан программный комплекс "Сварка", обеспе чивающий моделирование напряженно-деформированного состояния I оценку статической прочности в процессе изготовления и эксплуатация сварных конструкций на основе метода конечных элементов. Комплек< передан для использования в ряд организаций Москвы, Свердловска Краматорска, Ростова-на-Дону и Волгодонска.

2.Для моделирования кинетики НДС при сварке и сопутствующие технологических процессах в трехмерной постановке совместно с Кисе левым Александром Сергеевичем (РНЦ «Курчатовский институт») раз работай программный комплекс "WELD3D"

3. Проведен численный анализ ряда изделий при различных соче таниях конструктивно-технологических параметров процессов изготов

ггения и эксплуатации. Обоснованы рекомендации по выбору рациональных режимов технологических процессов.

4. На основе проведенных исследований внесены изменения в нормативную документацию на изготовление, поставку и ремонт наплавкой ЦКК вагонов. Разработан проект «Технических условий на поставку цельнокатаных колес для скоростного движения». Выпущено «Извещение об изменении ТУ 0941-044-01124328-96; Бандажи черновые из непре-рывнолитрй заготовки углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи». Изменение утверждено ГОССТАНДАРТОМ РФ и внесено РЕЕСТР за номером 200\013675\01. Дан ряд конкретных рекомендаций по корректировке технологии изготовления цельнокатаных колес. Соответствующие документы приложены к диссертации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- Методика анализа термодеформационных процессов и структурных превращений при сварке, наплавке и термообработке (ТО) на основе разработанных алгоритмов расчета температурно-структурных полей с учетом термокинетических диаграмм и расчета НДС сварных конструкций с использованием уточненной физической модели материала, учитывающей возможное наличие смеси структур в каждой точке модели;

- Методика расчета НДС сварных соединений в трехмерной постановке на основе метода суперэлементов;

- Расчетно-экспериментальная методика оценки склонности к образованию горячих трещин материалов и изделий с учетом технологических и конструктивных факторов на основе расчетного определения и сопоставления деформаций, накапливаемых в температурном интервале хрупкости, в пробах и реальных изделиях;

- Результаты анализа термодеформационных процессов и структурных превращений при термообработке,- наплавке и эксплуатационных воздействиях На цельнокатаные колеса железнодорожного транспорта;

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и получили положительную оценку в 1996-2000 г.г. на семинаре кафедры сварки МГТУ им. Н.Э.Баумана, на международных конференциях 'Защита - 98" в ГАНГ им. Губкина; "ТЕМРТ-97", София, 1997г.;на 2 и 3 конференциях "Безопасность трубопроводов", Москва, 1997 г., 1999 г.; на "4-th International conference on railway bogies and running gears", Бу-

данешт, 1998г. и др. Программный комплекс "Сварка" передан для использования в ряд организаций: ПО Атоммаш, ПО НКМЗ, НПО ЦНИ-ИТМАШ, НПО им. Лавочкина, НИКИЭТ, ЦНИИМ, ВНИИВ, МНИТ, ДГТУ, МИФИ и др.

Научные исследования по теме диссертационной работы проведены в рамках плана фундаментальных исследований Российского Научного Центра «Курчатовский институт», международной программы по оценке прочности корпусов реакторов «РАЬБЖЕ», проекта №774 Международного Научно-технического Центра, плана основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ МПС РФ, а также межвузовских программ "Сварочные процессы" на 1992-99г.г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка использованных литературных источников. Изложена на 317 страницах машинописного текста, содержит 150 рисунков, 21 таблицу и 164 наименований литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Анализ состояния вопроса.

При высокотемпературных технологических операциях в изделии протекает комплекс связанных и согласованных процессов: интенсивный нагрев и охлаждение металла, его плавление и кристаллизация, структурные и фазовые превращения, неизотермическое деформирование, насыщение газами и других. Это является причиной того, что сварные конструкции считаются одними из самых сложных объектов для численного анализа. Выделены основные особенности сварных конструкций: сложность и разнообразие геометрических форм; неоднородность свойств материала; наличие зон концентрации деформаций и напряжений; разброс значений теплофизических и механических свойств; наличие остаточных напряжений; возможность образования горячих и холодных трещин.

На основании проведенного анализа установлено следующее: 1. Оценка прочности и работоспособности конструкций, изготовленных с применением сварки, наплавки, термообработки и других видов термомеханического воздействия должна производится с учетом всех этапов изготовления и эксплуатации.

2. Для адекватного компьютерного моделирования сварочных и сопутствующих процессов необходим учет в физической модели материала различных структурных составляющих, обладающих специфическими свойствами, зависящими от температуры. Разработанные к настоящему времени упрощенные алгоритмы моделирования процессов структуро-эбразования при сварке требуют совершенствования для распространения их на реальные сварные конструкции.

3. Недостаточно разработаны методы компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния сварных конструкций в трехмерной постановке. Наряду с методом конечных элементов (МКЭ) наиболее подходящей основой для их развития представляется численный метод суперэлементов, являющийся надстройкой к методу конечных элементов и позволяющий сократить объем вычислений особенно нри наличии в конструкции повторяющихся частей. Поскольку при моделировании процесса сварки приходится рассматривать процесс уклад-<и протяженного шва, в большинстве сварных соединений такая повторяемость присутствует. Поэтому применение метода суперэлементов для моделирования термодеформационных технологических процессов при :варке и наплавке весьма перспективно.

4. Главной причиной, затрудняющей обоснование выбора способа и зежима сварки реальной конструкции по критериям технологической трочности, является разрыв между экспериментальным определением соличественных значений этих критериев и возможностью их переноса 1а изделие.

Таким образом, анализ состояния вопроса позволил сделать вывод )б актуальности постановки исследований и сформулировать задачи шссертационной работы:

1. Разработка методики анализа термических, структурных и деформационных процессов при сварке, термообработке и наплавке с пс-юльзованием усовершенствованной физической модели материала, 'читывающей наличие смеси структур в каждой точке тела;

2. Разработка методики расчета НДС сварных соединений на основе 1етода суперэлементов, позволяющей производить моделирование в рехмерной постановке на стандартных персональных компьютерах, пе->бходимой для анализа ранее неисследованных зон сварных соединений,

нрос!раноненпою деформирования сварных конструкций, воздействия м'.ччных механических и термических нагрузок и др.;

3. Разработка программного обеспечения для анализа сварочных и сопутствующих процессов в двумерной и трехмерной постановках.

4. Разработка методики оценки стойкости против образования горячих трещин материалов и изделий с учетом технологических и конструктивных факторов на основе использования деформационных критериев;

5. Разработка методики анализа кинетики НДС, а также структурных и фазовых превращений в сварных конструкциях при последова-клышм воздействии сварки, термообработки и эксплуатационных на-I рузок;

(>. Проведение анализа термодеформационных процессов и структу-рообразованпя для различных конструкций и технологий сварки, разра-Со1ка и внедрение рекомендаций но выбору рациональных конструк-1ШШО-технологических решений, повышающих работоспособность изделий.

Глава 2. Развитие методов решения нелинейных задач теплопроводности и термоунругопластичности применительно к процессам сварки, наплавки и термообработки.

В данной главе разрабатывается комплекс методик и алгоритмов для решения поставленных задач на базе численных методов.

1.Разработана методика решения нелинейных задач нестационарной к'шюпроводности с учетом структурных превращений при сварке и наплавке на основе применения метода элементарных тепловых балансов (М'Э|>) и явной схемы решения по времени, основанного на законе сохранения энергии и являющегося разновидностью метода конечных элементов. Согласно этому методу тело дискретизи-руется на элементарные объемы, отделенные некоторыми границами друг от друга и от внешней среды. Алгоритм решения состоит в определении потоков тепла через все границы, окружающие элементарные объемы, в соответствие с градиентами температур и значениями теплофизнческих

Рис.1. Плоскость, взбитая на ячейки Вороного

toficTB материала по закону Фурье, а затем - в вычислении изменения :мператур в центрах элементов. Использовались элементы тина ячеек ороного(рис.1), которые строятся так, что центры элементов сопш.да-г с точками, в которых определяется температура, а каждая граница ;рпендикулярна к линии, соединяющей центры соседних ячеек и дели г гу линию пополам. Вследствие этого каждая точка границы равноуда-?на от центров двух разделяемых ею элементов. Ячейки Вороного пред-гавляют собой выпуклые многогранники (в плоском случае - много-"ольники). Вершина многогранника равноудалена or центров всех с.хо-нцихся в ней элементов. Использование МЭБ позволило разработан, тгоритм расчета тепловых полей, не зависящий от размерности тела >бъемное, плоское или осесимметричнос распределение тепла), т.к. дня гшения достаточно иметь информацию только о площадях границ и Зъемах элементов, которые вычисляются на стадии построения модели, азработанный совместно с Куркиным A.C. алгоритм разбиения на 1ейки Вороного позволяет построить эффективную разбивку для расче-j температурных полей на основе произвольной сетки конечных эле-енгов и рассчитывать температуры непосредственно в тех точках, в ко-зрых они нужны для последующего расчета НДС.

Алгоритм МЭБ усовершенствован в связи с уточнением физической одели материала, учитывающей структурное состояние (в том числе и леей структурных компонентов) в каждой точке изделия с соотпетс i -/ющими теплофизическими и механическими характеристиками, завн-пцнми от температуры. Алгоритм расчета заключается в следующем, 'а произвольном шаге по времени сначала решается задача тсплопро-эдности и определяется температурное поле в детали. При этом тепло-нзпческие характеристики соответствуют значениям температур и фуктурному состоянию в конце предыдущего mai а. Для каждой точки нскретной моделица каждом шаге решения определяется ее положение я термокинетичекой диаграмме (ТКД). ТКД задается сеткой кривых хлаждения в виде таблиц с определенными на них точками начала и энца структурных превращений и данных о процентном соотношении груктур. При помощи линейной интерполяции по этим таблицам и энцс каждого шага решения для соответствующей температуры и вре-ени определяются текущее структурное состояние в каждой точке мо ■

дели тела, а также значения теплофизических характеристик в соответствии с объемным соотношением структурных составляющих и температурой. Эти значения используются на следующем шаге решения, в конце которого они опять корректируются.

Отдельной важной проблемой является моделирование сварочных источников теплоты. В диссертации разработаны четыре модели источников:

- Для сварки с присадочным металлом в разделку. По мере продвижения источника теплоты вдоль заданной траектории, последовательно заполняются элементы разделки металлом с температурой, соответствующей мощности и скорости сварки. Свойства присадочного металла могут отличаться от свойств основного, однако перемешивание основного и присадочного металла не учитывается. Желательно, чтобы размер элементов в направлении движения источника был не более половины длины сварочной ванны. Если это невозможно из-за размерности, прежде всего, деформационной задачи, необходимо рассчитывать температурные ноля на более подробной разбивке и аппроксимировать их на модель для расчета деформаций. Для уменьшения влияния дискретности ввода порций тепла при переходе к следующим в направлении источника элементам разделки, модель источника теплоты включает специальные границы, отделяющие их от основного металла и учитывающие долю заполнения очередного элемента.

- Для сварки неплавящимся электродом без разделки. Плоский поверхностный источник теплоты движется вдоль заданной траектории в виде пятна заданного радиуса. Возможно задание различного распределения мощности в пятне нагрева. Поверхностные границы элементов 3 рода (теплоотдача в среду), попадающие в зону действия источника, становятся границами 2 рода (задан поток теплоты), а после выхода из зоны действия источника опять становятся границами 3 рода.

- Для электронно-лучевой сварки (ЭЛС). Источник теплоты задается комбинацией двух плоских источников. Один из них моделирует непосредственное действия луча на свариваемые кромки по толщине детали, второй - на поверхности детали - моделирует нагрев детали расплавленным металлом, выдавленным из лучевого канала и действует с некоторым запаздыванием относительно первого. Возможно задание различного распределения мощности как в первом, так и во втором ис-

точнике, а также варьирование времени запаздывания. Поскольку градиенты температуры при ЭЛС очень высоки, требуется введение очень малых 1 мм) элементов в направлении движения источника. Это делает необходимым применение специализированной методики расчета, когда источник теплоты неподвижен, а на каждом шаге решения происходит сдвиг температурного поля относительно модели в направлении, противоположном направлению движения луча. Данная методика идеально подходит для замкнутых швов. Алгоритм МЭБ претерпевает при этом лишь небольшие изменения.

- Универсальный эквивалентный источник теплоты для любого вида сварки Плавлением при квазистационарном поле температур. Его размер и форма соответствуют сварочной ванне, а температура - температуре плавления материала изделия. Прослеживается его движение вдоль заданной траектории шва с заданной скоростью. Это одно из перспективных направлений, позволяющее объединить усилия ученых из разных областей сварочной науки.

2. Разработана методика решения нелинейных термоупругопластн-ческих задач применительно к сварочным процессам с учетом истории нагружения и возможного наличия смеси структур в точках модели на базе МКЭ с использованием квадратичных конечных элементов. Методика основана на использовании основных соотношений теории упругости, теории течения и условия перехода в пластическое состояние Хубе-ра-Мизеса. Для линеаризации задачи в упругопластической области применялся итерационный процесс по методу упругих решений А.А.Илыошина с постоянной упругой матрицей жесткости и процедура ускорения решения, предложенная В.В. Аладннским, основанная на минимизации квадратичной нормы ожидаемого приращения перемещений на очередной итерации с учетом результатов решений на предыдущих итерациях. Разработанная в диссертации методика отличается следующим: в случае наличия в точках тела смеси структур, если свойства (модули упругости, предел текучести, коэффициент линейного расширения и др.) для каждой структурной составляющей (например, аустенит. мартенсит, перлит, бейнит, троостит, сорбит для стали) известны, результирующие свойства смеси вычисляются по принципу аддитивности, пропорцианально объему структурной составляющей и значению теку-

щей температуры. Информация о НДС и структурном состоянии может быть получена для любой точки модели сварного соединения на любом шаге решения.

3. Разработана методика моделирования термодеформационных процессов прн сварке и других видах термомеханического и силового нагружения в трехмерной постановке на базе метода суперэлементов (МСЭ). Суть моделирования при использовании как МКЭ, так и МСЭ состоит в прослеживании на модели движения сварочного источника теплоты по свариваемым кромкам за некоторое число шагов решения и расчете тепловых, структурных полей и НДС при каждом дискретном положении источника. При использовании метода конечных элементов в перемещениях разрешающая система линейных алгебраических уравнений относительно вектора приращения узловых перемещений {дб} ко-нечноэлементной модели имеет вид: [к]- {Дб} = {др}, (1)

где {др} - вектор приращения приведенных узловых нагрузок, [К ] - глобальная матрица жесткости конечноэлементной модели. При переходе к трехмерным моделям реальных конструкций число уравнений в системе (1) обычно составляет не менее 10000. При моделировании сварочных задач оно еще более возрастает, так как из-за высоких градиентов исследуемых величин в зоне технологического влияния необходимо использовать элементы малых размеров. Это создает существенные проблемы (часто практически непреодолимые) с размещением задачи в памяти компьютера. Поскольку задачи являются многошаговыми, актуальна также проблема, связанная с чрезмерным временем решения. Разрешить эти проблемы удалось путем разработки методики решения на базе метода суперэлементов (МСЭ), позволяющего поэтапно снизить размерность задачи. Суть МСЭ заключается в представлении конструкции в виде суперэлементов (СЭ), которые включают определенное количество обычных конечных элементов. На рис.2 приведен пример такого подхода для модели трубы. Специальные методы обработки определяющих матриц позволяют сократить размерность модели (количество неизвестных) за счет исключения из рассмотрения узлов элементов, находящихся внутри СЭ.

Для этого соотношение (1) записывается в виде:

где: / - индекс внутренних узловых параметров; $ - индекс граничных узловых параметров; {?,} - вектор перемещений внутренних узлов; {д,} - вектор перемещений граничных узлов; {?,} - вектор нагрузок, приложенных к внутренним узлам; {Я,} - вектор нагрузок, приложенных к граничным узлам;

а)

б)

дай

К

К

В)

Рис.2 Модели трубы: конечноэлементная (а;, суперэлементная модель

первого уровня (б), суперэлементная модель второго уровня (в) »

После математических преобразований в соответствии с формулами (3) - (5), можно получить зависимости для определения матрицы жесткости [А] и вектора узловых усилий {/'} суперэлемента (СЭ), включающие только неизвестные на границах СЭ.

(3)

И = .(5)

где индекс (-1) означает обратную матрица, (Т) - транспонированную.

При этом размерность задачи значительно снижается, т.к. количество граничных узлов составляет обычно не более 20% от общего количества узлов. Для очень больших моделей возможно повторение этой процедуры, объединяя суперэлементы более низкого уровня в более крупные СЭ (рис.2в). Таким образом, решается проблема размещения задач в памяти компьютера. Важно подчеркнуть, что МСЭ является строгой математической процедурой и обеспечивает всестороннюю связь между СЭ

где [£■] =

, [Е] - единичная матрица, (4)

различных уровней. В отличие, например, от метода подконструкций, обеспечивающего переход от полной модели к ее мелким фрагментам с более подробной разбивкой, но без обратной связи.

При решении задач моделирования процессов сварки и наплавки обычно имеет место повторяемость дискретной модели в направлении перемещения сварочного источника теплоты, т.е. модель можно построить так, чтобы слои элементов полностью повторяли друг друга. В этом случае преимущества МСЭ по сравнению с обычным МКЭ можно использовать в полной мере. Если все СЭ данного уровня имеют одинаковую внутреннюю структуру, базовые матрицы жесткости вычисляются только для первого из них. Для остальных матрицы не вычисляются, так как они идентичны базовым, или вычисляются поворотом базовых (операция поворота осуществляется на порядок быстрее, чем операция составления матрицы). Вычисляются и записываются на диск два типа базовых матриц: В1 - для случая, когда разделка еще не заполнена, В2 - когда разделка заварена и остыла до температуры Т*. Ниже этой температуры свойства материала, такие как модуль упругости, коэффициент Пуассона, можно считать неизменными. В процессе продвижения сварочного источника по свариваемой кромке для элементов, находящихся перед источником, используются матрицы В1. Для элементов позади источника, остывших до температуры Т* используются матрицы В2. Для элементов, находящихся в зоне действия источника (Т > Т*), матрицы составляются вновь.

Если полная повторяемость слоев элементов, объединенных в суперэлементы, отсутствует и нельзя использовать базовые матрицы, суперэлементный алгоритм все равно дает большие вычислительные преимущества. Рассматриваемые задачи являются многошаговыми, причем из* менение матриц каждого СЭ из-за температурного воздействия и изменения механических свойств имеет место только на некотором небольшом числе шагов, когда СЭ находится в зоне влияния сварочного источника теплоты. Таким образом, существенная экономия времени счета и оперативной памяти ЭВМ достигается за счет того, что матрица жесткости конструкции на каждом шаге пересоставляется лишь частично, в то время как основная ее часть не изменяется й сохраняется на внешней памяти ЭВМ.

4. Разработана методика расчета НДС и структурного состояния конструкций при эксплуатационной нагрузке с учетом предварительного технологического воздействия, основанная на поэтапном моделировании этих процессов. Расчет каждого следующего этапа проводится с учетом НДС полученного на более ранних этапах. Предусмотрена возможность оперативного изменения модели изделия и переноса на нее предыдущих результатов решения в случае изменения геометрии изделия в эксплуатации в результате износа. Последний фактор может оказывать существенное влияние на распределение остаточных напряжений в изделии, если исчезающие в результате износа слои детали являлись зонами с высоким уровнем напряжений.

Глава 3. Разработка и верификация программного обеспечения.

Сформулированы общие принципы формирования программного комплекса для моделирования сварочных и сопутствующих процессов:

1. Универсальность по отношению к геометрии исследуемых изделий;

2. Универсальность в выборе моделей поведения материалов в неизотермических условиях;

3. Наличие пре- и постпроцессора для подготовки данных и обработки результатов решения;

4. Интерактивный, диалоговый режим работы пользователя с программой; .

5. Возможность поэтапного решения задачи (составление модели, задание граничных условие, непосредственное решение температурно-структурной и механической задачи, обработка результатов) с сохранением работы пользователя на каждом этапе;

6. Возможность работы программного обеспечения в многозадачном режиме в связи с большой длительностью решаемых задач;

7. Разработка программы в виде крупных, независимых друг от друга блоков в связи с очень большим {десятки тысяч операторов) объемом кода,и необходимостью разделения труда среди коллектива авторов;

8. Наличие в составе программного комплекса экспертной системы оценки результатов расчета с учетом различных предельных состояний конструкций;

9. Наличие банков данных по свойствам материалов, типам сварных соединений и способов сварки;

В соответствии с этим принципами автором совместно с Куркиным A.C. и Киселевым Александром С. в период с 1985-1999 г.г. разработаны программные комплексы «СВАРКА» и «WELD3D», ориентированные на моделирование технологических процессов и оценку работоспособности сварных соединений как при изготовлении, так и в эксплуатации. Они являются эффективными средствами исследования процессов при сварке, наплавке и сопутствующих технологиях и реализует методы решения, изложенные в главе 2. Специализированный характер и применение современных, оригинальных, эффективных алгоритмов обеспечивают его конкурентоспособность среди подобных программных средств. ПК «WELD3D» создан для работы в операционных системах WINDOWS 95, и NT 4.0. Зарубежные пакеты такие, как ANSYS, ABAQUS и др., несмотря на объем и высокую стоимость, не обеспечивает решения всех проблем, связанных с анализом сварочных процессов и работоспособности сварных соединений. Это относится, в частности, к вопросам оценки технологической прочности и анализа структурного состояния. Вместе с этим ориентировка этих программ на широкий круг задач затрудняет для пользователя процесс их освоения и обучения. Отличительной особенностью ПК «WELD3D» является наличие в его составе библиотеки конструктивных элементов, в том числе и сварных соединений, составление трехмерных моделей для которых полностью автоматизировано.

Проведено всестороннее тестирование и верификация ПК «СВАРКА» и «WELD3D». Ниже приведены результаты решения некоторых задач, поставленных с целью верификации, которые также имеют самостоятельное практическое и научное значение.

1.Компьютерное моделирование термодеформационных процессов при электродуговом сварке и проплавлении листовых элементов в трехмерной постановке с учетом неодновременности наложения шва. Получены новые закономерности образования временного и остаточного НДС стальных одаотин в зависимости от наличия начальных отклонений от плоской формы-. Расчетным образом показано и экспериментально подтверждено, что эти отклонения являются основной причиной большого разброса (вплоть до смены знака) данных измерения перемещении пластин (200x200*2 ММ, сталь Ст20) из плоскости при их проплав-

лении. Пластины закреплялись в малой зоне на краю, а измерение перемещений производилось в двух точках на противоположном краю. На рис. 3 а) и б) представлены расчетные зависимости перемещений из плоскости точек пластины

•J 1 I- м» - ■ 1 < 1. >11 III II Гц wrtMMI "

у'' к \ "'t рт

х- -tf^tt .ЧУ

f\ / X t -if-

VI и | > j)

а) - 6) -

Рис. 3. Кинетика перемещений из плоскости краевых точек пластины при проплавлении: а) начальный прогиб 1 мм центра пластины вверх, б) -

вниз

от времени при наличии малого начального прогиба в центре пластины различного знака. Можно отметить существенное различие этих закономерностей. Изучены также и другие начальные отклонения от плоскости по форме и величине. Приведенные результаты и методический подход могут быть использованы на практике, например, для минимизации коробления тонколистовых элементов при сварке или при изучении изменения сварочного зазора в процессе сварки.

2. Компьютерное моделирование термодеформационных процессов при электродуговон сварке труб встык в двух- и трехмерной постановке. Получены закономерности формирования временных и остаточных напряжений в сварных соединениях труб из стали СтЗ. Проведена оценка применимости двумерной (осесимметричной) схемы решения с использованием гипотезы об одновременной укладке шва в зависимости от скорости сварки. Расчетным образом в трехмерной постановке исследованы закономерности накопления угловых деформаций при сварке кольцевых швов труб из нержавеющей стали 0Х18Н10Т и проведено сопоставление с экспериментом.

Глава 4. Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки технологической прочности сварных конструкций.

Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки технологической прочности материалов и изделий в высокотемпературной области, учитывающая конструктивные факторы. Основная идея методики состоит в расчетном моделировании процессов сварки технологических, проб и реальных изделий и вычислении в обоих случаях деформационных критериев, определяющих возможность появления горячих трещин (ГТ). Сопоставление расчетных и экспериментальных данных позволило установить, что критериями могут являться продольная и поперечная компоненты собственных деформаций (наблюдаемые минус свободная температурная деформация) в сварном шве и ОШЗ, а также интенсивность пластических деформаций, накопленных в ТИХ металла. По результатам моделирования сварки проб определяются критические значения этих параметров, поскольку известно, при жаком сочетании технологических параметров начинают образовываться ГТ. Сравнение значений этих же деформационных параметров, рассчитанных при моделировании сварки изделия, с критическими позволяет уже на стадии проектирования процесса сделать вывод о возможном наличии или отсутствии ГТ в изделии. Основные преимущества расчетно-экспериментального подхода состоят в следующем:

а) При проведении экспериментов необходимо лишь зафиксировать факт наступления разрушения без проведения тонких измерений с использованием дорогостоящего оборудования. В результате эксперимент упрощается, ускоряется и становится дешевле.

б) Все сложные физико-химические явления, происходящие в шве и ОШЗ при кристаллизации и формировании шва и плохо поддающиеся моделированию, «берет на себя» образец при испытании, а их общее влияние интегрально учитывается в расчетном значении деформационного критерия, определяемого в зоне разрушения на модели образца.

в) Расчет моделей образцов ведется параллельно с экспериментальными исследованиями, что позволяет проводить тестирование моделей.

г) Возможно исследование технологического процесса сварки изделии на' стадии проектирования, что позволяет избежать затрат на их производство, связанных с пересмотром технологии и порчей заготовок в случае возникновения горячих трещин.

Для получения корректных результатов и правильного прогнозирования уровня технологической прочности изделий на основе предлагаемой расчетно-эксперименталыюй методики в изделии и на образцах должны полностью соответствовать факторы, влияющие на формирование шва. К ним относятся: материал, толщина изделия, способ сварки, режимы сварки.

Апробация методики проведена на примере моделирования испытаний проб ЛТП МВТУ толщиной 3 мм из стали СтЗсп и алюминиевого сплава АД1 для оценки их склонности к образованию горячих трещин. Пробы ЛТП (рис.За) представляют собой пластины (поз.1) переменной ширины с надрезом, от которого начинается их проплавление сварочным источником теплоты (поз.З). В результате сварочного нагрева их края расходятся (поз.2). Для узких пластин этот процесс идет более интенсивно, и образуются ГГ. При увеличении ширины пластин расхождение краев уменьшается и, при некоторой критической ширине, прекращается образование ГТ. Критическая ширина изменяется для различных режимов сварки. Моделируя этот процесс и вычисляя значения поперечной деформации в зоне начала разрушения (вершине надреза), находим критические значение поперечной деформации для различных режимов сварки.

Рис. 4. Проба ЛТП (а), круглая заглушка с плоском теле (б), круглая заглушка в сфере (в)

Далее моделировали сварку изделий. В качестве изделий рассматривались: плоская (рис.Зб) и сферическая (рис.Зв) детали с ввариваемой круглой заглушкой диаметром 70 мм из сплава АД1. Прослеживался процесс укладки шва в трехмерной постановке (один из промежуточных этапов показан на рис. 36 и Зв) и вычислялись значения накопленной в

ТИХ поперечной е™,х и продольной деформации е™х . Были рассмотрены три варианта сварки плоского тела для скоростей сварки 6, 18 и 72 м\ч и один вариант - сферического для скорости сварки 18 м\ч. Экспериментальные исследования с круговыми пробами из алюминиевых сплавов. проведенные Якушиным Б.Ф., показали, что при малых скоростях свзрки 4-20 м\ч происходило возникновение горячих трещин вдоль шва (от поперечных деформаций). При скоростях сварки более 80 м\ч образовывались горячие трещины поперек шва (от продольных деформаций). Практически во всех экспериментах наблюдалось образование трещин в области замыкания шва, что объясняется затруднением процесса усадки в этой зоне. Эти закономерности подтверждены и результатами расчета. Максимальные значения е"1лх наблюдаются для второй половины шва плоского изделия при \ св = 6 м\ч (рис. 5а, график 2). При Ус»= 18 м\ч значения снижаются (рис. 5а, график 3), однако на последней четверти шва и в замыкающей зоне превышают критическую величину 0.003, полученную для этой скорости сварки при моделировании проб (прямая 1). Эго означает, что в этой зоне для рассматриваемого режима сварки велика вероятность образования в шве продольных ГТ. Для сферического изделия при Усв^ 18 м\ч значения е™х значительно ниже (рис. 5а, график 4), чем для плоского и не превышает критического значения на всем протяжении шва, кроме зоны замыкания. Это свидетельствует о важности учета конструктивных факторов (в данном случае геометрии изделия) ■ при оценке технологической прочности.

а)

■#> —и*

б)

Рис. 5. Распределение поперечных (а) и продольных (б) деформаций накопленных в ТИХ вдоль шва

Для плоского тела и УС11= 72 м\ч значения е™х (рис.5а, график 5) малы и не превышают критического значения, равного 0.0077, для данног о режима. Распределение продольной деформации (рис. 56) показывает, что их максимальный уровень возникает при Усв^ 72 м\ч (график 5), но не превышает критического значения (прямая 1), хотя и близок к нему. При увеличении скорости сварки возможно превышение критического уровня и появление поперечных ГТ.

Таким образом, хорошее соответствие расчетных результатов и экспериментальных данных доказывает работоспособность предлагаемой расчетно-экспериментальной методики оценки опасности возникновения ГТ в изделиях с учетом конструктивных факторов.

На основе изложенных научно-методических разработок, а также программного обеспечения было проведено компьютерное моделирование процесса электроннолучевой сварки труб из никелевого сплава ХН70ВМТЮ с целью исследования влияния параметров сварочного процесса на образование горячих трещин. Проведено исследование влияния режимов ЭЛС, толщины стенки труб (от 6 до 27 мм), условий закрепления заготовок и формы проплавления на величину интенсивности пластических деформаций е™х, накопленных в ТИХ. На рис.6 приведено распределение температур при трехмерном моделировании ЭЛС (Режим: 1=0.16 А, и=35 кВт, Усв=10 м/ч). На рис.7 для этого же варианта распределение е™*по высоте шва. Положение и величина максимума этого параметра изменяется в зависимости от параметров режима.

Рис.6. Распределение температуры при ЭЛС труб

Рис.7. Распределение е™х на линии сплавления, накопленной в ТИХ

При сопоставлении с экспериментальными данными установлено, что в зонах максимума возникают горячие трещины. Даны рекомендации по выбору режима ЭЛС и форме зоны нроплавления, обеспечивающих минимальные значения указанного параметра.

Глава 5. Исследование термодеформационных процессов и структу-рообразования при изготовлении, эксплуатации и ремонте наплавкой колес железнодорожного транспорта.

Проведено компьютерное моделирование в двух- и трехмерной постановках тепловых процессов, структурных превращений и кинетики НДС цельнокатаных колес вагонов при воздействии термической обработки (закалка+отпуск), термического цикла процесса наплавки при восстановлении изношенных колес, эксплуатационных механических и температурных нагру-'зок. Разработаны и внедрены в практику рекомендации по параметрам термической обработки, наплавке и методике контроля изделий. Аналогичный комплекс работ проведен для бандажей и колес локомотивов. Колеса железнодорожного транспорта являются одним из наиболее ответственных конструктивных элементов к работоспособности и надежности которых предъявляются высокие требования. Разрушение колеса в эксплуатации, как правило приводит к большим экономическим потерям и негативным < социальным последствиям. В последние годы возникла проблема, связаннай с резким увеличением интенсивности износа колес, особенно в зоне гребня (рис.8), ограничивающего перемещение колесной пары в направлении поперек железнодорожной колеи. Материалом отечественных колес служит колесная сталь марки 2 по ГОСТ 10791. Это сталь со сравнительно высоким содержанием углерода (С 0.55-0,63,

гребень'

.¿-и- .ЫАЬ^

Рис. 8. Моле железнодорожного колеса

0.2-0.45, Мп 0.5-0.9 %), что приводит к необходимости с большим вниманием относиться к возможным изменениям ее эксплуатационных характеристик при технологических и эксплуатационных воздействиях.

Спрейерная закалка колеса, вращающегося со скоростью 100 об/мин, производится с температуры 820-840 °С. Время охлаждения при закалке может изменяться в зависимости от содержания С и Мп в пределах от 100 до 240 сек. Отпуск производится в течение 3 часов при температуре 500-520 °С. На рис.9 приведено распределение мартенсита в по-' верхностных слоях обода в момент окончания закалки, содержание которого вблизи поверхности доходит до 100 %. Расчетная глубина прокаливаемого слоя соответствует экспериментальным данным. На рис. 10 представлены окружные напряжения в ободе колеса в момент окончания закалки. Максимальные растягивающие напряжения в ободе достигают 1000 МПа. Это может приводить к возникновению трещин, что подтверждается анализом зон начала разрушений колес в эксплуатации. После отпуска при температуре 500°С, моделирование которого производилось в упруговязкопластической постановке, уровень максимальных растягивающих окружных напряжений снижается до 267 МПа, а при уменьшении температуры отпуска до 300°С они повышаются от 267 МПа до 481 МПа. В трехмерной постановке проведено моделирование заводской процедуры контроля остаточных напряжений в колесе после термообработки. Получено хорошее соответствие расчетных и заводских данных. Показано, что величина растягивающих напряжений в момент окончания закалки зависит от времени охлаждения при закалке, на основании чего установлено ограничение на этот параметр, которое введено в нормативную документацию.

Проведено моделирование в осесимметричной постановке кинетики структур и НДС при одно- и двухдуговой наплавке изношенных гребней колес с целыо выбора, варианта технологии наплавки, обеспечивающего наилучшее структурное состояние и НДС колес в зоне технологического влияния. Было рассмотрено несколько вариантов технологии, отличающихся по режимам наплавки, температуре подогрева, направлению наложения валиков. Анализ результатов моделирования показал, что наиболее надежные и стабильные по критериям отсутствия закалочных структур и уровню остаточных напряжений результаты при наплавке

гребней колес можно получить при двухдуговой наплавке с предварительным подогревом до Т=250°С.

Проведено сравнение НДС с экспериментально измеренными значениями. Получено удовлетворительное соответствие.

Рис.9. Распределение мартен- Рис.10. Распределение окруж-сита на поверхности обода колеса ных напряжений в ободе в момент после закалки окончания закалки (120с)

В трехмерной постановке выполнено расчетное моделирование НДС вагонных колес при воздействии механических эксплуатационных нагрузок от контакта колеса с рельсом с учетом НДС, возникающего от термообработки. Изучена кинетика формы и площади контактной зоны при возрастании нагрузки. Показано, что площадь контакта находится в экспериментально подтвержденных пределах 200-600 мм2. Установлено, что в зонах перехода от обода к диску возникают циклические радиальные напряжения с амплитудой порядка 180 МПа при среднем уровне напряжений 270 МПа. В зоне перехода от диска к ступице колеса значение радиальных напряжений достигают ~560 МПа, а амплитуда их изменения составляет 40 МПа.

Проведено расчетное моделирование НДС локомотивных бандажи-рованных колес при воздействии термических эксплуатационных нагрузок от торможений с учетом НДС, возникающего от термообработки бандажа и его посадки на центр. Колесо локомотива состоит из центра

(ступица+диск на рнс.8) из стали 20Л и бандажа из колесной стали марки 2, посаженного на центр с натягом. Рассмотрены различные варианты торможения (длительное, экстренное, со смещением тормозных колодок и др.) в сочетании с различными величинами натяга. Показано, что наиболее неблагоприятным режимом является длительное торможение при смещении тормозных колодок на гребень. При этом максимальная температура нагрева составляет более 600°С, а растягивающие окружные напряжения в бандаже от натяга уменьшаются на 40%. После полного охлаждения максимальные окружные остаточные напряжения более, чем вдвое, превышают исходные (после ТО и посадки). Интенсивность пластической деформации возрастает до 4.04% в зоне внутреннего верхнего радиуса центра. Необходимо учитывать эти факторы при оценке ресурса колес.

Кроме перечисленных примеров, которые подробно рассмотрены в диссертации, разработанное программное и методическое обеспечение применялось еще в целом ряде исследований, не вошедших в рамки данной работы из-за ее ограниченного объема.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1.Сформулирована концепция, заключающаяся в том, что развитие расчетных методов анализа и проектирования сварочной технологии необходимо проводить в следующих направлениях:

а) совершенствования методов моделирования кинетики структурных превращений при сварке для оценки структурного состояния сварных конструкций;

б) совершенствования физической модели материала в расчетах тепловых и деформационных процессов, с учетом возможного наличия различных структурных составляющих или их смесей в каждой точке модели для уточнения результатов расчета;

в) разработки методов трехмерного моделирования термодеформационных процессов при сварке, снимающих ограничения, прйсущие двумерным моделям, на типы конструкций и режимы технологических процессов.

2. Разработана специализированная методика, позволяющая моделировать кинетику структурных превращений в изделиях при сварочном

технологическом воздействии с использованием термокинетических диаграмм металлов, а также решать термодеформационные упругопласти-ческие задачи в трехмерной постановке на стандартных персональных компьютерах с использованием суперэлементного подхода и физической модели материала, учитывающей возможное наличие различных структурных составляющих и их смесей в каждой точке модели..

3. Установлено, что для оценки стойкости сварных соединений против горячих трещин(ГТ), в зависимости от зоны их образования, целесообразно использовать следующие деформационные критерии: для сварного шва наиболее информативными являются компоненты собственных деформаций, накапливаемых в температурном интервале хрупкости, ориентированные вдоль и поперек оси шва, в околошовной зоне - интенсивность пластических деформаций, накопленных в ТИХ.

4. На базе этих критериев разработана расчетно-экспериментальная методика, позволяющая получить количественные данные для перехода от оценки стойкости материалов против ГТ на пробах к оценке технологической прочности реальных сварных конструкций.

5. На основании решения задачи о проплавлении тонких листов в трехмерной постановке для источника теплоты, движущегося с конечной скоростью, установлено, что причиной изменения величины и знака »ременного и остаточного прогибов пластин при постоянном режиме сварки и способе закрепления являются малые, в пределах толщины листа, начальные отклонения от плоской формы. При наличии начального прогиба «вверх» (с приближением к сварочному источнику) перемеще-»»« кромки пластины из плоскости на стадии сварки имеют синусоидальный, со сменой знака характер, а на стадии остывания непрерывно возрастают. При наличии начального прогиба «вниз» эти перемещения па стадии сварки монотонно возрастают, а На стадии остывания - убывают. Остаточные значения прогиба существенно ниже, чем в первом случае. При наличии начального «скручиванйя» листового элемента в процессе сварки и остывания форма пластины Изменяется в сторону увеличения начального отклонения.

6. Применение гипотезы об одновременной укладке шва и решение задачи о расчете напряжений при сварке кольЦевь!х швов труб в осесим-мегричной постановке дает погрешность по значеййяМ максимальных напряжений в сварном шве не более 5% по сравнеМиЮ с решением в

трехмерной постановке во всем диапазоне рассмотренных скоростей сварки (0.2 - 1.2 см\с). В зоне, прилегающей к шву, погрешность расчета окружных (продольных) напряжений может достигать 50%, однако она идет в запас прочности. Исследование процесса пространственного деформирования труб при сварке можно проводить только в трехмерной постановке.

7. Расчетным путем показано, что при электронно-лучевой сварке труб из никелевого сплава наличие сложной формы проплавления в сочетании с низкой теплопроводностью и высокой жаропрочностью обусловливает высокий уровень накопления растягивающих деформаций в ТИХ в направлении толщины стенки трубы в околошовной зоне, что является причиной образования ГТ. С увеличением толщины труб в диапазоне 6-27 мм накопленная в ТИХ деформация имеет максимум при толщине 18 мм. При увеличении погонной энергии сварки максимум деформации, накопленной в ТИХ, смещается из «подгрибковой» зоны в середину шва. С увеличением скорости сварки величина этого критерия возрастает, что означает увеличение вероятности образования ГТ.

8. Разработанный с участием автора программный комплекс «\VELD-3D» обеспечивает возможность решения широкого круга термодеформационных задач сварки и сопутствующих технологических процессов. Проведенная всесторонняя верификация программного обеспечения показала хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных, что свидетельствует об эффективности и корректности разработанных алгоритмов и программного обеспечения.

9. В результате компьютерного моделирования кинетики НДС и структурообразования в железнодорожных колесах при различных технологических и эксплуатационных воздействиях установлено, что одной из важных причин разрушения колес при эксплуатации могут являются высокие двухосные растягивающие напряжения, образующиеся при изготовлении в момент окончания закалки. Высокотемпературный отпуск при 500°С снижает закалочные напряжения с 800 до 260 МПа, а после отпуска при 300°С уровень остаточных растягивающих напряжений достигает 480 МПа, вследствие чего вероятность возникновения разрушений в эксплуатации возрастает.

10. Моделирование технологического процесса восстановления изношенного гребня колеса двухдуговой наплавкой, подтвержденное экспериментами, позволило установить возникновение в околошовной зоне (ОШЗ) области с трехосным растяжением с компонентами, близкими к пределу текучести материала колеса. В этой же зоне возникают малопла-сгачыые структуры мартенсита и бейнита, что увеличивает вероятность образования трещин. Варьирование технологических параметров процесса при моделировании показало, что снижение содержания мартенсита в ОШЗ может достигаться при применении двухдугового процесса и температуре предварительного подогрева 250°С, а также при соблюдении интервала времени от окончания подогрева до момента начала наплавки в пределах 180 сек.

11. Моделирование процессов наложения эксплуатационных механических и термических нагрузок на поле начальных технологических напряжений и деформаций приводит к существенному перераспределению НДС колеса и появлению зон пластических деформаций в области контакта колеса и рельса н на радиусах перехода от обода к диску колеса, что необходимо учитывать при оценке ресурса колес.

12. Результаты работы внедрены в производство. Разработан проект «Технических условий на поставку цельнокатаных колес для скоростного движения». Выпущено «Извещение об изменении ТУ 0941-04401124328-96; Бандажи черновые из непрерывнолитой заготовки углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи». Изменение утверждено ГОССТАНДАРТОМ РФ и внесено РЕЕСТР за номером 200\013675\01. Дан ряд конкретных рекомендаций по корректировке технологии изготовления цельнокатаных колес. Соответствующие документы прилагаются к диссертации. Полученные в диссертации результаты явились существенной частью научного обоснования работы «Исследования, разработка технологии, оборудования, материалов и вспомогательных средств для восстановления электродуговой автоматической наплавкой изношенных гребней колес подвижного состава и массовое их внедрение на сети железных дорог», отмеченной Премией Правительства РФ в области науки и техники за 1998 г. Ряд разработок, изложенных в диссертации, применяется в учебном процессе МИИТ.

Содержание диссертации отражено в 44 работах, основными из которых являются следующие:

1. Куркин A.C., Киселев A.C. Разработка программного обеспечения для моделирования термонапряженного состояния деталей и его применение для повышения качества сварных конструкций // Труды МВТУ им.Н.Э.Баумана. - 1988. - № 511. - С. 89-105.

2. Киселев A.C., Винокуров В.А., Куркин A.C. Зависимость временных напряжений в электрошлаковых швах от размеров брусьев, ввариваемых в массивные детали // Вопросы повышения качества сварных конструкций: Сб. статей. - М., 1990.- С. 107-113.

3. Анализ напряженно-деформированного состояния в круговых швах рам тележек вагонов метро / С.Н.Киселев, А.С.Киселев, В.В.Смирнов и др. // Сварочное производство. - 1993. - № 4. - С. 19-20.'

4. Киселев С.Н., Киселев А.С Моделирование процесса наплавки изношенных колес вагонов // Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях и в организациях: Сб. статей. -М„ 1993.-С. 132-138.

5. Температурные поля, деформации и напряжения при наплавке гребней колес вагонов / С.Н.Киселев, А.С.Киселев, В.Б.Харитонов и др. // Повышение работоспособности деталей, сварных узлов и инструментов железнодорожной техники: Сб. научных трудов МГУ ПС. - М., 1993. -№872.-С. 30-38.

6. Киселев С.Н., Киселев A.C., Смирнов В.В. Расчетная оценка остаточных напряжений в сварном узле шпинтона тележки вагона метрополитена // Повышение работоспособности деталей, сварных узлов и инструментов железнодорожной техники: Сб. научных трудов МГУ ПС. -М., 1993.-№ 872.-С. 47-52.

7. Киселев С.Н. , Киселев A.C., Кузьмина Г.Д. Решение нелинейных задач нестационарной термоупругопластичности применительно к сварке и наплавке конструктивных элементов // Прикладная физика: Науч,-техн. сб.-М., 1994.-№3. С. 98-101.

8. Компьютерное моделирование технологии наплавки цельнока-танных колес. / С.Н.Киселев, А.С.Киселев, Г.Д.Кузьмина и др. // Со. стояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин: Сб. статей. - М., 1994. - С. 81-83.

9. Температурные поля, деформации и напряжения в цельнокатан-ных вагонных колесах при различных режимах торможения / В.Г.Иноземцев, С.Н.Киселёв, A.C. Киселёв и др. // Вестник ВНИИ Железнодорожного транспорта. - 1994. - № 7. - С. 13-17.

10. Оценка ресурса цельнокатанного колеса при малоцикловом тер-моупругопластическом деформировании с учетом режимов торможения вагона / В.Г.Иноземцев, С.Н.Киселёв, А.С.Киселёв и др. // Вестник ВНИИ Железнодорожного транспорта. - 1995. - № 4. - С. 40-43.

11. Влияние подогрева при наплавке цельнокатанных колес вагонов на остаточные напряжения и деформации / С.Н.Киселев, А.С.Киселев, A.B. Саврухин и др. //Сварочное производство. - 1995. - № 12. - С. 3-7.

12. Оценка ресурса цельнокатанного колеса, восстановленного наплавкой, при малоцикловом нагружении / С.Н.Киселев, А.С.Киселев, Р.И.Зайнетдинов и др. // Сварочное производство. - 1995. - № 12. - С. 1822.

13. Киселев С.Н., Киселев A.C., Кузьмина Г.Д., Теоретические и экспериментальные исследования технологии двухдуговой автоматической наплавки под слоем флюса изношенных гребней цельнокатаных вагонных колес // Конструкторско-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей: Сб. статей. - С.-Пб., 1997, - С. 45-53.

14. Киселев A.C., Иванова О.И., Тутнов И.А. Возможности метода суперэлементов при расчете остаточных напряжений в стыковых сварных соединениях труб для решения задач безопасной эксплуатации // Безопасность трубопроводов: Сб. докладов второй международной конференции. - М., 1997. - С. 1-12.

15. Современные аспекты компьютерного моделирования тепловых, деформационных процессов и структурообразования при сварке и сопутствующих процессах / Киселев С.Н., Киселев A.C., А.С.Куркин и др. II Сварочное производство. - 1998. - № 10. - С. 31-36.

16. Киселев С.Н., Киселев A.C., Саврухин A.B. Компьютерное моделирование тепловых и деформационных процессов при сварке и сопутствующих процессах // Инженерный справочник. - 1999. - № 1. - С. 21-28.

17. Киселев А.С Компьютерное моделирование тепловых, структурных и деформационных процессов при термических технологических воздействиях // Заводская лаборатория. - 1999. - Т. 65, № 10. - С. 41-48.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современные подходы к моделированию сварочных и сопутствующих процессов.

1.1 .Особенности анализа сварных соединений.

1.2.Принципы и методы компьютерного моделирования.

1.3.Методы решения нелинейной, нестационарной задачи теплопроводности.

1.4.Методы решения задачи термоупругопластического деформирования.

1.5.Компьютерное моделирование структурных превращений.

1.6.Моделирование процессов термообработки.

1.7.Методы оценки технологической прочности сварных конструкций.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Развитие методов решения нелинейных задач теплопроводности и термоупругопластичности применительно к процессам сварки, наплавки и термообработки.

2.1 .Разработка методики решения нелинейных задач нестационарной теплопроводности с учетом структурных превращений при сварке и наплавке на базе метода элементарных тепловых балансов.

2.2.Разработка методики решения нелинейных термоупругопла-стических задач применительно к сварочным процессам с учетом структурных превращений на базе метода конечных элементов.

2.3.Разработка методики моделирования термодеформационных процессов при сварке и наплавке в трехмерной постановке на базе метода суперэлементов.

2.4.Разработка методики расчета НДС конструкций при эксплуатационной нагрузке с учетом предварительного технологического воздействия.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка и верификация программного обеспечения.

3.1.Общие принципы формирования программного комплекса для моделирования сварочных и сопутствующих процессов.

3.2. Структур а ПК «WELD 3D».

3.3.Верификация программного обеспечения и разработанных алгоритмов решения.

3.3.1 .Анализ НДС стыковых соединений при электродуговой сварке и проплавлении пластин.

3.3.2.Исследование технологических процессов электродуговой сварки труб встык.

3.3.3.Исследование тепловых процессов при закалке колес вагонов методом спрейерного охлаждения.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Оценка стойкости сварных соединений против образования горячих трещин с учетом технологических и конструктивных факторов.

4.1 .Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки технологической прочности изделий при сварке.

4.2.Анализ влияния технологических параметров электроннолучевой сварки труб из никелевого сплава на сопротивляемость образованию горячих трещин.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Анализ термодеформационных процессов, структурных превращений при термической обработке, наплавке и других технологических и эксплуатационных воздействиях на железнодорожные колеса.

5.1 .Разработка методических положений компьютерного моделирования технологических и эксплуатационных процессов, связанных со спецификой железнодорожных колес.

5.2.Компьютерное моделирование термодеформационных процессов и структурных превращений в колесах при их закалке и отпуске.

5.3.Моделирование НДС колес при восстановлении их наплавкой.

5.4.Моделирование кинетики НДС колеса при эксплуатационных нагрузках.

Выводы по главе 5.

Процессы сварки, высокотемпературной резки, наплавки, термообработки широко используются при создании ответственных конструкций. К ним можно отнести корпуса и элементы оборудования атомных станций, трубопроводы во всех отраслях промышленности, подвижной состав железнодорожного транспорта, корпуса автомобилей и кораблей, станины прессов и прокатных станов и многое другое. Без применения процессов сварки изготовление большинства перечисленных конструкций было бы практически невозможно. Вместе с этим использование процессов сварки и наплавки приводит к возникновению ряда проблем, связанных с механической неоднородностью сварных соединений. Неоднородность сварных соединений - наиболее существенный фактор, определяющий несущую способность сварного соединения и, в конечном итоге, всей сварной конструкции в целом. Не случайно более 80% от объема неразру-шающего контроля ответственных конструкций приходится на сварные соединения. Одной из основных задач сварочной науки является снижение неоднородности сварного соединения и получение максимально равнопрочной конструкции за счет оптимизации конструктивно-технологических параметров сварочных процессов. Поскольку реально добиться 100-процентной равнопрочности невозможно, другой важнейшей задачей является правильная оценка прочности сварных соединений и принятие обоснованных нормативных характеристик с учетом всех особенностей сварных конструкций, как на стадии изготовления, так и на стадии эксплуатации. Возникновение неоднородности обусловлено сложными физикохимическими и термодеформационными процессами, протекающими при сварке и наплавке. Влияние этих процессов на качество сварных конструкций многообразно. Оно выражается в изменении механических свойств и химического состава металла в зоне технологического влияния, в возникновении упругих и пластических деформаций и высоких временных и остаточных напряжений, в появлении специфических для сварных соединений форм концентраторов напряжений и деформаций. При определенных условиях сочетание отрицательных факторов может привести к разрушению конструкции уже на стадии изготовления или к появлению крупного дефекта, исключающего последующую эксплуатацию изделия или требующего проведения дорогостоящих ремонтных работ. Кроме этого разработанные к настоящему времени технологические процессы сварки не гарантируют отсутствия дефектов, таких как поры, непровары, несплавления. Поэтому вопросы контроля сварных соединений являются очень важными и в этих вопросах достигнуты большие успехи. Современные методы контроля и созданные в последнее время автоматизированные системы контроля на основе компьютеров позволяют с высокой степенью надежности обнаруживать дефекты в сварных соединениях. Однако выявление дефекта и определение его типа и размеров является лишь промежуточным звеном при оценке работоспособности изделия. Для обоснованного принятия решения о несущей способности конструкции при наличии неоднородности или дефектов необходимо применять современные расчетные и экспериментальные методы. Кроме этого, контроль проводится на уже созданных и работающих конструкциях. Важно иметь возможность оценить прочность сварной конструкции еще на стадии проектирования как самой конструкции, так и технологии ее изготовления, с учетом всех перечисленных выше особенностей и различного сочетания возможных эксплуатационных нагрузок, накладывающихся на остаточные технологические.

Возможности экспериментального определения временных и остаточных напряжений и деформаций при наличии в объекте сложного трехмерного НДС ограничены. Во многих случаях они связаны с повреждением конструкции, что недопустимо для сложных, дорогостоящих или действующих изделий. Применение неразрушающих методов измерений позволяет измерять остаточные деформации и напряжения на поверхности деталей на удалении от зон высокого нагрева, хотя во многих случаях наиболее опасные зоны сварных соединений находятся в глубине металла. Экспериментальные методы дают достоверную, но неполную информацию (в малом числе точек), кроме этого они часто не позволяют выявить влияние отдельных факторов процесса сварки на кинетику НДС. Поэтому наиболее перспективными для прогнозирования несущей способности сварных конструкций с учетом всех их особенностей можно считать современные методы компьютерного моделирования, а экспериментальные использовать для их верификации и определения исходных данных.

Таким образом, развитие методов компьютерного моделирования при проектировании технологических процессов сварки и сопутствующих процессов представляется актуальным.

Разработке расчетных методов оценки прочности и напряженно-деформированного состояния (НДС) сварных соединений посвящены работы многих российских и зарубежных ученых. Следует отметить труды Е.О.Патона, Г.А.Николаева, Н.Н.Рыкалина, Н.О.Окерблома,

B.А.Винокурова, А.Г.Григорьянца, Г.П.Карзова, Э.Л.Макарова,

C.А.Куркина, О.А.Бакши, Р.З.Шрона, В.Н.Земзина, Л.А.Копельмана, Н.Н.Прохорова, А.А.Углова, В.М.Сагалевича, С.Н.Киселева и др. Хорошо понимая физико-механические явления, протекающие в сварных соединениях, многие из перечисленных ученых стали в дальнейшем руководителями разработок наиболее перспективных в настоящее время компьютерных методик расчета напряженно-деформированного состояния и оценки прочности конструкций. В.И.Махненко, В.А.Кархин, Б.З.Марголин, В.В.Аладинский, А.С.Куркин, А.В.Вершинский и др. создали ряд мощных вычислительных комплексов на основе современных численных методов. Применение подобных методов позволило весьма подробно изучать термомеханическое поведение сварных конструкций, вводя все более и более совершенные математические модели. Однако некоторые существенные проблемы моделирования к настоящему времени не решены.

Одним из основных сопутствующих процессов, приводящих к снижению отрицательного воздействия сварки на изделия, является термообработка. Процессы, протекающие при термообработке, имеют идентичную физическую природу процессам при сварке, но не включают процессы плавления и кристаллизации металлов. При термообработке, так же, как и при сварке, имеют место процессы структурных и фазовых превращений, неравномерного нагрева и образования остаточных деформаций и напряжений. В трудах ряда авторов: Н.П.Морозова, В.А.Винокурова, НА.Адамовой, В.Е.Лошкарева, А.М.Покровского и др. вопросы кинетики напряженно-деформированного и структурного состояния при различных видах термообработки изучены весьма подробно и глубоко. В настоящее время при оценке работоспособности конструкций возникает необходимость в исследовании кинетики НДС и структурных превращений в случае воздействия сварочных источников теплоты на конструктивные элементы с начальным НДС и структурным составом, образовавшимся при термообработке и последующих эксплуатационных воздействиях. Можно отметить отставание в изучении процессов структурных и фазовых превращений применительно к сварным конструкциям, хотя они имеют большое значение для проведения корректной оценки работоспособности и стабильности формы сварных конструкций.

Математическое моделирование процессов, происходящих при сварке, наплавке, термообработке должно проводиться на базе решения трех основных задач:

- нелинейной нестационарной задачи теплопроводности;

- структурной задачи;

- термомеханической задачи в упруговязкопластической постановке.

Первые две задачи непосредственно взаимосвязаны и не могут решаться отдельно друг от друга. Третья задача, строго говоря, также связана с первыми, поскольку пластическое деформирование тела вызывает изменение его температуры. Однако это изменение мало по сравнению с процессами распространения тепла от концентрированных сварочных источников. Поэтому деформационная задача обычно рассматривается отдельно от температурно-структурной, т.е. результаты ее решения не влияют на распределение температур. Решение перечисленных задач осложняется необходимостью учета зависимости теплофизических и механических свойств материала от температуры и структуры, которые меняются в очень широких пределах. При решении температурной задачи необходимо учитывать скрытую теплоту структурных и фазовых превращений, скорость охлаждения различных точек модели и максимальную температуру их нагрева, различный структурный состав в каждой точке модели.

Применяя численные методы, исследователи обычно пытаются свести схему решения задачи к двумерной, например, осесимметричной, плоского напряжения, плоской деформации, плоского слоя. Это связано с очень большим ростом (в сотни и тысячи раз) затрат ресурсов ЭВМ и времени счета при использовании объемной схемы решения, которая наиболее полно соответствует реальному процессу. При этом исследователи вводят допущения об одновременной укладке шва и пренебрегают распространением потоков тепла в направлении движения сварочного источника теплоты. Такое предположение считается корректным при быст-родвижущихся источниках теплоты для зон сварного соединения, удаленных от начала и конца шва. Однако к настоящему времени еще не получено количественных оценок возможности такого перехода и погрешности результатов двумерных решений по сравнению с трехмерным. В последнее время для анализа сложных трехмерных конструкций применяется метод суперэлементов, являющийся надстройкой к методу конечных элементов и позволяющий сократить объем вычислений при наличии в конструкции повторяющихся частей. Поскольку при моделировании процесса сварки приходится рассматривать процесс укладки протяженного шва, в большинстве сварных соединений такая повторяемость присутствует. Поэтому применение метода суперэлементов для моделирования термодеформационных технологических процессов при сварке и наплавке представляется перспективным.

Актуальным является распространение численных методов расчета сварных конструкций на трехмерную область. Это позволит провести моделирование ранее не исследованных зон сварных соединений, обосновать применение плоских схем решения и на этой основе назначать оптимальные с позиций работоспособности конструктивно-технологические параметры процессов сварки, наплавки и термообработки.

Научные исследования по теме диссертационной работы проведены в рамках плана фундаментальных исследований Российского Научного Центра «Курчатовский институт», международной программы по оценке прочности корпусов реакторов «FALSIRE», проекта №774 Международного Научно-технического Центра, плана основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ МПС РФ, а также межвузовских программ "Сварочные процессы" на 1992-99г.г. На защиту выносятся следующие основные положения:

- Методика анализа термодеформационных процессов и структурных превращений при сварке, термообработке и наплавке на основе разработанных алгоритмов расчета температурно-структурных полей и НДС сварных конструкций с использованием уточненной физической модели материала, учитывающей наличие смеси структур в каждой точке тела;

- Методика расчета сварных соединений в трехмерной постановке на основе метода суперэлементов;

- Методика анализа кинетики НДС, а также структурных и фазовых превращений в сварных конструкциях при последовательном воздействии термообработки, сварки и эксплуатационных нагрузок;

- Расчетно-экспериментальная методика оценки склонности к образованию горячих трещин материалов и изделий с учетом технологических и конструктивных факторов на основе введения критериев накопления деформаций в локальных зонах;

- Результаты анализа термодеформационных процессов в двумерной и трехмерной постановке при однопроходной электродуговой сварке пластин и труб встык;

- Результаты анализа термодеформационных процессов и структурных превращений при термообработке, наплавке и эксплуатационных воздействиях на цельнокатаные колеса железнодорожного транспорта;

Научная новизна работы:

1.Развитие расчетных методов анализа и проектирования сварочной технологии необходимо проводить в следующих направлениях: а) совершенствования методов моделирования кинетики структурных превращений при сварке для оценки структурного состояния сварных конструкций; б) совершенствования физической модели материала в расчетах тепловых и деформационных процессов, учитывающая возможное наличие различных структурных составляющих или их смесей в каждой точке модели для уточнения результатов расчета; в) разработки методов трехмерного моделирования термодеформационных процессов при сварке, снимающих ограничения, присущие двумерным моделям, на типы конструкций и режимы технологических процессов.

Разработана специализированная методика, позволяющая моделировать кинетику структурных превращений в изделиях при сварочном технологическом воздействии с использованием термокинетических диаграмм металлов, а также решать термодеформационные упругопластиче-ские задачи в трехмерной постановке на стандартных персональных компьютерах с использованием суперэлементного подхода и физической модели материала, учитывающей возможное наличие различных структурных составляющих и их смесей в каждой точке модели.

2. Установлено, что для оценки стойкости сварных соединений против горячих трещин(ГТ), в зависимости от зоны их образования, целесообразно использовать следующие деформационные критерии: для сварного шва наиболее информативными являются компоненты собственных деформаций, накапливаемых в температурном интервале хрупкости, ориентированные вдоль и поперек оси шва, в околошовной зоне - интенсивность пластических деформаций, накопленных в ТИХ. На базе этих критериев разработана расчетно-экспериментальная методика, позволяющая получить количественные данные для перехода от оценки стойкости материалов против ГТ на пробах к оценке технологической прочности реальных сварных конструкций.

3. На основании решения задачи о проплавлении тонких листов в трехмерной постановке для источника теплоты, движущегося с конечной скоростью, установлено, что причиной изменения величины и знака временного и остаточного прогибов пластин при постоянном режиме сварки и способе закрепления являются малые, в пределах толщины листа, начальные отклонения от плоской формы. При наличии начального прогиба «вверх» (с приближением к сварочному источнику) перемещения кромки пластины из плоскости на стадии сварки имеют синусоидальный, со сменой знака характер, а на стадии остывания непрерывно возрастают. При наличии начального прогиба «вниз» эти перемещения на стадии сварки монотонно возрастают, а на стадии остывания - убывают. Остаточные значения прогиба существенно ниже, чем в первом случае. При наличии начального «скручивания» листового элемента в процессе сварки и остывания форма пластины изменяется в сторону увеличения начального отклонения.

4. Применение гипотезы об одновременной укладке шва и решение задачи о расчете напряжений при сварке кольцевых швов труб в осесимметричной постановке дает погрешность по значениям максимальных напряжений в сварном шве не более 5% по сравнению с решением в трехмерной постановке во всем диапазоне рассмотренных скоростей сварки (0.2 - 1.2 см\с). В зоне, прилегающей к шву, погрешность расчета окружных (продольных) напряжений может достигать 50%, однако она идет в запас прочности. Исследование процесса пространственного деформирования труб при сварке можно проводить только в трехмерной постановке.

5. Расчетным путем показано, что при электронно-лучевой сварке труб из никелевого сплава наличие сложной формы проплавления в сочетании с низкой теплопроводностью и высокой жаропрочностью обусловливает высокий уровень накопления растягивающих деформаций в ТИХ в направлении толщины стенки трубы в околошовной зоне, что является причиной образования ГТ. С увеличением толщины труб накопленная в ТИХ деформация изменяется и имеет максимум при толщине 18 мм. При увеличении погонной энергии сварки максимум деформации, накопленной в ТИХ, смещается из «подгрибковой» зоны в середину шва. С увеличением скорости сварки величина этого критерия возрастает, что означает увеличение вероятности образования ГТ.

Методы исследования:

Моделирование термодеформационных процессов в конструкциях проведено численными методами элементарных тепловых балансов, конечных элементов и суперэлементов с учетом физической нелинейности с помощью специально разработанных программных комплексов. При экспериментальных исследованиях использованы методы тензометриро-вания, магнитоупругий, лазерной интерферометрии. Для получения дилатометрических характеристик и построения диаграмм анизотермического распада аустенита использовался компьютерный анализатор материалов КАМАТ-ГАНГ.

Практическая ценность и результаты работы:

1. Совместно с проф. Куркиным А.С. (кафедра сварки МГТУ им. Н.Э.Баумана) разработан программный комплекс "Сварка", обеспечи

14 вающий моделирование напряженно-деформированного состояния и оценку статической прочности в процессе изготовления и эксплуатации сварных конструкций на основе метода конечных элементов. Комплекс передан для использования в ряд организаций Москвы, Свердловска, Краматорска, Ростова-на-Дону, Волгодонска и Тулы.

2.Для моделирования кинетики НДС при сварке и сопутствующих технологических процессах в трехмерной постановке совместно с Киселевым Александром Сергеевичем (РНЦ «Курчатовский институт») разработан программный комплекс "WELD3D"

3. Разработано программное обеспечение для оценки опасности возникновения горячих трещин в сварных конструкциях по результатам расчета НДС с применением указанных выше комплексов.

4. Проведен численный анализ ряда изделий при различных сочетаниях конструктивно-технологических параметров процессов изготовления и эксплуатации. Обоснованы рекомендации по выбору рациональных режимов технологических процессов.

5. На основе проведенных исследований внесены изменения в нормативную документацию на изготовление, поставку и ремонт наплавкой ЦКК вагонов. В работе представлены соответствующие документы.

12. Результаты работы внедрены в производство. Разработан проект «Технических условий на поставку цельнокатаных колес для скоростного движения». Выпущено «Извещение об изменении ТУ 0941-044-0112432896; Бандажи черновые из непрерывно литой заготовки углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи». Изменение утверждено ГОССТАНДАРТОМ РФ и внесено РЕЕСТР за номером 200X013675V01. Дан ряд конкретных рекомендаций по корректировке технологии изготовления цельнокатаных колес. Соответствующие документы прилагаются к диссертации. Полученные в диссертации результаты явились существенной частью научного обоснования работы «Исследования, разработка технологии, оборудования, материалов и вспомогательных средств для восстановления электродуговой автоматической наплавкой изношенных гребней колес подвижного состава и массовое их внедрение на сети железных дорог», отмеченной Премией Правительства РФ

293

1. Теория сварочных процессов / В.Н.Волченко, В.М.Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под ред. В.В.Фролова. М.: Высшая школа, 1988. -559 с.

2. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

3. Винокуров В.А., Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности / Под ред. Б.Е.Патона. М.: Машиностроение, 1996. - 576 с.

4. Бакши О.А. Механическая неоднородность сварных соединений: Текст лекций по курсу "Специальные главы прочности сварных конструкций" / ЧПИ. Челябинск, 1983. - 56 с.

5. Когут Н.С., Шахматов М.В., Ерофеев В.В. Несущая способность сварных соединений. Львов: Свит, 1991. - 184 с.

6. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей.- М.: Машиностроение, 1981. 247 с.

7. Прохоров Н.Н. Технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации. М.: Металлургия, 1979. - 248 с.

8. Карзов Т.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. СПб.: Политехника, 1993. - 391 с.

9. Винокуров В.А., Аладинский В.В., Дубровский В.А. Концентрация напряжений в соединениях с лобовыми швами и ее учет в расчетах на выносливость //Автоматическая сварка. 1987. - № 7. - С. 18-23.

10. Сварка и свариваемые материалы: Справочник: В 3 т. / Под ред. Э.Л.Макарова. М.: Металлургия, 1991. - Т. 1: Свариваемость материалов.- 256 с.

11. Макаров Э.Л., Коновалов А.В. Система компьютерного анализа свариваемости и технологии сварки легированных сталей // Сварочное производство. 1995. - № 3. - С. 6-9.

12. Куркин А.С. Прямое математическое моделирование процесса разрушения сварных конструкций для определения их прочности и тре-щиностойкости: Дис. . докт. техн. наук. М., 1998. - 247 с.

13. Строительные нормы и правила: СНиП Н-23-81 / ЦИТП Госстроя СССР.-М., 1988.-96 с.

14. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок: ПНАЭ Г-7-002-86 / Госатомэнерго-надзор СССР. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 525 с.

15. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. -М.: Мир, 1975.- 544 с.

16. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев: Наукова думка, 1976. - 320 с.

17. Papazoglou V., Masubuchi К. Numerical analysis of thermal stresses during welding including phase transformation effects // Trans. ASME. Journal of Pressure Vessel Technology. 1982. - V. 104, № 8. - P. 198-203.

18. Goldak J., Chakravarti A., Bibby M. A new finite element model for welding heat sources II Metallurgical Trans. 1984. - V. 15B, № 6. - P. 299-305.

19. Gulick L. Finite element welding computations using general purpose nonlinear analysis codes // ASME Pressure Vessel and Piping div. 1988. - V. 143. - P. 13-22.

20. Zacharia Т., David S., Vitek J. Effect of evaporation and temperature-dependent material properties on weld pool development // Metallurgical Trans. 1991. -V. 22B, -No 2.- P. 233-241.

21. Бреббия К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982. - 287 с.

22. Lally В., Biegler L., Henein Н. Finite difference heat-transfer modeling for continuous casting // Metallurgical Trans. 1991. - V. 22B, № 4. - P. 761770.

23. Pardo E., Weckman D. Prediction of weld pool and reinforcement dimensions of GMA welds using a finite-element model // Metallurgical Trans. -1989. V. 20B, № 6. - P. 937-947.

24. Лошкарев B.E. Температурное и напряженное состояния крупных поковок при охлаждении в процессе термической обработки: Дис. . канд. тех. наук. Л., 1983. - 256 с.

25. Результаты численного исследования напряжений и перемещений при наплавке внутренних поверхностей корпуса насоса землесоса / В.И. Махненко, Е.А. Великоиваненко, Ф.Л. Демура, В.М, Мозок // Автоматическая сварка. 1992. - № 1. - С. 3-6.

26. Махненко В.И., Великоиваненко Е.А., Дыхно С.Л. Регулирование остаточных деформаций в зоне кольцевых швов тонкостенных оболочек вращения // Автоматическая сварка. 1992. - № 11-12. - С. 7-9.

27. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984. - 289 с.

28. Метода граничных интегральных уравнений / Под ред. Р.В.Гольдштейна. М.: Мир, 1978.

29. Карзов Г.П., Леонов В.П., Марголин Б.З. Расчетное определение полей остаточных сварочных напряжений в конструкциях оболочечного типа (Сообщение 1) // Автоматическая сварка. 1992. - № 3. - С. 3-8.

30. Карзов Г.П., Леонов В.П., Марголин Б.З. Расчетное определение полей остаточных сварочных напряжений в конструкциях оболочечного типа (Сообщение 2) // Автоматическая сварка. 1992. - № 4. - С. 7-12.

31. Постнов В.А., Тарануха Н.А. Метод модуль элементов в расчетах судовых конструкций. - Л.: Судостроение, 1990. - 320 с.

32. Павлович А.А., Куркин А.С. Алгоритм расчета нестационарных температурных полей в массивных деталях // Изв. вузов. Машиностроение. 1987.-№2.-С. 102-106.

33. Brown S., Song Н. Implications of three-dimensional numerical simulations of welding of large structures // Welding Journal. 1992. -V. 71, № 2. - P. 55-62.

34. Attinger R., Corponter C., Jessen A. Residual stresses and stress corrosion effects in cast steel nuclear waste overpacks // Nuclear Engineering and Design. 1991. -V. 129, № 1. - P. 89-99.

35. Free J., Goff R. Predicting residual stresses in multi-pass weldments with the finite element method // Computers and Structures. 1989. - У. 12, № 2. - P. 365-378.

36. Leung C., Pick R., Mok D. Finite element modeling of a single pass weld // Welding Research Council Bulletin Series. 1990. - № 356. - P. 1-10.

37. Leung C., Pick R. Finite element analysis of multipass welds // Welding Research Council Bulletin Series. 1990. - № 356. - P. 11-33.

38. Jonsson M., Karlsson L., Lindgren L-E. Simulation of tack welding procedures in butt joint welding of plates // Welding Journal. 1985. - V. 64, № 10.-P. 296-301.

39. Моделирование механических свойств стали в нестационарных температурных полях / Н.П.Морозов, Н.А.Адамова, Н.В.Власова и др. // Обработка металлов давлением: Межвуз.сб. Свердловск, 1984. - Вып. 2. -С. 21-27.

40. Ueda Y., Fukuda К. New measuring method of three-dimensional residual stresses in long welded joints using inherent strains as parameters Lz method // Trans. ASME. Journal of Engineering Materials and Technology. -1989.-V. Ill, № 1. - P. 1-8.

41. Beghini M., Bertini L. Residual stress modelling by experimental measurements and finite element analysis // Journal of Strain Analysis. 1990. -У. 25, №2.-P. 103-108.

42. Jonsson M., Josefson В. Experimentally determined transient and residual stresses in butt-weld pipe // Journal of Strain Analysis. 1988. - У. 23, № 1. - P. 25-31.

43. Andersson M., Josefson B. Welding stress redistribution in a butt-welded pipe during later mechanical and and thernal loading // Trans. ASME. Journal of Pressure Vessel Technology. 1988. - У. 110, № 4. - P. 402-404.

44. Karlsson R., Josefson B. Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in a single-pass butt-welded pipe // Trans. ASME. Journal of Pressure Vessel Technology. 1990. - V. 112, № 1. - P. 76-84.

45. Oddy A., McDill J., Goldak J. Consistent strain fields in 3D finite element analysis of welds // Trans. ASME. Journal of Pressure Vessel Technology. 1990. -V. 112, № 3. -P. 309-311.

46. Prediction and measurement of residual elastic strain distributions in gas tungsten arc welds / K. Mahin et.al. // Welding Journal. 1991. - V. 70, № 9. - P. 245-260.

47. Leggatt R. Computer modeling of transverse residual stresses in repair welds // Welding Journal. 1991. - V. 70, № 11. - P. 299-310.

48. Determination of residual stresses in thick-section weldments / Y.Shim, J.Jerken, P.Thome et.al. //Welding Journal. 1992. - V. 71, № 9. - P. 305-312.

49. Ueda Y., Murakawa H. New trends of research on mechanics in welding and fabrication in Japan // Trans, of JWRI. 1993. - V. 22, № 2. - P. 189-200.

50. Three dimensional numerical simulation of various thermo-mechanical processes by FEM (Report 1) I Y. Ueda, J. Wang, H. Murakawa, M. Yuan // Trans, of JWRI. 1992. - V. 21, № 2. - P. 111 -117.

51. Kim Y., Yamakita Т., Bang H. Mechanical behavior during SR-treatment of welding residual stress through the thickness // Trans, of JWRI. -1990. -V. 18, № 2. P. 61-69.

52. Ueda Y., Yuan M. The characteristics of the source of welding residual stress (inherent strain) and its application to measurement and prediction // Trans, of JWRI. -1991. V. 20, № 2. - P. 119-127.

53. Ueda Y., Nakacho K., Yuan M. Application of FEM to theoretical analysis, measurement and prediction of welding residual stresses // Trans, of JWRI. 1991. - V. 20, № 1. - P. 97-107.

54. Самойлович Ю.А., Лошкарев B.E. Определение температурных полей изделий при закалке // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. - №4. - С. 10-13.

55. Ueda Y., Yuan М. A predicting method of welding residual stress using source of residual stress (Report 2) II Trans, of JWRI. 1989. - V. 18, № 1. - P. 143-150.

56. Влияние подогрева при наплавке цельнокатных колес вагонов на остаточные напряжения и деформации / С.Н.Киселев, А.В.Саврухин, Г.Д.Кузьмина, А.С.Киселев // Сварочное производство. 1995. - № 12. - С. 3-7.

57. Анализ напряженно деформированного состояния в круговых швах рам тележек вагонов метро / С.Н.Киселев, А.С.Киселев, А.В.Саврухин, В.В.Смирнов // Сварочное производство. - 1993. - № 4. - С. 19-20.

58. Ильюшин А.А. Пластичность. М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 376 с.

59. Three dimensional numerical simulation of various thermo-mechanical processes by FEM (Report IV) / Y. Ueda, J. Wang, H.Murakawa, M. Yuan // Trans, of JWRI. 1993. - V. 22, № 2. - P. 289-294.

60. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. -М.: Металлургия, 1977. -408 с.

61. Chu С., Jianhua W. Studies on characteristics of welding residual stresses and strains in thick plate // Proc. of the 6th Int. Conf. on Pressure Vessel Technology. Beijing, 1988. - V. 2. - P. 971-978.

62. Программно методическое обеспечение и расчет напряженно -деформированного состояния сложных сварных конструкций / С.Н.Киселев, Ю.Н.Аксенов, В.Ю.Смирнов и др. // Сварочное производство. -1995.-№ 3. - С. 26-30.

63. Куркин А.С., Киселев А.С. Разработка программного обеспечения для моделирования термонапряженного состояния деталей и его применение для повышения качества сварных конструкций // Труды МВТУ им. Н.Э.Баумана. 1988. - № 511. - С. 89-105.

64. Tsai С. Using computers for the design of welded joints // Welding Journal. 1991. - V. 70, № 1. - P. 47-56.

65. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. СПб.: Политехника, 1993. - 391 с.

66. Ruud С., Josef J., Snoha D. Residual stress characterization of thick-plate weldments using X-ray diffraction // Welding Journal. -1993. V. 72, № 3. -P. 87-91.

67. Hibbit H., Marcal P. A numerical thermo-mechanical model for the welding and subsequent loading of a fabricated structure // Computers and Structures. 1973. - V. 3, № 5. - P. 1145-1174.

68. Argyris J., Szimmat L., William K. Computational aspects of welding stress analysis // Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1982. -V. 33. - P. 635-666.

69. Аладинский В.В., Маханев В.О. Применение метода конечных элементов для решения некоторых нелинейных задач механики деформируемого твердого тела / Ин-т машиноведения АН СССР. М., 1985. - 9 с. (Деп. в ВИНИТИ, № 8634-В).

70. Аладинский В.В., Павлович А.А., Винокуров В.А. Разработка методов определения сварочных напряжений // Остаточные технологические напряжения: Матер. II Всесоюз. симп. М., 1985. - С. 28-31.

71. Аладинский В.В., Павлович А.А., Винокуров В.А. Исследование остаточных напряжений при электрошлаковой сварке плит // Технологические остаточные напряжения: Матер. III Всесоюз. симп. М., 1988. - С. 6-10.

72. Павлович А.А. Разработка метода определения напряженно-деформированного состояния при электрошлаковой сварке плит: Дис. . канд. техн. наук. М., 1987. - 204 с.

73. Аладинский В.В., Павлович А.А. Улучшение алгоритма решения неизотермических упругопластических задач методом конечных элементов применительно к сварке / ВНИИТЭМР. М., 1987. - 9 с. (Деп. в ВИНИТИ, № 296-МШ).

74. Киселев С.Н., Киселев А.С., Кузьмина Г.Д. Решение нелинейных задач нестационарной термоупругопластичности применительно к сварке и наплавке конструктивных элементов // Прикладная физика. 1994. - № 3. -С. 8-11.

75. Киселев С.Н., Топоров В.Г. Расчет температурных полей при сварке пластин в нелинейной постановке с учетом распределенности источника теплоты // Вопросы атомной науки и техники: Науч.-техн. сб. / НИКИМТ(М.). 1984. - Вып. 1(12). - С. 25-32.

76. Николов Д.Г., Трифонов М.Ц., Букев А.И. О моделировании тепловых источников при дуговой сварке // Сварочное производство. 1987. -№ 6. - С. 34-36.

77. Дьяков Ю.Г., Кархин В.Я., Аниковский В.В. Кинетика деформаций и напряжений при многопроходной сварке пластин из биметалла // Автоматическая сварка. 1984. - № 8. - С. 14-18.

78. Расчетный метод исследования температурного поля при многослойной сварке / В.П.Ларионов, А.Р.Павлов, А.П.Аммосов, А.Г.Тихонов //Автоматическая сварка. 1981. - № 4. - С. 16-18.

79. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1954.-296 с.

80. Загряцкий Н.И. Расчет напряженно-деформированного состояния при закалке //Ученые записки Горьк. ун-та. -1971. Вып. 142. - С. 24-34.

81. Применение методов компьютерного моделирования для выбора рационального времени выдержки при отпуске сварных конструкций из стали 15Х1М1ФЛ / В.В.Аладинский, В.О.Маханев, А.А.Павлович, Н.Е.Левенберг // Сварочное производство. 1994. - № 2. - С. 13-14.

82. Аладинский В.В., Маханев В.О., Павлович А.А. Профессиональное программное обеспечение для моделирования в задачах индустрии сварки // САПР и экспертные системы в сварке: Сб. статей. Тула: Тульск. гос. техн. ун-т, 1995. - С. 32-36.

83. Лошкарев В.Е. Температурное и напряженное состояния крупных поковок при охлаждении в процессе термообработки: Дис. . канд. техн. наук.-Л., 1983. 256 с.

84. Адамова Н.А. Теплофизическое обоснование режимов термообработки крупных прокатных валков: Дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1986.-224 с.

85. Лошкарев В.Е., Немзер Г.Г., Самойлович Ю.А. Определение теплофизических характеристик стали из решения обратной задачи теплопроводности // Промышленная теплотехника. 1980. - Т. 2, вып. 3. - С. 2228.

86. Немзер Г.Г. Технология производства крупных поковок. Л.: Машиностроение, 1979. - 269 с.

87. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. -М.: Машиностроение, 1968. 360 с.

88. Качанов Л.М Основы теории пластичности . М.: Наука, 1969. -420 с.

89. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975. - 228 с.

90. Власов В. 3. Избранные труды: В 3 т. М.: Изд-во АН СССР, 1963. -Т. 2.-136 с.

91. Three dimensional numerical simulation of various thermo-mechanical processes by FEM (Report 3) / Y. Ueda, J. Wang, H. Murakawa, M. Yuan //Trans, of JWRI. 1993. - V. 22, № 1. - P. 127-134.

92. Винокуров В.А. Отпуск сварных конструкций для снятия напряжений. М.: Машиностроение, 1973. - 213 с.

93. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. - 532 с.

94. Исследование остаточных сварочных напряжений в трубопроводах ДУ-300 Смоленской и Курской АЭС / В.П.Щепинов, И.Н.Одинцов, А.С.Киселев и др. // Матер. 3-й Междунар. конф. «Безопасность трубопроводов». М., 1999. - Т.2. - С. 281-289.

95. Аладинский В.В. Разработка численных методов определения напряженно-деформированного сварных соединений с концентраторами: Дис. . канд. техн. наук. М., 1987. - 267 с.

96. Овешников А.В. Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки высокотемпературной прочности металла шва в процессе электрошлаковой сварки: Дис. . канд. техн. наук. М., 1992. - 208 с.

97. Киселев С.Н., Киселев А.С., Саврухин А.В. Компьютерное моделирование процессов при ремонте сваркой восьмиосных цистерн // Автоматизация и современные технологии. 1999. - № 2. - С. 26-29.

98. Контроль остаточных напряжений в цельнокатаных колесах, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации, на основе компьютерного моделирования / С.Н.Киселев, А.С.Киселев, И.Л.Пашолок, А.В.Саврухин // Контроль. Диагностика. 1999. - № 4. - С. 3-13.

99. Stout R. Postweld heat treatment of pressure vessel steels // Welding Research Council Bulletin Series. 1985. - № 302. - P. 1-14.

100. Chen P., Herman W., Pense A. Relaxation stresses in pressure vessels // Welding Research Council Bulletin Series. 1985. - № 302. - P. 15-22.

101. Wells A. Conference on thermal relaxation treatments of welded structures. General conclusions // Welding in the World. 1988. - V. 26, № 1. -P. 26-28.

102. Киселев А.С. Компьютерное моделирование тепловых, структурных и деформационных процессов при термических технологических воздействиях // Заводская лаборатория. 1999. - Т. 65, № 10. - С. 41-48.

103. Попова JI.E., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-растворах в сплавах титана. М.:Металлургия, 1991. - 504 с.

104. Прохоров Н.Н. Технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации. М.:Металлургия, 1979. - 248 с.

105. Покровский A.M. Разработка расчетных методов анализа термомеханических процессов, протекающих в крупногабаритных бандажах опорных валков прокатных станов при термообработке: Дис. . канд. техн. наук. М., 1989. - 251 с.

106. Лошкарев В.Е. Математическое моделирование процесса закалки с учетом влияния напряжений на структурные превращения в стали. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. - № 1 - С. 2-6.

107. Лошкарев В.Е. Расчет закалочных напряжений с учетом пластичности превращения и влияния напряжений на кинетику распада аустенита. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1988. - № 1 - С. 111-116.

108. Легун A.M. Исследование и разработка рациональных режимов закалки крупных опорных валков холодной прокатки при индукционном нагреве: Дис. . канд. техн. наук. М., 1976. - 245 с.

109. Влияние подогрева при наплавке цельнокатных колес вагонов на остаточные напряжения и деформации / С.Н.Киселев, А.В.Саврухин, Г.Д.Кузьмина, А.С.Киселев // Сварочное производство. 1995. - № 12. - С. 3-7.

110. Tanaka К., Iwasaki R., Nagaki S. On T-T-T and C-C-T diagram of steels: a phenomenological aproach to transformation kinetics // Engineer-Arhiv. 1984. -Vol. 54, № 2. - P. 81-90.

111. Ломакин В.А. Превращение аустенита при произвольном режиме охлаждения // Изв. АН СССР. Отд. техн. наук. 1958. - № 2. - С. 20-25.

112. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

113. Ruhr U. Elastostatische Strukturanalyse des Schiffskorpers, mittel IT-ES Kombinationen. Teil 1: Theoretische Cirundlagen II Schiffbauforschung. -1986.-№1.-S. 220-233.

114. Ruhr U. Elastostatische Struktur analyse des Schiffskorpers, mittel EE-ES Koliibinationcn, Teil 2: Numerische Ergcbihssc // Schiffbauforschung. 1987. -№1.-S. 48-53.

115. Вороненок E. Я., Палий. О. M., Сочинский С. В. Метод редуцированных элементов. Л.: Судостроение, 1990. - 212 с.

116. Вороненок. Е. Я., Палий О. М., Сочинский С. В. Редуцированные элементы и расчетах прочности и вибрации судов // Судостроение. 1984. -№11.-С. 9-13.

117. Постнов В. А., Тарануха Н. А. Метод модуль-элементов в расчетах судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1990. - 320 с.

118. Постнов В.А., Тарануха Н.А. Матрицы жесткости и принципы дискретизации в методе модуль-элементов // Строит, механика и прочность судовых конструкций: Труды Ленингр. кораблестроит. ин-та. Л., 1981. - С. 81-89.

119. Метод автоматизированного поэтапного расчета НДС с учетом случайного расположения концентраторов / С.Н.Киселев, Ю.Н.Аксенов, В.Ю.Смирнов и др. // Современные проблемы сварочной науки и техники «СВАРКА-95»: Тез. докл. Пермь, 1995. - С.65-66.

120. Cheng У. Finite Strip method in siruclural Analysis. Oxford: Perganion Press, 1976. - 124 p.

121. Теория сварочных процессов / В.Н.Волченко, В.М.Ямпольский, В.А.Винокуров и др.; Под. ред. В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1988. -559 с. ( у-"?"

122. Расчет термонапряжений и прочности роторов и корпусов турбин / К.В.Фролов, Ю.Л.Израилев, Н.А.Махутов и др. М.: Машиностроение, 1988. - 239 с.

123. Дэннис Дж., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.: Мир, 1988. - 440с.

124. Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия. М.: Мир, 1989.-478 с.

125. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М.: Металлургиздат. -1962.- 567 с.

126. Киселев А.С., Даничев В.В. Аннотация программы UZOR1 // Вопросы атомной науки и техники: Науч.-техн. сб. М., 1999. - С. 109-113

127. Стародубов К.Ф., Улов И.Г. Исследование влияния скорости охлаждения на микроструктуру и свойства колесной стали // Вопросы производства железнодорожных цельнокатаных колес. М., 1959. - С. 125-130.

128. Компьютерная программа для прогнозирования зон риска образования горячих трещин при сварке с глубоким проплавлением

129. В.И.Махненко, Е.А.Великоиваненко, Г.Ф.Розынка и др. // Автоматическая сварка. 1998. - № 2. - С. 3-11.

130. Винокуров В.А., Калинкин В.Н. Экспериментальное исследование временных перемещений цилиндрических оболочек при сварке кольцевых швов // Автоматическая сварка . 1973. - № 6. - С. 45-53.

131. Киселев С.Н., Скорняков JI.M., Кузьмина Г.Д. Некоторые особенности формирования угловых деформаций при сварке кольцевых швов труб // Сварочное производство. 1978. - № 4. - С. 85-91.

132. Расчетно-аналитическое определение угловых деформаций при сварке кольцевых швов труб / С.Н.Киселев, J1.M.Скорняков, А.Д.Деева и др. // Сварочное производство: Науч.-техн. сб. НИКИМТ (М.). 1978. -Вып. 5(2). - С. 57-65.

133. Конструкционные материалы АЭС / Ю.Ф.Баландин, И.В.Горынин, Ю.И.Звездин и др. М.: Энергоатомиздат., 1984. - 280 с.

134. Условия образования горячих трещин при сварке и термообработке / В.Н.Земзин, А.А.Чижик, А.А.Ланин и др. // Сварочное производство. 1983. -№ И. -С. 1 -4.

135. Мак-Лин Д. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1965. - 431 с.

136. Влияние режима однопроходной сварки на темп высокотемпературной деформации стыковых соединений: Отчет о НИР (заключ.) / МВТУ им.Н.Э.Баумана; Руководитель Н.Н.Прохоров. № ГР 01730015. - Инв. № 32/11-73.-М., 1973.- 100 с.

137. Материаловедение / Под ред. Б.Н.Арзамасова. М., Машиностроение, 1986г. - 159 с.

138. Кузьмина Г.Д. Совершенствование и обоснование технологии восстановления наплавкой гребней цельнокатанных колес вагонов на основе моделирования тепловых процессов и структурных превращений: Дис. . канд. техн. наук. М., 1995. - 167 с.

139. Стандарт S 660-83 / Процедура аналитической оценки конструкции колес для локомотивов и грузовых вагонов / Американская ассоциация железных дорог. Отделение механики. - Детройт, 1984. - 10 с.

140. Голубенко A.J1. Сцепление колеса с рельсом. Киев: Наукова думка, 1993. - 448 с.

141. Ларин Т.В. Об оптимальной твердости элементов пары трения колесо-рельс // Вестник ВНИИЖТ. 1965. - № 3. - С. 5-9.

142. Якушин Б.Ф. Влияние режима сварки на технологическую прочность алюминиевых сплавов в процессе кристаллизации // Автоматизация, механизация и технология процессов сварки: Науч.-техн. сб. МВТУ им. Н.Э.Баумана. М., 1966. - С. 220-230.

143. Морочко В.П., Сорокин Л.И., Рыбко И.Ю. Классификация жаропрочных никелевых сплавов по свариваемости при ЭЛС // Автоматическая сварка. 1980. - №12. - С. 42-44.

144. Квасницкий В.Ф. Сварка и пайка жаропрочных сплавов в судостроении. Л.: Судостроение, 1986. - 224 с.

145. Назаренко O.K., Истомин Е.И., Лошкин В.Е. Электроннолучевая сварка. -М.: Машиностроение, 1966. 125 с.

146. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1966. - 430 с.

147. Jahnke В. High temperature electron beam Welding of the Nickel-Base-Superalloy JN-738 LC // Welding Journal. - 1982. - V. 61, № 11. - P. 343347.

148. Fletcher M.J. Electron-Beam Welding of Nimonic 80A // Welding and Metal Fabrication. 1970. - V. 38, № 3. - P. 113-115.309

149. Thompson E.G., Nuner S., Prager M. Practical Solutions to Strain-Age Cracking of Rene 41 // Welding Journal. 1968. - V. 47, № 7. - P. 299-313.

150. Berry T.F., Hughes W.P. A Study of the Strain-Age Cracking Characteristics in Welded Rene 41 Phase 1 // Welding Journal. - 1967. - V. 46, №8. -P. 361-370.

151. Strassburg F.W. Mechanisiertes Schweissen von Nickel und seiner Legirungen // Schweissen und Schneiden. 1971. - Bd. 23, № 6. - S. 220-223.

152. Jucas J.R., Jackson C.E. The Welded Heat-Affected Zone in Nickel Base Alloy 718 // Welding Journal. 1970. - V. 49, № 2. - P. 46-54.

153. Schwenk W., Trabold A.F. Weldability of Rene 41 // Welding Journal. 1963. - V. 42, № 10. - P. 460-465.

154. Russell J.D. Investigation of cracking problem in electron beam welding high alloy steel // Welding Research International. 1975. - № 4. - P. 117.

155. Koren A., Roman M., Weisshaus J., Kaufman A. Improving the weldability ofNi-Base Superalloy 713 С // Welding Research Supplement. 1982. -№11.-P. 348-351.лап UOi1. О I

156. ГО С С i An ДА011 Миссии u г д л о х я г л 'J '1. Зарегистрированb' f£afH ■ о* WUXT/S)-0у«па ^