Программы для моделирования сварочных процессов

Обновлено: 18.05.2024

Моделирование сварочных процессов с помощью программного обеспечения фирмы ESI Group

Главная » CADmaster №2(57) 2011 » Машиностроение Моделирование сварочных процессов с помощью программного обеспечения фирмы ESI Group

Сварка металлов широко применяется в современной технике и является одним из самых важных технологических процессов во многих областях машиностроения. Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. Во многих случаях сварка — наиболее эффективный или единственно возможный способ создания неразъемных соединений и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии и оптимальной форме к готовой детали или конструкции.

Конечная цель сварочного производства — выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам тому назначению и тем условиям эксплуатации, для которых они создаются.

Сварка является весьма сложным физико-химическим и металлургическим процессом, в ходе которого металл шва и околошовная зона претерпевают фазовые превращения и структурные изменения, что, в свою очередь, влияет на физико-механические характеристики материала.

В силу многочисленности факторов, влияющих на характеристики сварного соединения, включая степень коробления и возникающие остаточные напряжения, подобрать оптимальную технологию сварочных работ, априори оценить качество сварного соединения и соответствие его эксплуатационным требованиям — задача непростая. Метод проб и ошибок — не лучший способ решения проблемы, особенно в тех случаях, когда цена ошибки велика.

Что же делать?

Выход — в использовании технологий виртуального моделирования. Термины «виртуальное моделирование», «виртуальная разработка изделий (VPD -технологии)» стали уже достаточно обыденными. Бурное развитие вычислительной техники, ее относительная дешевизна и доступность в сочетании с быстро развивающимся рынком наукоемких программных приложений для разных областей знаний в корне меняют подходы к проектированию изделий и отработке различного рода технологий. Виртуальное моделирование позволяет значительно сократить число натурных экспериментов путем замены их на быстрое, эффективное и высокоточное компьютерное моделирование на основе создаваемых виртуальных моделей.

Это в равной степени относится и к технологии сварочных процессов. Ведущей в области моделирования сварочных процессов в настоящее время является компания ESI Group. Она предлагает несколько функционально дополняющих друг друга программных пакетов, каждый из которых имеет свою специфику и область применения. Расчетные алгоритмы базируются на методе конечных элементов.

Помимо мощных вычислительных алгоритмов, вторым, не менее важным компонентом этих решений является база данных по свойствам материалов, которую можно назвать «материаловедческой», поскольку здесь важны практически все данные по металлам и их сплавам (теплофизические, химические и механические свойства, кривые фазовых равновесий, различного рода кинетические кривые…). Таким образом, подробная и исчерпывающая база данных — архиважный компонент программного комплекса для моделирования сварочных процессов. Именно благодаря учету всей совокупности явлений, влияющих на результаты сварочного производства, программный комплекс компании ESI Group является уникальным и в настоящее время не имеет аналогов.

На рис. 1 представлена схема, дающая общее представление о структуре и возможностях программного комплекса ESI Group по моделированию сварочных процессов. Эта схема на сегодняшний день несколько устарела, но в целом верно отражает особенности комплекса и области его применения.

В верхнем ряду приводятся реализованные в программных пакетах методы, отличающиеся строгостью постановки задачи, точностью получаемых результатов, требованиями к вычислительным ресурсам и областью применения.

Наиболее строгим и последовательным является Transient — метод, в рамках которого сварочные процессы рассматриваются как переходные/нестационарные (transient — «переходный»). Этот подход реализован в пакете Welding Package . Основой пакета является программа SYSWELD, позволяющая решать задачу без упрощений с учетом всех термомеханических явлений и металлургических эффектов. В результате расчета получаем полную информацию о качестве шва и параметрах зоны термического воздействия (фазовом составе, структуре), уровнях остаточных напряжений и деформаций в конструкции.

Хотя в данной статье речь идет о моделировании сварочных процессов, необходимо отметить, что в равной степени ПО SYSWELD используется и для анализа различных технологий термообработки. В частности, рассматриваются такие ее виды, как объемная закалка, объемное упрочнение, закалка с последующим отпуском и приобретением вторичной твердости, цементация, азотирование, закалка на аустенит (бейнит) и многие другие.

В соответствии с локально-глобальным методом внутренние остаточные силы, возникающие вследствие теплового воздействия во время сварки, сначала рассчитываются отдельно — на локальной модели. Затем эти силы передаются в глобальную модель с последующим расчетом деформаций полномасштабной конструкции.

разработать оптимальный план сварочных работ;
контролировать искажения формы изделия в заданных допусках;
минимизировать внутренние усилия, связанные с процессом сварки;
свести к минимуму отклонения от исходной формы из-за сил, вызываемых закреплениями;
минимизировать количество расходных материалов при сварочных работах;
свести к минимуму количество зажимного инструмента;
минимизировать стоимость изделия и повысить его качество.

Другой метод, который называется Shrinkage («усадка, уменьшение объема»), предполагает задание областей усадки для каждого шва. Этот метод реализован в программе WELD PLANNER («Планировщик сварочного процесса»), работающей с оболочечными конечно-элементными сетками. В качестве исходных данных в WELD PLANNER задается состав свариваемых деталей, расположение швов и последовательность их наложения, расположение закреплений. Для каждого шва определяются размеры усадочной зоны. После этого производится собственно расчет, вычисляются деформации, связанные с термическим воздействием при сварке, и анализируется их допустимость.

WELD PLANNER позволяет быстро провести расчет и получить результат. Но как определиться с параметрами усадочной зоны? Заранее они неизвестны. Поэтому необходима подготовительная работа — предварительная калибровка данных, и эта задача решается с помощью SYSWELD.

SYSWELD — центральное звено расчетного комплекса

Как уже сказано, необходимым условием для получения надежных результатов расчета является наличие качественной базы данных по свойствам металлов и сплавов.

В своей практике специалист в области термообработки пользуется набором специальных диаграмм, которые позволяют правильно подобрать рабочие режимы техпроцесса. В англоязычной литературе (в частности, в руководствах по работе с ПО SYSWELD) это CCT-, TTT-, TTA-диаграммы. Соответствующие им русскоязычные аналоги — диаграмма превращений при непрерывном остывании (CCT (Continuous Cooling Transformation)), диаграмма изотермического превращения (TTT (Time-Temperature Transformation)), важный вид диаграммы для стали — аустенизация стали, то есть фазовый переход, сопровождающийся при нагревании увеличением в структуре аустенита (TTA (Time-Temperature Austenitization)). Типовая CCT-диаграмма представлена на рис. 2. Поскольку сварочное производство связано с нагреванием, плавлением металла и, соответственно, с изменением состава и соотношения фаз, то эти диаграммы в равной степени можно использовать для предсказания структуры и фазового состава шва и околошовной зоны после кристаллизации сварочной ванны и остывания изделия. Меняя условия сварки, можно влиять на структуру шва и зоны термического влияния, добиваясь нужного результата.

Чтобы воспользоваться вышеперечисленными кривыми, необходимо знать «термическую» историю тех областей конструкции, где происходят фазовые превращения. Тепловое состояние каждой точки как функция времени зависит от теплофизических свойств материала (энтальпии, теплопроводности, теплоты фазовых переходов), от интенсивности термического воздействия и свойств теплового источника, условий внешнего теплообмена. Свойства материала (механические и тепловые), в свою очередь, зависят от фазового состава. Например, теплопроводность стали (рис. 3) зависит от состава и соотношения фаз, в данном случае — феррита и аустенита.

Механические свойства зависят от температуры, состава и соотношения фаз в расчетных точках. В качестве примера на рис. 4 приведены графики пределов текучести для различных фаз в составе стали.

Таким образом, при моделировании процесса сварки приходится решать существенно нелинейную сопряженную задачу, а это весьма сложная и ресурсоемкая процедура.

Кроме перечисленных особенностей, усложняющих расчет сварочных процессов, имеются дополнительные трудности, связанные с неопределенностью условий теплообмена с окружающей средой и характеристик теплового источника, который моделирует воздействие электрической дуги и других способов сварки. Требуется предварительная калибровка и настройка соответствующих параметров. На помощь приходят эксперименты — натурный в сочетании с численным, который выполняется, как правило, с помощью SYSWELD.

Перечислим основные особенности SYSWELD.

С помощью SYSWELD можно производить нелинейные расчеты с учетом зависимости свойств материалов от температуры, химического состава сплава, соотношения фаз и др.
В компетенции SYSWELD — анализ многих нелинейных явлений, таких как нелинейный теплоперенос, большие деформации элементов конструкции, изотропное и кинематическое упрочнение материалов, фазовые превращения, пластичность. В SYSWELD используются нелинейные правила смешивания пределов текучести разных фаз.
В SYSWEL моделируются многие виды сварки: в среде инертного газа — MIG (Metal Inert Gas), сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа — TIG, лазерным лучом, электронным лучом, точечная сварка, сварка трением.
Основные получаемые результаты — распределения температурных полей и градиентов, соотношения фаз, твердости, деформаций и остаточных напряжений в конструкции. Также можно оценить пластические деформации и пределы текучести материала в зависимости от соотношения металлургических фаз. содержит проверенную стандартную базу данных, которая непрерывно обновляется. Пользователю могут быть предоставлены и специальные базы данных (по заказу).

Пользователь со стажем может применять полный набор средств и возможностей SYSWELD. Это необходимо, как правило, в случае нестандартной или уникальной задачи. Между тем, существуют типовые задачи, для решения которых достаточно выполнить вполне определенную, интуитивно понятную последовательность действий. Такие последовательности оформлены в SYSWELD в виде консультантов (ADVISER), что особенно полезно для неискушенных пользователей. Подобный консультант позволяет быстро сформировать проект, проверить его на наличие ошибок и провести расчет.

На рис. 5 представлено меню программы SYSWELD c перечнем консультантов. H.T. Advisor (Heat Treatment Advisor) предназначен для решения задач термообработки. А следующие три соответствуют трем разным подходам к моделированию сварочных процессов в рамках SYSWELD.

Особенности и области применения консультантов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики консультантов по сварке

Наименование консультанта	Welding Adviser	Assembly Adviser	Macro Bead Adviser
Область приложения	Сборки с небольшим количеством сварных швов.	Сборки с большим количеством сварных швов.	Сборки с большим количеством сварных швов.
Цель моделирования	Получение полного спектра данных, определяющих эксплуатационные характеристики сварного шва и изделия в целом: состав и соотношение фаз в материале, механические характеристики (твердость, деформационные кривые деформации и остаточные напряжения в конструкции.	Оценка влияния последовательности наложения сварных швов и условий закрепления на результирующие деформации в конструкции.	Получение полного спектра данных, определяющих эксплуатационные характеристики сварного шва и изделия в целом: состав и соотношение фаз в материале, механические характеристики (твердость, деформационные кривые деформации и остаточные напряжения в конструкции.
Используемый метод	Метод движущегося теплового источника. Источник тепла моделируется в SYSWELD путем задания объемной плотности энергии Qr (W/mm3), которая генерируется в конечных элементах, расположенных вдоль траектории сварного шва. Для калибровки параметров источника используется специальная процедура («Adjustment of Heat source» — настройка источника тепла).	Локально-глобальный метод. Внутренние остаточные силы, возникающие вследствие теплового воздействия во время сварки, сначала рассчитываются отдельно — на локальной модели. Затем эти силы передаются в глобальную модель с последующим расчетом деформаций полномасштабной конструкции.	В отличие от метода движущегося источника, шов накладывается на конструкцию дискретно (либо сразу целиком, либо в несколько шагов). Предварительно (до основного расчета) оценивается тепловая энергия, которая аккумулируется в сварном шве. Передача тепла в околошовную зону моделируется стандартным способом (посредством теплопроводности материала).
Преимущества и недостатки метода	В наибольшей степени соответствует реальному сварочному процессу и, соответственно, позволяет получить наиболее точные результаты. Повышенные требования к вычислительным ресурсам, длительное время счета.	В разумные временные сроки можно проанализировать большое количество вариантов закрепления и последовательностей наложения швов и выбрать оптимальный вариант. Метод менее точный по сравнению с методом движущегося теплового источника.	Требования к вычислительным ресурсам и время расчета значительно ниже по сравнению с методом движущегося теплового источника при сохранении достаточной точности решения.

Калибровка данных в ПО SYSWELD

Среди калибровочных процедур наиболее важной, по-видимому, является «Настройка источника тепла» (Heat Source Fitting — HSF). Расскажем о ней вкратце.

Во время сварочных работ термическому воздействию подвергается небольшая зона, непосредственно примыкающая ко шву. Поэтому при калибровке данных (в данном случае — параметров теплового источника) можно проводить численный эксперимент на ограниченном фрагменте конструкции.

Физический эксперимент проводится на таком же натурном образце. После сравнения результатов делаются выводы и корректируются параметры источника.

Инструмент HSF позволяет определить геометрию шва и настроить параметры источника тепла.

Пользователю предлагается 3 параметризованных вида сварных соединений: T-образное, внахлест и стыковое. Кроме того, можно создать и поместить в пользовательскую базу собственное уникальное соединение.

Также имеются три предписанных типа теплового источника: 2D-Гауссовый, Двойной эллипсоид и 3D-конический Гауссовый. Для подавляющего большинства видов сварки этого набора оказывается достаточно, но при необходимости базу можно расширить, включив дополнительный собственный источник.

Тепловой расчет и постобработка проводятся в автоматическом режиме, что упрощает сравнение численного эксперимента с результатами металлографического анализа натурного образца.

Существуют несколько способов изучения структуры металлов и сплавов. В частности, это можно сделать путем исследования макрошлифа при небольшом увеличении (в 10−20 раз) или с помощью металлографических микроскопов с увеличением до 2000 раз. При калибровке данных в SYSWELD применяется первый способ. Исследование макроструктуры позволяет определить ряд важных особенностей строения металла:

твердость образца;
конфигурацию и размеры сварочной ванны, а также зону термического влияния (если исследуется сварной шов и его окрестности) (рис. 6).

Эти же данные можно получить, проводя численное моделирование процесса формирования сварочного шва. Варьируя параметры процесса, например, тип теплового источника и его параметры, необходимо добиться совпадения натурного эксперимента с численным (рис. 7).

На рис. 8−9 приведены примеры моделирования сварочных процессов с помощью ПО ESI Group.

Таким образом, программное обеспечение для моделирования сварочных процессов компании ESI Group ориентировано на решение реальных задач, стоящих перед технологом сварочного производства. Широкий выбор предлагаемых программных продуктов позволяет оптимизировать вычислительный процесс в зависимости от конкретной задачи. Замена натурных экспериментов численными существенно снижает материальные и финансовые затраты, а также время на разработку новых сварочных технологий.

Перспективы развития программного обеспечения для моделирования процессов сварки

В настоящее время осуществляется интенсивная разработка программы Visual Weld (в буквальном переводе — «наглядная сварка») — нового программного продукта для моделирования сварочных процессов. В ближайшем будущем Visual Weld совместно с Visual Heat Treatment («наглядная термообработка») придет на смену ПО SYSWELD. Если для SYSWELD конечно-элементная сетка формируется с помощью внешней программы и импортируется в окончательном виде, то в Visual Weld геометрия, конечно-элементная сетка и проект для моделирования сварочных процессов определяются в одной и той же среде.

Visual Weld входит в состав инсталляции Visual Environment («наглядная среда разработки») версии 6 и выше.

SYSWELD

Решение для моделирования процессов сварки и термообработки, которое позволяет проводить оптимизацию и исследование параметров локальных соединений и узлов в сборке всей конструкции.

Решение применяется для:

Оценки возможности образования трещин в сварном соединении;
Определения микроструктуры шва и околошовной зоны (определение металлургических фаз);
Последовательного моделирования всей технологии сборки – сварки конструкции;
Расчета твердости любого соединения или области конструкции.

Моделируемые технологии сварки в программном комплексе Sysweld:

Ручная дуговая сварка покрытым электродом;
Полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде активных газов;
Полуавтоматическая сварка неплавящимся электродом в среде инертных газов;
Электронно-лучевая сварка;
Лазерная сварка;
Автоматическая сварка под флюсом;
Контактная точечная и шовная сварка (КТС);
Сварка трением с перемешиванием.

Моделируемые технологии термической обработки в Sysweld:

Сквозная закалка;
Химико-термическая обработка: цементация, азотирование, цианирование;
Изотермическая термообработка: отжиг, отпуск, старение;
Поверхностная закалка.

Sysweld напрямую работает с термокинетическими диаграммами (CCT), которые описывают кинетику процессов фазовых переходов в свариваемых и термообрабатываемых материалах. Прогнозируемая структура материала позволяет оценить комплекс механических характеристик металла, прошедшего сложный термический цикл обработки;
Обширная база данных материалов: сплавов на основе железа, никеля и алюминия;
Существует библиотека сварочных источников тепла, позволяющих достаточно точно воспроизвести тепловую картину сварки в пространстве и времени;
Возможность прикладного программирования собственных источников тепла;
Возможность создания собственного материала, если его нет в стандартной базе.

Сварка в авиационной промышленности

В авиационной промышленности сварка применяется при изготовлении фюзеляжей самолетов, корпусов ракет, двигателей, прецизионных приборов, а также технологической оснастки различного назначения. Проектирование и производство изделий должно выполняться с учетом жестких условий при эксплуатации, а именно инженеры должны учитывать высокую скорость полета, многократные пиковые нагрузки, форсированные режимы эксплуатации, перепады температур, аэрокосмический нагрев и многое другое.

Сварка в автомобилестроении

На производстве легковых и грузовых автомобилей всегда актуальны задачи, связанные с моделированием технологических процессов сварки и термообработки. Инженеры-конструкторы уделяют особое внимание вопросам по снижению короблений деталей при сварке и сборке узлов рамы кузова, увеличению прочности и долговечности швов. Что касается термообработки, то здесь инженеры сталкиваются с проблемами сквозной закалки шестерен, вкладышей и прочих деталей, которые работают в режиме циклической нагрузки.

Сварка в транспортном машиностроении

Вагоностроение, как и большинство других отраслей в России, непрерывно развивается за счет постоянных инноваций. С каждым годом процессы проектирования становятся более актуальными, качество работ повышается за счет использования профессиональных программных продуктов. Инженеры-конструкторы уделяют особое внимание задачам по повышению надежности вагонного парка, увеличению грузоподъемности вагона, вместимости кузова, а также нагрузке от колесных пар на рельсы.

Сварка в атомной энергетике

Атомная промышленность всегда ставит перед инженерами сложные задачи, связанные с изготовлением, эксплуатацией и ремонтом свариваемого оборудования ядерных установок. Как правило, это сложно выполнимые сварные соединения сталей, принадлежащие к разным классам и имеющие разные категории свариваемости. Соединения работают в широких температурных диапазонах и сложных условиях нагружения. К таким узлам и деталям относятся элементы котлов и парогенераторов - форсунки, резервуары, цистерны.

Сварка в теплоэнергетике

На сегодняшний день в теплоэнергетической сфере актуальны задачи, связанные с изготовлением и ремонтом толстостенных резервуаров, магистральных газопроводов с применением технологии врезки под давлением. Кроме того, сложными являются задачи сборки-сварки больших корпусов энергоустановок. Среди таких изделий - корпуса гидротурбин, парогенераторов и их деталей, а также частичный ремонт изделий.

ProCAST

ProCAST – программное обеспечение для компьютерного моделирования литейных процессов, которое применяется для:

Повышения качества отливок;
Устранения литейных дефектов в деталях (пористости, раковин, трещин, недоливов);
Сокращения времени освоения новых изделий;
Снижения затрат на подготовку, освоение и оптимизацию производства.

При помощи ProCAST технолог может проверить несколько вариантов технологии (различная конструкция литниковой системы, место подвода металла, количество, расположение и размеры прибылей и пр.) еще на начальной стадии проектирования и выбрать наиболее оптимальный вариант производства конкретного изделия до изготовления модельного комплекта.

Система базируется на методе конечных элементов, что обеспечивает высокую точность описания геометрии отливки и формы расчетной модели, учет большинства физических процессов, протекающих в форме, в процессе заливки и кристаллизации отливки.

Литье в песчаные формы;
Литье под давлением;
Тиксолитье;
Литье под низким давлением;
Литье по газифицируемым моделям;
Литье в кокиль;
Литье по выплавляемым моделям;
Литье с направленной кристаллизацией;
Монокристаллическое литье;
Центробежное литье;
Непрерывное литье.

Расширенный функционал ПО ProCAST позволяет решать практически все задачи, связанные с производством отливки, и выявлять все возможные дефекты;
Высокая точность получаемых результатов за счет использования метода конечных элементов на сложных отливках и специальных видах литья, в том числе для расчета напряжено- деформированного состояния, выявления мест образования горячих/ холодных трещин, коробления отливки;
Решение специализированных задач, не представленных в других системах: литье по газифицируемым моделям, заполнение стержневых ящиков при пескострельном процессе, расчет структуры зерна отливки (литье с направленной кристаллизацией или монокристаллическое литье) и др;
Возможность термодинамического расчета свойств сплава по его химическому составу, что упрощает пополнение базы данных российскими марками сплавов (по ГОСТ, ТУ) и специальными сплавами, а также повышает точность рассчитываемых дефектов;
Современный удобный пользовательских интерфейс Visual-CAST, упрощающий построение сетки и настройку задачи. Поддержка русского языка в программе.

Литье в металлургии

Производство литых изделий во все времена было трудоёмкой задачей, требующей от инженера-технолога учета большого количества производственных, технологических, металлургических факторов для получения бездефектной продукции. Для минимизации производственных расходов на изготовление пробных партий и сокращения времени проектирования технологии во всем мире успешно применяются программный комплекс ProCAST.

Литье в автомобилестроении

Отливки для автомобильной промышленности должны отвечать высоким требованиям прочности и износостойкости, чтобы выдержать номинальную нагрузку. Это в первую очередь касается деталей несущих конструкций, а также рабочих элементов двигателя. В связи с этим главными целями моделирования в ProCAST таких изделий является: полное отсутствие или минимальное количество усадочных дефектов в теле отливки, оценка напряженно-деформированного состояния и контроль размеров изделия после коробления и усадки.

Литье в авиационной промышленности

К изделиям авиационной промышленности предъявляются особо жесткие требования: важными характеристиками являются вес, стоимость и, конечно, надежность будущей детали. Для получения наиболее экономичных и легких элементов корпуса используются различные литейные сплавы, которые обладают специфическими физическими и механическими свойствами, а также определенным уровнем обрабатываемости, свариваемости, устойчивости к коррозии и другими важными характеристиками.

Литье в железнодорожной промышленности

Отливки для железнодорожной промышленности должны отвечать тем же требованиям, что и изделия автопрома. Однако здесь изделия характеризуются гораздо большими габаритами и сложными переходами от толстых сечений к тонким. Это в большинстве случаев усложняет расчет, увеличивает нагрузку на вычислительные ресурсы рабочей станции и требует применения специальной версии ProCAST DMP для распараллеливания расчетов на нескольких процессорах. Параллельная версия ProCAST позволяет уменьшить время расчета в 3-4 раза, используя 4-8 процессоров для каждой задачи.

Литье в тяжелом машиностоении

Крупные отливки требуют особенного контроля так как затраты на их изготовление несопоставимо выше. Поэтому применение ProCAST даже для стандартных задач моделирования заполнения и кристаллизации наиболее эффективно и позволяет исключить брак в первой партии отливок.

Литье в энергетике

Развитие энергетического комплекса является одной из важнейших задач страны. Поэтому важно, чтобы технологии и оборудование, поставляемое для энергетической отрасли, соответствовали высокому уровню качества и надежности.

Программы для моделирования сварочных процессов

Справка. Французская компания ESI Group — мировой лидер в области разработки программного обеспечения для виртуального моделирования различного рода технологических процессов и явлений. Замена физического прототипа его виртуальным аналогом приводит к радикальному снижению материальных затрат и времени на создание и отработку новых изделий и технологий.

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИМИТАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В настоящее время сварные конструкции нашли широкое применение в судостроении и в других отраслях промышленности и строительства. Поэтому рациональное расходование металла и максимальное повышение производительности труда при их изготовлении приобретают исключительно большое народно-хозяйственное значение. Современное состояние сварочной техники открывает неограниченные возможности повышения качества сварных конструкций и снижения затрат труда, времени и средств при их производстве. Однако для рационального использования этих возможностей при проектировании технологических процессов изготовления сварных конструкций необходимы не только качественные, но и количественные зависимости, устанавливающие степень влияния ряда конструктивных и технологических факторов на основные показатели качества сварных конструкций: работоспособность, точность и технологичность [1].

Анализ известных из литературы отечественных и зарубежных программных продуктов показывает, что к настоящему времени на рынке программного обеспечения в области сварки сложились вполне определенные тенденции.

Большой сегмент рынка занимают коммерческие программные продукты, ориентированные на массового потребителя (инженера, специалиста по сварке) и позволяющие решать частные прикладные задачи – расчет параметров сварочного термического цикла (СТЦ), определение расхода сварочных материалов, прогноз ожидаемых механических свойств металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ), прогноз размеров сварного шва и т.п. Как правило, такие продукты имеют простой интерфейс, не требуют больших аппаратных ресурсов, т.к. основаны на простых аналитических зависимостях и эмпирических моделях, и имеют невысокую стоимость.

Ко второй группе можно отнести программные продукты, ориентированные на высококвалифицированных пользователей (научные сотрудники) и позволяющие выполнять численное моделирование процессов тепло- и массопереноса, протекание металлургических реакций, анализ электрических полей, деформацию конструкции и развитие в ней напряжений под воздействием нагрузок и т.п. Как правило, анализ производится на базе фундаментальных физических законов путем решения системы дифференциальных уравнений с использованием конечно-элементной модели объекта.

По другой классификации условно, создаваемые компьютерные программы можно разделить на две группы:

- универсальные (ANSYS, MARC, SPOTSIM), такие системы используются исследователями для моделирования сварочных процессов, однако именно в силу своей универсальности требуют дополнительных усилий и квалификации пользователя для учета специфики сварочных задач

- специализированные системы моделирования (SYSWELD, СВАРКА), данные системы позволяют проводить комплексный анализ процессов, протекающих в изделии при сварке. Трудоемкость создания таких систем исчисляется сотнями человеко-лет, что определяет их весьма высокую стоимость.

Рассмотрим более подробно программные продукты, относящиеся к разным группам согласно второй классификации.

Система комплексного нелинейного анализа конструкций MARC Система обеспечивает комплексный нелинейный анализ конструкций, решение сложных задач термопрочности, моделирование технологических процессов. Она эффективно применяется для анализа высоко нелинейного поведения. Система MARC позволяет решать задачи в условиях больших линейных и угловых перемещений конструкции; когда материалы имеют нелинейные свойства, присутствует сложное контактное взаимодействие частей конструкции. В системе MARC возможно применять пользовательские подпрограммы, предусматривается возможность параллельной обработки данных [2].

Компьютерная программаANSYS – универсальная программная система конечно-элементного анализа, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматических инженерных расчётов и решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций, задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей. Система работает на основе геометрического ядра [3].

Компьютерная программаSPOTSIM – состоит из компьютерной модели контактной точечной сварки, модуля оптимизации процесса и банков данных о теплофизических и механических свойствах сталей, технических характеристиках сварочных машин, а также о форме электродов.

Модель процесса выполняет численное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений электрического потенциала и теплопроводности, а также уравнений, описывающих пластическое течение металла и изменение сварочного тока в процессе сварки. Рассчитываются распределения электрического потенциала и плотности тока, температур, пластические деформации и площади контактов для каждого момента времени. В качестве исходных данных выступают теплофизические характеристики сталей. Также учитываются электрические характеристики сварочной машины, в том числе фазовый угол включения тиристоров.

SPOTSIM позволяет решать практические задачи проектирования и оптимизации технологии точечной сварки, в частности: нахождение области допустимых параметров сварки, оценка стабильности сварки, выбор оптимальных параметров процесса и т.д.

Рассмотрев наиболее широко используемые универсальные компьютерные программы и приложения используемые для процесса моделирования процессов сварки, рассмотрим специализированные [4].

Компьютерная программа SYSWELD – позволяет проводить моделирование вручную, по предложенному программой шаблону или автоматически. Результаты могут быть представлены в виде графиков, диаграмм, числовых значений. Программа позволяет:

оценить остаточную деформацию;

минимизировать остаточные напряжения;

учесть влияние геометрии, материала;

оптимизировать процесс сварки;

оценить металлургические превращения;

анализировать влияние активного источника тепла (при лазерной сварке).

SYSWELD рассчитывает такие показатели как скорость сварки, погонную энергию, а также параметры активного источника тепла и присадочного материала: марка, диаметр, скорость подачи [1].

Программа «СВАРКА МНОГОПРОХОДНОГО КОЛЬЦЕВОГО ШВА» – позволяет прогнозировать остаточные напряжения и деформации в зоне стыкового сварного шва толстостенной трубы или оболочки при многопроходной сварке (несимметричный случай) с учетом фазовых превращений, различных параметров разделки кромок, режимов сварки и условий закрепления [5].

Созданная специализированная программа ориентирована на инженерное применение и не требует от пользователя специальной подготовки в области расчетных методов.

Вывод.

Использование современных компьютерных технологий для комплексной автоматизации всех аспектов сварки, включая моделирование протекающих в металле процессов, позволит быстро находить оптимальные технологические решения при значительном снижении ресурсоемкости, также значительно расширять возможности вычислительного эксперимента что, в частности, даст возможность из множества вариантов технологии наиболее подходящую или прогнозировать результат сварки разнородных металлов.

Список литературы.

1. Георгий БиленкоМоделирование процессов сварки при помощи продуктов ESI Group (SYSWELD, PAM-ASSEMBLY) // САПР и графика. – 2010. – №7. – С. 1-3.

3. Басов В.А. ANSYS Справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 640с., ил.

Читайте также: