Математические исследования в сварке

Математическое моделирование сварочных процессов для создания систем прогнозирования качества соединений и оптимального управления

Последние годы характеризуются интенсивным развитием сварочной науки и техники. Созданы новые способы сварки различных материалов, разработано более совершенное оборудование, глубже изучены физикохимические явления при сварке. Вместе с тем усиленное развитие машиностроения, создание новых конструкционных материалов предъявляют к сварочному производству все более жесткие требования в части повышения надежности и долговечности сварных конструкций. Эти требования могут быть удовлетворены лишь при условии оптимального управления сварочными процессами, при котором предполагается возможность осуществлять количественные прогнозы.

Чтобы управлять сварочным процессом с помощью современных средств автоматики, необходимо формализовать задачу, т. е. описать ее достаточно точными математическими зависимостями. При этом объект управления заменяется математической моделью, описывающей те особенности процесса, которые существенны для управления им, и ограничения, обусловленные технологическими, экономическими и другими причинами. Процесс сварки может быть представлен не одной, а несколькими математическими моделями, отражающими его разнообразные стороны.

Можно было бы предположить, что чем ближе модель к действительности, тем точнее прогнозы и тем эффективнее, следовательно, управление. Однако это не так. Сварочные процессы настолько сложны, что, попытавшись построить математическую модель, весьма близкую к реальному процессу со всеми его деталями и особенностями, можно прийти к очень сложным уравнениям, вычисления по которым крайне затруднены и приводят к существенным ошибкам.

Исходя из этих соображений необходимо стремиться к построению сравнительно простой математической модели процесса сварки, отражающей его самые существенные стороны.

Наиболее простыми математическими моделями объекта управления являются его детерминированные статические модели, т. е. такие, в которых не учитываются случайные изменения параметров, переходные процессы, а также медленные изменения характеристик объекта во времени (износ оборудования и т. д.). Значительно сложнее детерминированные динамические модели объекта, отражающие особенности поведения его во времени. Еще более сложны стохастические (вероятностные) модели, в которых часть или все характеристики процесса описываются случайными функциями времени.

В настоящее время для большинства способов сварки известны основные качественные зависимости протекания процесса. К сожалению, полных математических моделей его не существует.

Формализация цели управления процессом сварки заключается в установлении математической зависимости между показателем качества управления и параметрами математической модели процесса. Задача оптимального управления сводится к определению экстремума критерия качества управления. Один из таких критериев — минимум среднего квадрата отклонения предсказанного значения от фактического (минимум среднеквадратической ошибки предсказания).

Следует отметить, что строгое решение задачи оптимального управления представляет собой одну из труднейших проблем из-за высокого порядка уравнений, описывающих задачи управления, отсутствия универсальных математических методов решения и ограниченных возможностей вычислительных машин. Наиболее часто задача управления сводится к поддержанию заданных значений параметров, соответствующих оптимальному решению, т. е. к стабилизации, программному или следящему регулированию.

При построении математической модели процесса сварки необходимо решить, во-первых, можно ли вообще управлять им, учитывая только выбранные входные переменные. При этом мерой тесноты связи выбранных параметров с критерием качества может служить для безынерционных линейных объектов множественный коэффициент корреляции, для нелинейных объектов — корреляционное отношение. Во-вторых, возникает вопрос о степени достоверности полученных из эксперимента статистических оценок характеристик процесса. Методы математической статистики позволяют дать ответ на этот вопрос.

Таким образом, для оптимального управления процессом сварки необходимо экспериментально изучить зависимость критерия качества от параметров режима сварки. Затем, пользуясь регрессионным анализом, обработать на ЭВМ полученные в ходе эксперимента данные и установить удельный вес каждого параметра, а также исключить из дальнейшего анализа параметры ниже порогового. С целью уменьшения объема входной информации, необходимой для разработки математического описания, найти область оптимальных параметров методом последовательного симплекс-планирования. Далее, применяя метод активного эксперимента, исследовать процесс в этой области и построить математическую модель, которая может быть использована при создании систем прогнозирования качества процесса и оптимального управления им.

Рассмотрим для примера методику построения математической модели процесса контактной точечной сварки. Наличие информации о диаметре ядра сварной точки в реальном масштабе времени может явиться оценкой критерия качества соединения без его разрушения. В этой связи теоретический и практический интерес представляет создание математической модели, описывающей статистическую зависимость размеров ядра точки от параметров режима сварки: dя = f(Iсв, Uэ, Rэ, Fсж, Р, Q), где dя — диаметр ядра точки; lсв, Uэ, Rэ, Fсж, Р, Q — параметры режима: сварочный ток, падение напряжения на электродах, сопротивление в цепи электрод-электрод, усилие сжатия, мощность, энергия соответственно.

Исследования проводили при сварке образцов из сплава АМг6 на низкочастотной контактной точечной машине. Вначале изучали возможность количественной оценки параметров, отрабатывали методику их измерений, а также проверяли пригодность методов математической статистики. С учетом того, что искомая модель необходима для активного контроля процесса, в нее включены основные управляемые (Iсв, Fсж) и контролируемые (Uэ, Rэ, Р, Q) параметры, количественная оценка которых в ходе сварки не вызывает особых затруднений. Была отработана методика регистрации значений Iсв, Fсж, Uэ и вычисления Р, Q, Rэ, оценена требуемая точность измерений, а также проведены опыты для определения управляемости, воспроизводимости и нормальности основных параметров режима сварки и выбранного критерия качества dя. Результаты обработки экспериментальных данных показали хорошую воспроизводимость процесса и наличие одномерного нормального распределения для ряда исследуемых параметров. Это служит основанием для использования методов статистического моделирования и позволяет надежно интерпретировать полученные результаты. Далее, с целью уменьшения входного описания методом последовательного симплекс-планирования определялась область оптимальных режимов при варьировании сварочного тока и усилия сжатия электродов, а также оценивались ее границы. При этом максимальное значение тока ограничивалось выплеском металла из-под электродов, а минимальное — наименьшим допустимым диаметром ядра сварной точки (dя

Читать еще: Стяжка пола в бане по грунту своими руками

Моделирование процессов сварки Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Семичева Л.Г., Сахаров С.С., Смирнов С.Ю., Михеев А.А.

Рассмотрены этапы и области применения математического моделирования для построения моделей сварочных систем.

Текст научной работы на тему «Моделирование процессов сварки»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

При сварке разнородных металлов для предотвращения возникновения в зоне контакта хрупкого слоя интерметаллидов, прибегают к сокращению продолжительности процесса за счет приложения ударного сварочного давления.

В случае проведения сварки в вакууме при воздействии ударного давления образуется вакуумноп-лотное соединение с необходимыми механическими свойствами. Прочность сварного соединения сравнима с прочностью основного, менее прочного металла.

Перспективное направление развития диффузионной сварки связано с осуществлением контролируемого принудительного деформирования свариваемых деталей.

Диффузионную сварку с принудительным деформированием проводят при механических напряжениях, превышающих предел текучести материалов. Скорость деформирования деталей определяется приложенной нагрузкой и условиями, в которых она действует: температурой и временем выдержки.

Преимуществом ДСПД является то, что контроль основных параметров осуществляется непосредственно во время сварки по диаграмме «деформирующая нагрузка – деформация» или «деформирующая нагрузка – время выдержки».

Наиболее эффективные технологические методы интенсификации массообмена при соединении металл – не металл наложение электрических и магнитных полей, а также облучение свариваемых поверхностей ионизирующим излучением.

Воздействие ионизирующего излучения возможно реализовать по следующим схемам:

Предварительное облучение с последующим воздействием температуры и давления.

Нагрев деталей ионизирующим излучением в процессе сварки.

Облучение поверхности свариваемых деталей нейтронами.

Интенсификация процесса диффузионной сварки позволяет улучшить качество получаемых соединений, увеличить прочность, вакуумную плотность и других характеристики соединения.

Интенсификация процесса сокращает время затрачиваемое на сварку, повышает производительность на участке диффузионной сварки, позволяет сократить энерго затраты, тем самым повышая экономическую эффективность производства.

Сочетание методов интенсификации позволяет значительно повысить эффективность диффузионной сварки на производстве.

1. Люшинский А. В. Диффузионная сварка разнородных материалов. М. : Академия, 2006.

2. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов. М. : Машиностроение, 1976.

3. Бачин В. А. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 1991.

4. Хлопков Ю. В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. М. : Машиностроение, 1988.

Л. Г. Семичева, С. С. Сахаров, С. Ю. Смирнов Научный руководитель – А. А. Михеев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

Для моделирования сварочных процессов широко применяют компьютерное моделирование.

Математическая модель – это эквивалент объекта, отражающий в математической форме важнейшие его свойства – законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям.

Математическая модель разрабатывается по пути модель-алгоритм-программа. Создав математическую модель, исследователь получает в руки универсальный и гибкий инструмент, который вначале отлаживается, тестируется в пробных вычислительных экспериментах. После того, как адекватность математической модели исходному объекту установлена, с ней проводятся разнообразные и подробные опыты, дающие все требуемые качественные и количественные свойства и характеристики объекта.

Математическое моделирование незаменимо в тех случаях, когда натурный эксперимент невозможен или проведение большего количества экспериментов экономически не целесообразно. Однако такой эксперимент с успехом можно провести на компьютере, построив математическую модель изучаемого процесса.

Основные этапы математического моделирования:

1. Построение модели. На первом этапе задается объект для исследования. Четкое описание ситуации затруднено. Выявляются основные особенности объекта и связи между ними на качественном уровне. Найденные качественные зависимости формулируются на языке математики в математическую модель.

2. Решение математической задачи, к которой приводит модель. На этом этапе проводится разработка алгоритмов и численных методов решения

Секция «Сварка летательных аппаратов»

задачи, при помощи которых результат может быть найден с необходимой для эксперимента точностью.

3. Интерпретация полученных следствий из математической модели. Следствия, выведенные из модели на языке математики, интерпретируются на языке, принятом в данной области.

4. Проверка адекватности модели. На этом этапе выясняется, согласуются ли результаты эксперимента с теоретическими следствиями из модели в пределах определенной точности.

5. Модификация модели. На этом этапе проводят упрощение модели для достижения практически приемлемого решения, либо усложнение модели для более адекватной действительности.

Математическое моделирование процессов сварки охватывает следующие области:

1. Прямое и обратное математическое моделирование и оптимизацию сварочных процессов. Проводится разработка алгоритмов, математических моделей процесса сварки и компьютерных программ. Решение данной задачи позволяет определить оптимальные режимы сварки.

2. Теорию сварочных деформаций и напряжений. Проводится разработка механических моделей и алгоритмов, решение задач теории термопластичности методом конечных элементов, методом уменьшения временных и остаточных деформаций и напряжений. Любая сварочная операция, связанная с нагревом, неизбежно приводит к изменению формы конструкции и возникновению в ней временных и остаточных деформаций. Решение данных задач позволяет определить, какие напряжения и деформации возникнут в конструкции при данной технологии сварки в зависимости параметров сварки.

Читать еще: Шумоизоляция потолка своими руками какие материалы требуются

3. Тепловые процессы при сварке. Позволяет провести решение задач теплопроводности аналитическими и численными методами. Позволяет определить, как распределяется тепло при сварке в изделии, так как от этого зависит форма сварного шва, размеры зоны термического влияния, временные и остаточное деформации и напряжения, время пребывания металла в критическом диапазоне температур, когда происходят структурные превращения.

4. Диффузионные процессы при сварке. Проводится разработка физико-математических моделей, анализ химической микро- и макронеоднородности сварных соединений. Математическое моделирование диффузионных процессов позволяет определить перераспределение химических элементов при сварке в околошовной зоне и металле шва, вызывающее изменение механических характеристик сварного шва.

5. Металлургия сварки. Проводится моделирование плавления и затвердевания металла шва, фазовые превращения в твердом состоянии, прогнозирование свойств различных зон сварного соединения. Позволяет определить характер кристаллизации сварочной ванны, рост и строение кристаллов, механические свойства различных зон сварного соединения. Позволяет подобрать наиболее рациональный режим сварки, ее последовательность, оптимальную температуру подогрева и сварочные материалы.

Математическое моделирование позволяет получить режимы сварки, которые будут гарантированно отвечать всем требованиям по механическим свойствам и структуре металла во всех зонах сварного соединения, сокращает время, затраченное инженером на расчеты, позволяет более точно определять режимы сварки, помогает избежать ошибок при проектировании, позволяет автоматизировать процесс расчетов, снижая труд инженера сварщика. Математическое моделирование незаменимо в тех случаях, когда проведение большого числа экспериментов экономически не целесообразно, либо не возможно. Математическое моделирование позволяет свести к минимуму затрачиваемые на производстве ресурсы, при сохранении качества выпускаемой продукции и тем самым помогает создать более экономичную технологию.

В качестве примера разработана математическая модель процесса диффузионной сварки фторопла-ста-4 с алюминиевым сплавом АМг6 с наложением ультразвуковых колебаний, алгоритм и программа расчетов параметров режимов сварки, которая учитывает влияние температуры, сварочного давления, интенсивности ультразвуковых колебаний и времени озвучивания на прочность соединения. Проведенные эксперименты показали, что погрешность расчетов не превышает 10 %.

1. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. 2-е изд., испр. М. : Физматлит, 2001.

2. Математическое моделирование сварочных процессов. URL: http://www.eta-group.ru/welding/ research4.

3. Зарубин В. С. Математическое моделирование процессов в континуальных системах // ЭТИ «Наука и образование». 2008.

svarka-24.info

Компьютерные технологии в сварке и сварочном производстве

Применение компьютерных технологий в сварочном производстве на современном этапе развития технологического прогресса носит глубокий характер. Рассмотрим лишь основные направления проникновения средств вычислительной техники в современное сварочное производство и учебный процесс.

Расчет и оптимизация режимов сварки производится при помощи специализированных математических пакетов либо языков высокого уровня – Delphi, Visual C, VB.

Построение чертежей свариваемых конструкций в современном конструкторском бюро и в учебном процессе нашего института производится с применением персональных компьютеров и широкоформатных печатающих устройств. Для построения чертежей применяются специальные графические пакеты, наиболее популярными из которых являются «Компас», разработанный фирмой Аскон и «AutoCAD» фирмы Autodesk, позволяющий разрабатывать проекты, визуализировать их и составлять проектную документацию. Система КОМПАС-3D позволяет реализовать классический процесс трехмерного параметрического проектирования. Основные компоненты КОМПАС-3D— собственно система трехмерного твердотельного моделирования, чертежно-графический редактор КОМПАС-График и модуль проектирования спецификаций. Все они имеют русскоязычные интерфейс справочную систему.

Моделирование при помощи компьютера многообразно и может быть условно разделено на моделирование процессов, моделирование объектов и прочие варианты построения моделей.

Моделирование процессов включает в себя моделирование тепловых, электрических, механических, магнитных, электромеханических и других процессов. Наиболее актуальными задачами здесь являются распространение тепловых полей и деформаций, связанных с нагревом и охлаждением твердых тел при сварке плавлением, моделирование МАГ-МИГ сварки, моделирование контактной сварки. В программе моделирования контактной сварки, разработанной Тульским университетом, имитируется процесс сварки двух металлических пластин заданной толщины при помощи выбираемой из базы данных машины контактной сварки. При моделировании может задаваться ряд параметров, как процесса сварки, так и сварочного агрегата.

Моделирование объектов включает в себя моделирование систем программного управления сваркой, системы автоматизации сварочных процессов, источников питания на базе инверторных преобразователей.

При моделировании систем программного управления процессом сварки решается задача синтеза программных управлений. Путем искусственной периодизации, задающее воздействие представляется в виде суммы гармоник ряда Фурье, и задача сводится к решению системы алгебраических уравнений, относительно гармоник задающего воздействия, решая которую может быть построено множество программных управлений, ограниченное сверху и снизу значениями среднеквадратичного функционала, ранжируемого по необходимым вычислительным ресурсам, т.е. числу гармоник, учитываемых в синтезе, а в качестве условия решаемости задачи выступает условие допустимого значения управления.

При моделировании в области сварки, объектом может стать источник питания дуги, выполненный на базе инверторного преобразователя напряжения. Здесь существуют области, которые подлежат моделированию а также в которых может ставиться и решаться задача синтеза форм напряжения заданного качества.

Читать еще: Как заказать поставить забор

Под оформлением документов понимается составление грамотной пояснительной записки к работе (в учебном процессе – курсовая, дипломная) включая текстовую, табличную, графическую и чертежную, а также технологических маршрутных карт всего процесса сварки.

При тестировании знаний оправдана следующая схема реализации с помощью компьютера. Создается база данных вопросов тематических тестов и вариантов ответов к ним. Формат базы данных может быть любым, СУБД которой отвечает общепринятому стандарту SQL (Structured Query Language – структурированный язык запросов). Для создания оболочки могут применяться как широко распространенные приложения и реализованные в них языки программирования, так и пользовательские модули.

Повышение эффективности сварочного оборудования возможно посредством реализации модульного способа построения источников питания для сварочных аппаратов. Модуль – это функционально и конструктивно законченный узел источника питания сварочного аппарата, который обеспечивает выполнение заданного алгоритма сварочных процессов на требуемом уровне мощности. Алгоритм работы модуля определяет система управления сварочным аппаратом по специально заданным программам. С целью повышения качества сварочного процесса и создания универсальных сварочных аппаратов применяется программирование выходных характеристик модульного источника питания.

Статическая и динамическая выходные характеристики задаются графическим способом на ПК специальной программой или применяются готовые из базы данных. Информация о выходных характеристиках записывается в систему управления сварочным аппаратом. Система управления в соответствии с алгоритмом сварки задает требуемую в данный момент времени выходную характеристику.

Тенденции развития компьютерных средств моделирования в сварке

В настоящее время совершенно очевидно, что только использование технических возможностей современной компьютерной техники для комплексного анализа технологических вариантов сварки путем моделирования совокупности протекающих в металле процессов, позволит получать оптимальные технологические решения при значительном снижении ресурсоемкости самого процесса разработки.

Следует отметить, что в последние десятилетия развитие программных средств моделирования сварочных процессов привело к становлению новой области знаний, посвященной компьютерным технологиям в сварке. Актуальность развития данного направления подтверждается большим числом регулярных специализированных международных научных конференций, посвященных этой проблеме: «Математические методы в сварке» (Киев, ИЭС им.Е.О.Патона), «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, ТулГУ), «Numerical Analysis of Weldability» (Graz, TUG), «Computer Technology in Welding» (TWI) и др.

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 (до 1000 USD) 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 конечноэлементной модели объекта. Типичными представителями таких продуктов можно назвать MAGSIM (анализ формирования стыкового и углового шва при сварке плавящимся электродом в среде активных газов), SPOTSIM (анализ формирования шва при контактной точечной сварке), WIGSIM (анализ формирования стыкового шва при сварке неплавящимся электродом в среде аргона), BUTSIM (анализ формирования шва при стыковой контактной сварке сопротивлением), LASIM (лазерная сварка), ELSIM (электронно-лучевая сварка) и многие другие. Стоимость программных продуктов этой группы в зависимости от комплектации (заложенных возможностей) находится в пределах 1…10 тыс. USD.

Особо следует отметить входящее в указанную ценовую категорию универсальное программное обеспечение, основанное на МКЭ (ANSYS, MARC и некоторые другие). Такие универсальные системы часто используются исследователями для моделирования сварочных процессов, однако именно в силу своей универсальности требуют дополнительных усилий и квалификации пользователя для учета специфики сварочных задач (одновременное протекание нескольких взаимосвязанных процессов). Работа с таким программным продуктом требует тщательной подготовки большого количества исходных данных, умения правильно выбрать схему дискретизации объекта и организовать процедуру анализа; в некоторых случаях требуется разработка собственных программных модулей и их включение в систему для реализации особых схем анализа (например, организация совместного решения связных задач).

Наконец, к третьей группе следует отнести уникальные специализированные системы моделирования, позволяющие проводить комплексный анализ процессов, протекающих в изделии при сварке. Трудоемкость создания таких систем исчисляется сотнями человеко-лет, что определяет их весьма высокую стоимость (десятки тыс. USD) и, соответственно, значительно менее широкое (корпоративное) распространение. Такие системы как SYSWELD, Weld3D, СВАРКА позволяют решать уникальные по сложности прикладные задачи. Разработку, поддержку, сопровождение и развитие таких продуктов производят большие научные коллективы.

Источники:

http://fccland.ru/svarka/4507-matematicheskoe-modelirovanie-svarochnyh-processov-dlya-sozdaniya-sistem-prognozirovaniya-kachestva-soedineniy-i-optimalnogo-upravleniya.html
http://cyberleninka.ru/article/n/15856690
http://svarka-24.info/kompyuternye-texnologii-v-svarke-i-svarochnom-proizvodstve/

голоса

Рейтинг статьи