Symulacja MES obróbki cieplnej wyrobów stalowych z uwzględnieniem zjawisk termometalurgicznych

• Autorzy: Jemioło S. , Gajewski M.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W części l pracy zaprezentowano m.in. fenomenologiczną teorię nieustalonego przepływu ciepła z uwzględnieniem przejść fazowych w stali. Podano sposób przygotowania i weryfikacji niezbędnych danych termiczno-metalurgicznych na przykładzie stali 16MnCr5. Dane te wykorzystano w tej części rozprawy. Zastosowano metodę elementów skończonych i program SYSWELD. Punktem wyjścia do obliczeń jest sformułowanie wariacyjne nieustalonego przepływu ciepła z zastosowaniem m.in. metody Galerkina, zmodyfikowanego algorytmu Newtona i metody różnic skończonych albo uogólnionej reguły trapezów. Zamieszczono rozwiązania zadań testowych oraz zadania chłodzenia koła zębatego w wodzie. Przedstawiono przykłady związane z modelowaniem numerycznym procesu spawania, gdzie zastosowano tzw. model Goldaka poruszającego się źródła ciepła. W zakończeniu podano uwagi i wnioski, które odnoszą się do dwóch części pracy.

EN

In the first part of this work phenomenological theory of unsteady heat flow including phase change phenomena was presented in case of steel. The way of preparing termo-metallurgical set of data and verification of data was shown for 16MnCr5 steel. The verified material data of steel is an input data for finite element simulation with SYSWELD system. As it is shown in Section 2 of this paper the basic for theoretical and numerical analysis is variational formulation of unsteady heat flow problem using standard Galerkin method. To obtain solution of the formulated nonlinear problem Newton-Raphson modified algorithm and finite difference method, implemented in SYSWELD, are used. Some test problems are analysed and the issues of cogwheel cooled in water are discussed in Section 3. Examples of numerical modelling of welding process with Goldak model of moving heat source are presented in the next Section. The last Section is devoted to remarks and conclusions concerning two parts of present work.

Słowa kluczowe

PL

obróbka cieplna; metody numeryczne; metoda elementów skończonych; wyroby stalowe

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Budownictwo
• Rocznik: 2005
• Tom: z. 143
• Strony: 41--63
• Opis fizyczny: Bibliogr. 47 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Jemioło S.

• Instytut Mechaniki i Konstrukcji Inżynierskich, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Warszawska

autor

Gajewski M.

• Instytut Mechaniki i Konstrukcji Inżynierskich, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] ABAQUS Theory manual, Version 6.1., Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc., Pawtucket, 2000.
• [2] ABAQUS/Standard User's manual, Version 6.1., Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc., Pawtucket, ·2000.
• [3] Ahan D.G., Lee S.H., Yang D.Y.: Investigation into thermal characteristics of linear hotwire cutting system for variable lamination manufacturing (VLM) process by using expandable polystyrene foam. Int. J. of Machine Tools and Manufacture, 42, 2002, pp. 427-439.
• [4] Ahan D.G., Lee S.H., Yang D.Y.: A study on the influence of the sloped cutting angle on kerfwidth and part quality in the hotwire cutting of foam for the VLM-s rapid prototyping process. Int. J. of Machine Tools and Manufacture, 43, 2003, pp. 1447-1464.
• [5] Al-Khalidy N.: An upwind numerical solution of nonlinear advection-diffusion problems with a moving heat source. Heal and Mass Transfer, 34, 1998, pp. 287-293.
• [6] Andersson B.A.B.: Thermal stresses in submerged-arc welded joint considering phase transformations. Transactions of the ASME. Journal of Engineering Materials and Technology, 100, 1978, pp. 356-362.
• [7] Bokota A., Iskierka S.: An analysis of the diffusion-convection problem by the boundary element method. Engineering Analysis with Boundary Elements, 15, 1995, pp. 267-275.
• [8] Brockmann R., Dickmann, Geshev P., Matthes K.-J.: Calculation of laser-induced temperature field on moving thin metal foils in consideration of Stefan problem. Optics and Laser Technology, 35, 2003, pp. 115-122.
• [9] Cames-Pintaux A. M., Nguyen-Lamba M.: Finite element enthalpy method for discrete phasechange. Numerical Heat Transfer, 9, 1986, pp. 403-417.
• [10] Christensen N., de L. Davies V., Gjermundsen K.: Distribution of temperatures in arc welding. British Welding Journal, vol. 12, 1965, pp. 54-75.
• [11] Doumanidis Ch., Kwak Y.-M.: Multivariable adaptive control of the bead profile geometry in gas metal arc welding with thermal scanning. Int. J. Pressure Vessels and Piping, 79, 2002, pp. 251-262.
• [12] Fan H.G., Tsai H.L., Na S.J.: Heat transfer and fluid flow in partialy or fully penetrated weld pool in gas tungsten arc welding. International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, 2001, pp. 417-428.
• [13] Gajewski M., Jemioło S.: Nieustalony przepływ ciepła przez niejednorodne przegrody budowlane. VI Konferencja: Komputerowe systemy wspomagania nauki, przemysłu i transportu, TRANSCOMP, Zakopane 2002.
• [14] Gajewski M., Jemioło S.: Ustalony przepływ ciepła przez niejednorodne przegrody budowlane przy różnych typach warunków brzegowych. XI polsko-rosyjskie seminarium, Teoretyczne podstawy budownictwa, B. Rymsza [red.], Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2002.
• [15] Gajewski M., Jemioło S., Szwed A.: Symulacja MES spawania stali z uwzględnieniem zjawisk termometalurgicznych. XII polsko-rosyjskie seminarium, Teoretyczne podstawy budownictwa, B. Rymsza [red.], Oficyna Wydawnicza PW. Warszawa 2003, str. 53-60.
• [16] Goldak J., Chakravarti A., Bibby M.: A new finite element model for welding heat sources. Metallurgical Trans B, vol. 15, 1984, pp 299-305
• [17] Grigon Ch., Petipas E., Perinet R., Condoure J .: Modélisation thermométallurgique appliquée au soudage laser des aciers. Int. J. Therm. Sci., 40, 2001, pp. 669-680.
• [18] Hunziker O., Dye D., Reed R.C.: On the formation of centreline grain boundary during fusion welding. Acta mater., 48, 2000, pp. 4191-4201.
• [19] Hou Z.B., Komanduri R.: General solutions for stationary/moving plane heat source problems in manufacturing and tribology. Int. J. Heat and Mass Transfer, 43, 2000, pp. 1679-1698.
• [20] Jemioło S., Gajewski M.: Zastosowanie programu SYSWELD w modelowaniu połączeń spawanych konstrukcji stalowych. Theorethical Foundations of Civil Engineering, Polish-Ukrainian Transactions, W. Szcześniak [red], Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2003, str. 411-424.
• [21] Jemioło S., Gajewski M.: Symulacja MES obróbki cieplnej wyrobów stalowych z uwzględnieniem zjawisk termometalurgicznych. Część 1. Nieustalony przepływ ciepła i przejścia fazowe. Zeszyty Naukowe, Budownictwo, z. 143. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2005.
• [22] Jemioło S., Gajewski M.: Zastosowanie programu SYSWELD w modelowaniu resztkowych naprężen pospawalniczych. Zeszyty Naukowe Budownictwo, z. 143. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2005.
• [23] Kang C.S., Chang Y.P.: Effects of change of phase on temperature distribution due to a moving heat source. Transactions of the ASME. Journal of Engineering Materials and Technology, 100, 1975, pp. 39-44.
• [24] Kącki E.: Równania różniczkowe cząstkowe w zagadnieniach fizyki i techniki. WNT, Warszawa 1992.
• [25] Kuo H.-Ch., Wu L.-J.: Prediction of heat-affective zone using Grey theory. J. Materials Processing Technology, 120, 2002, pp. 151-168.
• [26] Leblond J.B., Devaux J., Devaux J.C.: Mathematical modeling of transformation plasticity in steels. I: Case of ideal-plastic phases. Int. J. Plast., 5, 1989, pp. 551-572.
• [27] Lindgren L.E.: Finite element modelling and simulation of welding. Part 1: Increased complexity. Journal of Thermal Stresses, 24, 2001, pp. 141-192.
• [28] Lindgren L.E.: Finite element modelling and simulation of welding. Part 2: Improved material modelling. Journal of Thermal Stresses, 24, 2001, pp. 1195-231.
• [291 Lindgren L.E.: Finite element modelling and simulation of welding. Part 3: Efficiency and integration. Journal of Thermal Stresses, 24, 2001, pp. 305-334.
• [30] Little G.H., Kamtekar A.G.: The effect of thermal properties and weld efficiency on transient temperatures during welding. Computers and Structures, 68, 1998, pp. 157-165.
• [31] Monca O., Morrone B., Naso V.: Quasi-steady-state three-dimensional temperature distribution induced by a moving circular Gaussian heat source in a finite depth solid. International Journal of Heat and Mass Transfer, 38, 7, 1995, pp. 1305-1315.
• [32] Muraki T., Bryan J.J., Masubuchi K.: Analysis of thermal stresses and metal movement during welding. Part I: Analytical study. Transactions of the ASME. Journal of Engineering Materials and Technology, 97, 1, 1975, pp. 81-84.
• [33] Muraki T., Bryan J.J., Masubuchi K.: Analysis of thermal stresses and metal movement during welding. Part II: Comparison of experimental data and analytical results. Transactions of the ASME. Journal of Engineering Materials and Technology, 97, 1, 1975, pp. 85-91.
• [34] Nehad Al-K.: Enthalpy technique for solution of Stefan problems: Application to the keyhole plasma arc welding process involving moving heat source. Int. Comm. Heat Mass Transfer, 22, 6, 1995, pp. 779-790.
• [35] Ravichandran G., Raghupathy V.P., Ganesan N.: Analysis of temperature distribution during circumferential welding of cylindrical and spherical components using the finite element method. Computers and Structures, 59, 2, 1996, pp. 225-255.
• [36] Sabapathy P.N., Wahab M.A., Painter M.J. The prediction of burn-through during in-service welding of gas pipelines. Int. J. Pressure Vessels and Piping, 77, 2000, pp. 669-677.
• [37] Sabapathy P.N., Wahab M.A., Painter M.J.: Numerical models of in-service welding of gas pipelines. J. Materials Processing Technology, 118, 2001, pp. 14-21.
• [38] Sczygioł N.: Modelowanie numeryczne zjawisk termomechanicznych w krzepnącym odlewie i formie odlewniczej. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2000.
• [39] SYSWELD™ 2000. Reference Manual, ESI Group. The Virtual Tray-Out Space Company.
• [40] SYSWELD™ 2000. Metallurgical Transformation Model LSG2M Nancy. Metallurgical Models dedicated to Aluminium Alloys, ESI Group. The Virtual Tray-Out Space Company.
• [41] SYSWORLD™ 2000. Technical Description of Capabilities, ESI Group. The Virtual Tray-Out Space Company.
• [42] Wahab M.A., Painter M.J.: Numerical models of gas metal arc welds using experimentally determined weld pool shapes as the representation of the welding heat source. Int. J. Pressure Vessels and Piping, 73, 1997, pp. 153-159.
• [43] Wilke III H.C., Kottilingam S., Zee R.H., Chin B.A.: Infrared sensing techniques for penetration depth control of the submerged arc welding process. J. Materials Processing Technology, 113, 2001, pp. 228-233.
• [44] Yevtushenko A.A., Ivanyk E.G., Ukhanska O.M.: Transient temperature of local moving areas of sliding contact. Tribology International, 30, 3, 1997, pp. 209-214.
• [45] Yilbas B.S.: 3-dimensional laser heating model including a moving heat source consideration and phase change problems. Heat and Mass Transfer, 33, 1998, pp. 495-505.
• [46] Zhang W., Elmer J.W., DebRoy T.: Modeling and real time mapping of phases during GTA welding of 1005 steel. Materials Science and Engineering, A333, 2002, pp. 320-335.
• [47] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L.: The finite element method. McGraw-Hill, 4th edition, Volumes 1 and 2, 1994.