Введение к работе
Актуальность темы. Системы автоматизированного проектирование является современной технологией в области разработки новых проектов. Они имеют существенные преимущества по сравнению с процессом проектирования вручную.
Важнейшими из таких преимуществ являются сокращение времени, затрачиваемого на проектирования, стоимость проектировки, возмокность своевременно использовать в разрабатываемых проектах новые научные исследования, технические открытия и изобретения.
Еще одним преимуществом является то, что используя машинное моделирование, моано добиться оптикигзации основньсч ппраметров проектируемого объекта, тогда как при проектировании вручную выполнить это крайне сложно а, зачастую, практически невозможно.
Для внедрения систем автоматизированного проектирования (САПР) требуется разработка математических моделей 'в соответствующих областях и методов их исследования на цифровых вычислительных машинах, чему и посвящается данная диссертация .
В промышленном производстве, при эксплуатации элементов конструкция нередко встречаются іээсиологичсские процессы, сопровождавшиеся значительными перепадами температур. В условиях неравномерного нестационарного нагрева, при котором изменяются физико-механические свойства материалов и появляются градиенты температуры, возникает неодинаковое тепловое растеряй*» частей элементов. К таким процессам мокно отнести отжиг и закалку изделий, затвердевание отливки в форме. В
связи с этим теория тер; эупругости получила существенное развитие. Неравномерное тепловое расширение в общем случае не может происходить свободно в сплошном теле. Оно вызывает тепловые напряжения, знание величины и характера действия тепловых напряжений необходимо для всестороннего анализа прочности конструкции. Прогнозирование зависимости структуры к свойств детали от условий охлаждения или нагрева представляет большой практический интереса Оказалось,что структура и свойства материалов тесно связаны с характером изменения поля температур в сливке, которое можно определить с помощью методов математической физики. Таким образом, математическое моделирование термических процессов внутри отливок или деталей, претерпеваощих тепловую обработку, стало важным истру-ментом технолога при развитии новой или усовершенствовании уже применяемой технологии.
В последние годытеоретическое исследование процессов, сопровождающихся большими перепадами температур, получило мощный толчок в связи с появлением персональных компьютеров, с помощью которых технолог получает возможность непосредственно в процессе производства провести качественный и количественный а-алзэ данного технологического режима. С другой стороны, развитие и практическое применение теории тепловых процессов диктуется тем, что в современной промышленности наблюдается стремление к минимизации процента бракованной продукции, к снижению затрат на энергию, сырье и рабочую силу. Наиболее глубоко исследована задача определения температурного поля, разработаны пакеты вычислительных программ, позволяющие определить поля температур в телах любой конфигурации , учитывая при этом фазовые переходы и различные гра-
- 5 -ничные и начальные условия.
Наряду с распределением температур, теоретиков и практиков интересуют распределение внутренних напряжений, возникающих вследствие температурного градиента, фазовых превращений, пластическая деформаций, процессов структурообраэова-иия и т.п. Эта задача менее глубоко исследована, потому что здесь затрагивается слоиный комплекс вопросов теории пластичности, термоупругости и теорий кристаллизации. Учет внутренних напряжений при расчетах на лрочносгь во многих случаях крайне необходим, так как внутренние напряжения складываются с внешними нагрузками. Этот факт имеет особенно большое эначенпе для силикатных материалов, потону что эти материалы обладают сравнительно низким пределом прочности на растяжение и отличаются большой хрупкостью. Наличие внутренних напряжений может при этой привести к преждевременному разрушению детали под нагрузкой, а может и повысить предел прочности за счет закалочных напряжений. Таким образом, на основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что разработка автоматизации проектирования процесса термической обработки изделий является актуальной.
Цель настоящей диссертации. Цель настоящей диссертации состоит в создании расчетной модели іроцесса термообработки изделий, выполненных из нетеплопрозрачных термоупругих материалов, которая может быть положена в основу процесса автоматического проектирования в этой области, и в -определении, на основании иейде:::;ого метода решения задачи, основных параметров режима термообработки изделий.
Научная новизна. Осн<_вные результаты работы заключаются в следующем:
-Разработан новый метод численного решения уравнения теплопроводности в произвольной трехмерной области прямоугольной формы. Метод является итерационным и последовательно сходится к точному решению краевой задачи теплопроводности. Отличительной особенностью метода является относительная простота алгоритма по сравнению с другими известными методами, игпольэуемь-!и для построения решения в трехмерной области інапример мет д конечных элементов). В связи с устойчивость*} метода по выбору сеточного разбиения, он являтся более экономичны!! по объему занимаемой оперативной памати ЭВМ, чем известные конечно-разностные методы и метод конечных элементов.
- Доказано, что предлагаемый метод является устойчивым по выбору шага по времени и по трехмерному сеточному разбиению в объеме тела, шлея при этом удовлетворительную точность для инженерных расчетов. На этом основании предлагается использовать данный ыетод при автоматизации проектяэования технологического процесса термообработки материалов без учета их диагермга ных свойств, которыми обладают, например, теп-лопроарачные стекпа и силикаты. Предлагается попожить метод в основу решения несвязной задачи термоупругости, хоторая позволяет реализовать автоматизированное проектирование технологического процесса термической обработки изделий, выполненных из непрозрачных для теплового излучения терноупругих мат-?риа,.ов. Для случая более сложного процесса деформирования, например в вязко-пластическом стучае, имеющем место для ряда материалов при высоких температурах, предлагается расе-
матривать метод в качестве отдельного модуля, позволяющего определять мгновенные упругие напряжения я далее учитывать их релаксацию.
Б работе препложено новое построение общего численного решения краевой задачи термоупругости.
Показано, что предлагаемый метод расчета тер»,юупругих напряжений можно использовать как для твердых тел, так и для случая затвердевания отливкя в форме, когда влиянием свободных конвективных потоков внутри тела можно пренебречь.
Получен ряд численных решений краевой задачи териоупру-гости при различных реяииах охлаядения и различных теплофи-эпческих свойствах материала. Создана программа для ЭВМ.
Практическое значение. По лученные результаты могут быть использованы при разработке системы автоматизированного проектирования технологического процесса термообработки материалов и конструкция.Они могут рассматриваться также в качестве отдельного расчетного модуля, определяющего -значения температур и упругих напряжений в изделии произвольной прямоугольной области.
Результаты работы приняты к внедрению в институте химии силикатов Российской академии наук, на заводе "Знамя октября" , в НИИ вычислительной математик.! и процес зов управления при Санкт-Петербургском государственном университете.
Публикации. основные результаты диссертации опубликованы в работах 1-1.
структура и объем работы. Диесэртация состоит из введе-
- 8 -иия, трех глав, списка дат. «эратуры из І03. наименования и содержит $а страниц машинописного текста.
К работе имеется приложение; состоящее из текста и описания программы для ЭВМ, написанной на языке Turbo-Pascal.
Похожие диссертации на Автоматизация проектирования технологического процесса термическй обработки изделий, выполненных их непрозрачных для теплового излучения термоупругих материалов
