Investigations of a thermomechanical processes in products subjected to annealing and operating conditions after annealing: theory, calculations

Abstract

Дана робота орієнтована на послідовне вирішення двох проблем: а) оцінювання перерозподілу напружень у результаті охолодження при високотемпературному відпалі, метою якого є релаксація технологічно набутих залишкових напружень; б) оцінювання напружень, спричинених експлуатаційними умовами у відпалених виробах та конструктивних вузлах. Запропоновано підхід до прогнозування напружень, викликаних відповідними технологічними умовами відпалювання та експлуатаційними тепловими і (або) механічними умовами після відпалювання. Теоретичною основою цього підходу є теорія нестаціонарної теплопровідності й теорія пластичного неізотермічного течіння. Розв’язування сформульованих задач математичної фізики базується на методі скінченних елементів (FEM) та розробленому програмному забезпеченні. Програмне забезпечення орієнтоване на розв’язування двовимірних задач і дозволяє досліджувати еволюцію термомеханічних станів в однорідних і кусково- однорідних, у загальному випадку термочутливих зміцнюваних у процесі деформування ізотропних тілах та елементах конструкцій канонічної й неканонічної форми під впливом теплових та (або) механічних факторів. Специфікою цих задач є наявність початкових напружень. Відомі програмні системи FEM не працюють з початковими напруженнями й тому не дозволяють розв’язувати окреслене коло задач. Важливість досліджень у цьому напрямку пов’язана з обмеженістю теоретичних підходів і, як наслідок, недостатньо вивченими термомеханічними явищами. Розроблене програмне забезпечення алгоритмічно узагальнено на випадок існування початкових напружень, якщо деформування розглядуваних об’єктів описується геометрично лінійною теорією. Як приклад, проаналізовано перерозподіл у процесі відпалювання попередньо набутих зварних залишкових напружень у тонкому диску з коаксіальним коловим отвором та наступний вплив прикладеного до отвору тиску. Обґрунтовано характер розподілу та рівень напружень у диску на стадії охолодження при відпалюванні після проходження стадій нагрівання та витримування. Ці напруження є початковими для вивчення механічних процесів, спричинених наступним впливом прикладеного до отвору статичного навантаження. Встановлено закономірності формування напружень у розглядуваних послідовно реалізованих умовах для ідеального матеріалу й трьох модельних наближень його зміцнюючих властивостей.

An approach to investigation of the thermomechanical processes in solids during cooling under high-temperature annealing and following after annealing thermomechanical conditions is proposed. The annealing is oriented on the relaxation of the residual stresses. This approach is based on the non-stationary thermal conductivity problem, on the problem about a thermoelastoplastic stress and strain state of the thermal sensitive hardenable solids in the deforming process and also on the software based on the finite element method (FEM). As an example the evolution of the residual stress state in disk subjected to annealing and following influence of the static loading applied to the disk hole is analyzed. The hole in disk is coaxial and circular. The residual stresses are specific after coupling by butt welding of two ring disks.