Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К

 [11]                                                                                                                      (52)

[11]                                                                                                         (53)

где - толщина листа, =4,2 см;

V - скорость сварки, V= 1 см/с;

Ре - критерий Пекле;

сγ - объёмная теплоёмкость, Дж/см²К;

q_и- эффективная тепловая мощность источника теплоты, Вт;

Т_л - температура ликвидус, ˚C.

= 57,3653

=0,220

При e₁≤0,25 максимальная температура на нижней поверхности листа не превышает 0,1Т_л, следовательно металл не проплавляется на всю толщину, тогда можно принять схему полубесконечного тела (ПТ).

Критерии e₂ и e₃ введены Н.Н. Рыкалиным для определения термического КПД по номограммам. Анализ этих номограмм показал, что при e₂³40 и e₃³400 термические КПД близки к предельным значениям 0,484 и 0,368, соответствующим быстродвижущимся источникам (линейному и точечному). Поэтому значения критериев e₂=40 и e₃=400 могут служить условной границей между движущимся и быстродвижущимся источниками теплоты.

 

Таблица 16 – Расчетные схемы и критерии для их выбора

Расчетная схема	Е	e1	e2	e3	e4
1. ДТ-ПТ	£1	£0,25		<400
2. БТ-ПТ	£1	£0,25		³400
3. ДТ-БЛ	1 - 9	0,25 - 2			<16000
4. БТ-БЛ	1 - 9	0,25 - 2			³16000
5. ДЛ-БП	³9	³2	<40
6. БЛ-БП	³9	³2	³40

 

По полученным критериям  по таблице 1 выбираем в качестве расчетной  схему быстродвижущегося точечного  источника теплоты в  полубесконечном  теле БТ-ПТ.

 

3.4 Расчет времени наступления максимальных температур

 

Расчет ведется по уравнению температур для БТ-ПТ:

, [9,10]                                                        (54)

где t – время, отсчитываемое от момента. Когда источник пересек плоскость YOZ, в которой расположена рассматриваемая точка, с;

- плоский радиус-вектор, см

Уравнение  максимальных температур для мощного быстродвижущегося  точечного источника на поверхности  полубесконечного тела БТ-ПТ. Используя  условие максимума функции в математике, найдем производную по времени t от уравнения и приравняем её к нулю.

Для удобства вычисления производной предварительно логарифмируем  выражение:

Дифференцируем это  выражение почленно по t, учитывая, что первый член правой части величина постоянная;

Отсюда скорость изменения  температуры:

Скорость изменения  температуры обращается в нуль при  следующих условиях:

1. При T=0 вместе с самой температурой.
2. При t= , т.е. при полном выравнивании.
3. При   , что соответствует точке максимума функции.

Отсюда  или

Подставляя значение t_м в уравнение, получим

,                                                                       (55)

где   

Максимальная температура  при действии мощного быстродвижущегося  точечного источника на поверхности  полубесконечного тела пропорциональна  погонной энергии источника q_и/V и обратно пропорциональна объёмной теплоемкости и квадрату расстояния. r_x  от рассматриваемой точки до оси OX.

 

Для Z=0, 

; ;                                                                                                         (56),(57)

А = 12697,268; В = 3,4145865

                                                                                                                              (58)

Результаты расчета сведены в таблицу 17 и 18.

 

Таблица 17 – Результаты расчета времени наступления максимальных температур

Тм	Yм	tм	Tм	tк-1	Тк-1	tк	Тк
Тл	0,9525	3,0981	1508	20	543,7578	40	293,7737
0,8 Тл	1,0650	3,8726	1207	20	523,1025	40	288,14
0,6 Тл	1,2297	5,1635	905	20	490,4058	40	278,9896
0,4 Тл	1,5061	7,7453	603	20	431,0159	40	261,5512
0,2 Тл	2,1299	15,4906	302	20	292,6215	40	215,508
Тл	0	8,42	1508	20	634,8634	40	317,4317

 

3.5 Расчет и построение термических циклов точек с заданной максимальной температурой

 

Таблица 18 – Расчет температур

t,с	Y, см
	0,9525	1,0650	1,2297	1,5061	2,1299	0
0	0	0	0	0	0	0
1	573,07878	264,143752	72,64689007	5,495034	0,002378
2	1348,7527	915,6833538	480,2127224	132,0719	2,747517
3	1506,9206	1164,034139	756,9919817	320,1418	24,21563
3,0981	1507,7097	1174,205471	774,0839546	336,4155	27,61467
3,8726	1473,2166	1206,167735	864,2569481	443,7243	60,05156
4	1463,1077	1205,543289	873,0256045	457,8417	66,03594
5	1366,599	1170,48619	904,1523826	539,5011	114,6158
5,1635	1349,5431	1161,562522	904,6258014	548,6833	122,4278
6	1262,7277	1109,806795	894,9734675	582,0171	160,0709
7	1165,1948	1043,146037	867,4732019	599,8988	198,4009
7,7453	1098,8905	994,3172005	841,671339	603,0839	221,8622
8	1077,5398	978,1074285	832,3550962	602,7716	228,9208
8,42	1043,7598	952,0311786	816,7117994	601,0411	239,5577	1507,989
9	999,92684	917,4730997	794,8805314	596,649	252,3307	1410,808
10	931,45246	862,0318116	757,6366261	585,2431	269,7505	1269,727
11	870,96316	811,7463313	721,8626618	570,8514	282,3115	1154,297
12	817,34306	766,254808	688,1048248	554,9034	291,0085	1058,106
13	769,60388	725,0906817	656,5494677	538,2917	296,6665	976,7129
14	726,90122	687,7786403	627,1972735	521,573	299,9494	906,9477
15	688,52434	653,8744464	599,956106	505,0911	301,3841	846,4845
15,4906	671,09392	638,3642789	587,3234893	497,1586	301,5419	819,676
16	653,87812	622,9790372	574,691106	489,0537	301,3858	793,5793
17	622,46444	594,7409467	551,2517711	473,581	300,2806	746,8981
18	593,86538	568,8536684	529,4864168	458,7365	298,3245	705,4038
19	567,72904	545,051094	509,2496338	444,5471	295,7187	668,2773
20	543,75779	523,1024987	490,4058348	431,0159	292,6215	634,8634
21	521,6987	502,8077322	472,8306266	418,1315	289,1577	604,6318
22	501,33578	483,9928799	456,4109915	405,8732	285,4257	577,1485
23	482,48368	466,5064698	441,044839	394,2148	281,5032	552,0551
24	464,98261	450,2162138	426,6402513	383,1274	277,4517	529,0528
25	448,69418	435,0062341	413,1146043	372,581	273,3198	507,8907
26	433,498	420,7747144	400,3936661	362,5453	269,1459	488,3565
27	419,28888	407,4319137	388,4107285	352,9909	264,9602	470,2692
28	405,97457	394,8984893	377,1057991	343,8893	260,7865	453,4739
29	393,47385	383,1040773	366,4248643	335,2133	256,6435	437,8368
30	381,71495	371,9860908	356,3192268	326,9372	252,5455	423,2423
31	370,63421	361,4886987	346,7449153	319,0369	248,5038	409,5893
32	360,175	351,561957	337,6621603	311,4895	244,5269	396,7896
33	350,28678	342,161067	329,0349313	304,274	240,6209	384,7657
34	340,9243	333,2457407	320,8305282	297,3705	236,7905	373,4491
35	332,04695	324,7796549	313,0192215	290,7605	233,039	362,7791
36	323,61817	316,7299827	305,5739353	284,4268	229,3683	352,7019
37	315,60495	309,0669874	298,4699669	278,3535	225,7796	343,1694
38	307,97744	301,7636717	291,684741	272,5255	222,2735	334,1386
39	300,70856	294,795473	285,1975913	266,9291	218,8498	325,571
40	293,77369	288,1399971	278,9895681	261,5512	215,508	317,4317

Рисунок 12 – График термических циклов

 

3.6 Расчет скорости охлаждения металла при данной температуре

 

                                                                                       (59) 

=603,2

 

Таблица 19 – Расчет скорости охлаждения

To	0	50	100	150	200	250	300	350	400
Wохл	28,66	24,11	19,95	16,18	12,81	9,83	7,24	5,05	3,25

 

Рисунок 13 – График скорости охлаждения металла при данной температуре

 

 

 

3.7 Оценка свариваемости заданного металла

 

Обязательными критериями при оценке свариваемости являются стойкость сварного соединения против образования горячих и холодных трещин, величина оптимального интервала скоростей охлаждения и степени равноценности механических свойств сварного соединения основному металлу.

Свариваемость конструкционных  углеродистых сталей можно определить по химическому составу с помощью  эквивалента углерода (Сэ):

 [20]                                                                           (60)

 [21]                                                                           (61)

С_Э^Г = 0,12+0,08+0,04-0,005+0,05+0,03 = 0,315 < 0,4

С_Э^Х = 0,12+0,1+0,015+0,015+0,18 = 0,43 < 0,45

где C_Э^Г – эквивалент углерода по горячим трещинам (<0.4 – отсутствие горячих трещин)

С_Э^Х – эквивалент углерода по холодным трещинам (<0.45 – отсутствие холодных трещин)

Следовательно, сталь  С345К имеет хорошую свариваемость  и не склонна к образованию горячих и холодных трещин. Она способна образовывать прочные сварные соединения без существенного ухудшения их технологических свойств. Хорошая свариваемость стали  С345К обуславливается следующими показателями:

- в химическом составе  отсутствуют элементы, образующие тугоплавкие сплавы.

- высокая пластичность  в широком интервале температур.

-малая чувствительность  к закалке (т.к.имеет низкое  содержание С=0,12%)

- узкий интервал кристаллизации, т.е. малая склонность к образованию  горячих трещин.

Условия сварки стали С345К имеют следующие критерии: без ограничений в широком диапазоне режимов сварки независимо от толщины металла, жесткости конструкции, температуры окружающей среды. Кроме того, сталь С345К имеет широкий интервал скорости охлаждения ∆W.

 

4 Выводы

 

В результате выполнения данной работы был рассчитан вертикальный цилиндрический стальной резервуар. С  помощью метода построения диаграммы  Максвелла-Кремоны были найдены  усилия в стержнях фермы. Далее из условия прочности были выбраны  сечения стержней, конструкции узлов, а так же выполнен расчет длины швов.

В технологической части  работы были рассчитаны параметры режима выбранного вида сварки, подобраны  материалы, а так же источники  питания.

При расчете термических  циклов были подсчитаны теплофизические коэффициенты, такие как теплопроводность, объемная теплоемкость, температуропроводность, полная поверхностная теплоотдача. По этим коэффициентам нашли критерий Н.Н. Рыкалина, по которым выбрали источник теплоты (быстродвижущийся точечный источник теплоты на поверхности полубесконечного тела).

Для этого источника  были рассчитаны время наступления  максимальных температур и распределение  температуры по оси Y для различных значений. По полученным данным построили график термических циклов, так же была вычислена скорость охлаждения металла при данной температуре и построен её график.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Список использованной литературы

 

1 Проектирование сварных конструкций в машиностроении/Под редакцией С.А. Куркина: машиностроение 1975.

2 Сахновский М.М. справочник конструктора строительных сварных конструкций. Днепропетровск: промина, 1975.

3 Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформаций конструкций: Учебное пособие. М высшая школа.., 1982

4 Методическое руководство для курсового проектирования по дисциплине «Расчёт и проектирование сварных конструкций» для студентов специальности 12.05 всех форм обучения. Автор И.В. Рукосуев.

5 Теория сварочных процессов: Учебник/ А.В.Коновалов и др.; МГТУ им.Н.Э.Баумана; Под ред. В.М.Неровного. - М.: Изд-во МГТУ  
им.Н.Э.Баумана, 2007. - 750с.

6 Теория сварочных процессов / Под ред. В.В.Фролова. - М.: Высшая школа,  
1988, 559 с.

7 Конищев Б.П. Расчет тепловых процессов сварки. Учебное пособие.

Н. Новгород, НГТУ, 1994, 86с.