Схемы нагреваемого тела
Распространение теплоты существенно зависит от формы и размеров нагреваемого тела. Точно учесть сложную конфигурацию тела, анализируя процессы теплопереноса при сварке можно лишь при использовании методов компьютерного моделирования сварочных процессов (см. гл. 13). Для применения аналитических методов расчета необходимо упрощать формы рассматриваемых тел, сводя их к простейшим схемам. Разумеется, грамотное применение схематизации должно основываться на четком понимании физической сущности процесса теплопереноса при сварке.
В зависимости от формы и размеров свариваемого изделия, а также длительности процесса распространения теплоты выбирают одну из следующих схем нагреваемого тела.
1. Если границы тела не влияют на распространение теплоты, его можно заменить бесконечным (массивным) телом, имеющим неограниченную протяженность по всем направлениям декартовой системы координат Oxyz (рис. 5.5, а). Тепловой поток в этом случае - пространственный, причем источник теплоты находится внутри тела.
2. Полубесконечное тело представляет собой массивное тело с одной ограничивающей плоскостью z = О (рис. 5.5, б), на которой действует источник теплоты. Остальные ограничивающие поверхности тела находятся на значительном удалении и практически не влияют на распространение теплоты. Тепловой поток в этом случае также пространственный. Погрешность расчета от пренебрежения ограниченностью размеров области распространения теплоты тем меньше, чем больше размеры тела, короче расчетная продолжительность процесса распространения теплоты (т. е. суммарная длительность нагрева и охлаждения), чем ближе к источнику теплоты
область тела, для которой производится расчет температур, и чем ниже коэффициент температуропроводности материала тела.
3. Плоский слой представляет собой тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями z = 0 и z = 5 (рис. 5.5, д), в котором распределение температур по толщине не является равномерным. Тепловой поток в этом случае является пространственным, как и в случае массивного тела. Эту схему применяют в тех случаях, когда толщина изделия не настолько велика, чтобы можно было пренебречь влиянием ограничивающей плоскости z = 5 и считать тело полубесконечным.
4. Бесконечная пластина представляет собой тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями z = 0 и z = 5 (рис. 5.5, в). Однако при использовании этой схемы, в отличие от схемы плоского слоя, всегда полагают, что температура по толщине изделия
|
Рис. 5.5. Расчетные схемы тел: а - бесконечное тело; б - полубесконечное тело; в - бесконечная пластина; г - полубесконечная пластина; д - плоский слой: е - бесконечный стержень |
распределена равномерно. Тепловой поток в этом случае - плоский. Ошибка в расчетах от такого предположения тем меньше, чем меньше толщина изделия, чем больше продолжительность процесса, чем меньше коэффициент температуропроводности материала, чем дальше от источника теплоты расположена зона, для которой производится расчет температур, и чем меньше коэффициент поверхностной теплоотдачи.
5. Бесконечный стержень представляет собой тело с прямолинейной или криволинейной осью; распределение температуры в поперечном сечении стержня считается равномерным (рис. 5.5, е). Тепловой поток в этом случае линейный - вдоль оси стержня. Ошибка от замены реального изделия с пространственным тепловым потоком схемой бесконечного стержня тем меньше, чем меньше поперечные размеры изделия, чем больше длительность процесса и коэффициент температуропроводности материала и чем меньше его коэффициент поверхностной теплоотдачи.
Следует отметить, что приведенная схематизация в определенной степени условна и только четкое понимание физической модели процесса позволяет грамотно выбрать соответствующую расчетную схему. Например, одному и тому же свариваемому изделию могут соответствовать различные схемы теплопроводящих тел: бесконечное тело - при выполнении корневых швов в условиях многослойной сварки в узкий зазор при двусторонней разделке кромок; полубесконечное тело - при выполнении на поверхности последнего слоя сварного шва; плоский слой - при электроннолучевой сварке с несквозным проплавлением, но со сквозным прогревом изделия; пластина - при электронно-лучевой сварке со сквозным проплавлением. Основным критерием при выборе расчетной схемы должен служить ожидаемый вид теплового потока - пространственный, плоский или линейный.
