TENSIUNI REMANENENTE ȊN MANTAUA CILINDRICӐ A UNUI CAZAN DE APӐ CALDӐ

TENSIUNI REMANENENTE ȊN MANTAUA CILINDRICӐ A UNUI CAZAN DE APӐ CALDӐ

Rezumat

In acest text sunt prezentate aspecte cu privire la domeniul elasto-plastic al materialelor. In este paragrafele imediat urmatoare este realizat un studiu comparativ intre valorile tensiunilor remanente obtinute prin calcul numeric (planul de lucru) si metoda analitica.

Cuvinte cheie: domeniul elasto-plastic, table, tensiuni remanente, metoda elementelor finite, incovoiere cilindrica, modelare plana.

1. Generalitati

Prelucrarea prin deformare la rece a materialelor metalice se realizeaza, fara indepartarea de aschii si fara incalzirea prealabila a acestora. Materialele utilizate sunt table, benzi, sarme si alte profile laminate executate din materiale neferoase sau feroase.

Procesele tehnologice de prelucrarea metalelor prin deformare la rece prin incovoiere (indoire), ambutisare, indreptare, fasonare etc. se bazeaza pe capacitatea metalului de a se deforma plastic. Larga utilizare a prelucrarii prin deformare la rece se datoreaza pe de o parte diversitatii constructive a pieselor si asamblarilor care pot fi executate prin procedee apartinand acestei metode precum si prin avantajele importante pe care le ofera.

Deformarea plastica la rece a materialelor metalice are ca efect aparitia unor tensiuni in interiorul materialului, tensiuni cunoscute sub numele de tensiuni remanente. Cunoasterea valorilor acestor tensiuni ramase dupa prelucrare prezinta o mare importanta intrucat prezenta acestora uneori afecteaza capacitatea de rezistenta a materialului.

Valorile tensiunilor remanente pot fi determinate prin calcul analitic, numeric si experimental. Lucrarea de fata isi propune evaluarea acestor tensiuni in mantaua cilindrica a unui cazan de apa calda apeland la metode numerice si analitice.

2. Indoirea tablelor

F

500

Fig. 1 Instalatii pentru indoirea tablelor

Ca model de baza pentru studio, s-a ales mantaua cilindrica a unui cazan de apa calda.

Mantaua cilindrica de lungime L= 4000mm si diametru D= 2000mm este confectionat din tabla K410 (STAS 2883/ 3-88, σ_C= 265 N/ mm²) cu grosimea de 16 mm. forma cilindrica a mantalei se obtine prin roluire cu ajutorul unei instalatii formata din 3 valturi de diametru 420 mm (fig.1).

In functie de grosimea tablei, din graficele ce tin seama de posibilitatile de lucru a instalatiei de roluire, s-a ales ca lungime maxima de lucru 2000 mm,lungimea finala a mantalei rezulta prin sudarea cap la cap a doi cilindri de lungime 2000 mm.

Valoarea sarcinilor ce actioneaza asupra tablei s-a stabilit pe baza relatiilor de calcul din lucrarea 1, in care se pune conditia ca dupa inlaturarea acestora raza de curbura a suprafetei mediane (a mantalei) sa creasca. Studiul modului de variatie a tensiunilor remanente s-a facut prin utilizarea metodelor de calcul analitic si numeric prin MEF.

3. Modelarea plana a tablelor

Intrucat tabla dreptunghiulara prezinta simetrii geometrice si de incarcare, s-a luat in calcul jumatate din suprafata tablei cuprinsa intre cilindrii extremi.

Discretizarea structurii s-a realizat prin utilizarea elementului finit de tip patrulater, cu pas variabil de discretizare. La discretizare s-a urmarit obtinerea unei densitati mai mari de elemente in zona de actionare a cilindrului intermediar.

Stabilirea momentului incovoietor maxim capabil sa incovoaie suprafata mediana a tablei cu o raza de curbura R_n (raza care creste la valoarea R_n dupa inlaturarea sarcinilor), se face in doua ipoteze de calcul, ipoteza E_p=0, respective E_P=constant. Pornind de la relatiile de calcul pentru incovoierea tablelor in domeniul elasto-plastic,in ipoteza de calcul E_p=0, s-a calculate valorile: M_i=33,7·10⁶ N·mm ; R_n=830 mm; R_n=1009 mm si y_c=1,1 mm. In ipoteza E_p=constant (E_P=0,316·10⁵ N/mm²), a rezultat valoarea momentului incovoietor maxim M_i=55,9·10⁶ N·mm (pentru latimea de 2000 mm), moment ce produce incovoierea suprafetei mediane a tablei cu razele de curbura R_n=760 mm, respective R_n=1010 mm, pentru y_c=1,1 mm. Tensiunile remanente pe directia axei tablei rezultate in urma procesului de incarcare-descarcare, sunt conform tabelului 1 (unde y este distanta masurata pe grosimea tabelului).

In aceste figuri sunt reprezentate diagramele de variatie a tensiunilor remanente pe directia axei Ox atat pentru ipoteza de calcul Ep = 0 cat si pentru Ep = ct. Intre valorile tensiunilor remanente obtinute prin cele doua ipoteze de calcul, la suprafata tablei, fiind o abatere de pana la 5%.

4. Interpretarea rezultatelor

S-a facut o analiza a tensiunilor remanente rezultate prin utilizarea relatiilor de calcul analitic si numeric la indoirea tablelor, folosite pentru confectionarea mantalei cilindrice a cazanelor de abur.

5. Concluzii

In general abaterile rezultate prin compararea valorilor tensiunilor remanente rezultate prin relatii de calcul si prin metoda elementului finit sunt sub 10%, exceptie facand cazurile in care tensiunea maxima din fibrele extreme a depasit cu mult limita de curgere si nu s-a aplicat ipoteza de calcul corespunzatoare acestei situatii.

In acest caz, insa, folosirea ipotezei de calcul prezentata in lucrare Ep = constant, ipoteza care tine seama de alura curbei caracteristice, face ca abaterile rezultate sa scada sub 6%.

Studiul prezentat in lucrare reprezinta o prima etapa in abordarea problemei de calcul a valorilor tensiunilor remanente in mantaua cilindrica a cazanelor, prin metoda elementului finit, pentru modelul plan urmand ca analiza pe un model spatial sa constituie obiectul unui alt studiu.

Bibliografie:

[1] Bal, N., Studiul theoretic si experimental al tensiunilor remanente in organe de masini. Teza de doctorat. Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, 1988.

[2] Bal, N., Bejan, M., Carmen Bal, Despre incovoierea tablelor in domeniul elasto-plastic. Lucrarile Primei Conferinte tehnico stiintifice "Profesorul Dorin Pavel Fondatorul Hidroenergeticii Romanesti", Sebes 2001.

[3] Dadras By, P.,Stress-StrainRelationships in Bending. ASM Handbook, Mechanical Testing, Vol 8

[4] Hardau, M., Metoda elementelor finite. Transilvania Press, Cluj-Napoca

[5] Pascariu, I., Elemente finite . Concepte, Aplicatii. Editura Militara, Bucuresti, 1985.