Моделирование тепловых процессов в полупространстве при нагреве движущимся источником с равномерно распределенным тепловым потоком

Методом приложения мгновенных точечных источников получено решение задачи теплопроводнос ти при поверхностном нагреве тела в форме полупространства движущимся с постоянной скоростью по прямолинейной траектории равномерно распределенным высококонцентрированным тепловым потоком с различной формой пятна нагрева при постоянных теплофизических характеристиках материала. Исследовано влияние режимов температурного нагружения и формы пятна нагрева на тепловые процессы в зоне термического влияния. Построены поверхности и линии уровня температуры для различных моментов времени и скоростных режимов нагружения в разных плоскостях зоны нагрева. Приведены зависимости от времени температур, скоростей нагрева и охлаждения для точек тела. Недостатки используемых методов линейной теплопроводности, отсутствие прямого учета в расчетной схеме зоны поверхностного расплава материала не позволяют достоверно оценивать влияние режимов термообработки на изменение свойств материала, ориентируясь только на уровень максимальной расчетной температуры. В связи с этим структурообразование металла в зоне теплового воздействия предложено связывать с тепловым импульсом, то есть полной тепловой энергией, воспринятой материалом в данной точке тела, а также с введенным в рассмотрение эффективным импульсом структуризации, характеризующим энергию, затрачиваемую на процесс структурных превращений материала, и временем структуризации в точке и некотором объеме тела. Представлены зависимости этих величин от скорости движения и формы пятна нагрева. Рассмотренные подходы могут быть применены к различным металлам и сплавам. Результаты исследований могут использоваться для разработки более эффективных методик определения оптимальных режимов поверхностного упрочнения металлоизделий высокоэнергетическим источником.

1. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов / Н. Н. Рыкалин [и др.]. – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с.

2. Рыкалин, Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке / Н. Н. Рыкалин. – М.: ГНТИ машиностроит. лит., 1951. – 296 с.

3. Боли, Б. Теория температурных напряжений / Б. Боли, Дж. Уэйнер. – М.: Мир, 1964. – 518 с.

4. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу, Д. Егер. – М.: Наука, 1964. – 488 с.

5. Akbari, M. Geometrical Effects on the Temperature Distribution in a Half-Space Due to a Moving Heat Source / M. Akbari, D. Sinton, M. Bahrami // J. Heat Transfer. – 2011. – Vol. 133, iss. 6. – Art. ID 064502 (10 p.). https://doi.org/10.1115/1.4003155

6. Muzychka, Y. S. Thermal Resistance Models for Non-Circular Moving Heat Sources on a Half Space / Y. S. Muzychka, M. M. Yovanovich // J. Heat Transfer. – 2001. – Vol. 123. – P. 624–632. https://doi.org/10.1115/1.1370516

7. Zubair, S. M. Temperature solutions due to time-dependent moving line heat sources / S. M. Zubair, M. A. Chaudhry // Heat Mass Transfer. – 1996. – Vol. 31. – P. 185–189. https://doi.org/10.1007/BF02333318

8. Аттетков, А. В. Осесимметричное температурное поле изотропного полупространства при локальном нестационарном нагреве внешней средой / А. В. Аттетков, И. К. Волков, Е. С. Тверская // Теплофизика высоких температур. – 2010. – Т. 48, № 4. – С. 612–616.

9. Ravi, T. Optimization of Heat Transfer through Rectangular Duct / T. Ravi, F. Z. Pathan, M. Vahadne // Int. Res. J. Eng. Technol. – 2015. – Vol. 2, iss. 4. – P. 1906–1910.

10. Ahire, Y. M. Three-Dimensional Unsteady State Temperature Distribution of Thin Rectangular Plate with Moving Point Heat Source / Y. M. Ahire, K. P. Ghadle // Indian J. Mater. Sci. – Vol. 2016. – Art. ID 7563215. https://doi.org/10.1155/2016/7563215

11. Немчинский, А. Л. Тепловые расчеты термической обработки / А. Л. Немчинский. – Л.: Судпром, 1953. – 106 с.

12. Trengthened layer at plasma hardening during whole-rolled wheel / T. E. Sarsembaeva [et al.] // Вестн. науки Казах. агротехн. ун-та им. С. Сейфуллина. – 2019. – № 4 (103). – C. 154–161.

13. Kanaev, A. T. Formation of Gradient-Foliated Structures under High-Temperature Thermomechanical Treatment and Surface Plasma Quenching of Carbon Steel / A. T. Kanaev, T. E. Sarsembaeva, M. A. Saidullaeva // Steel in Translation. – 2021. – Vol. 51. – P. 677–682.

14. Веремейчик, А. И. Влияние формы выходного сечения сопла источника высокоэнергетической струи на уровни температуры в зоне термического воздействия / А. И. Веремейчик, Б. Г. Холодарь // Новые технологии и материалы, автоматизация производства: сб. ст. – Брест: Изд-во БрГТУ, 2022. – C. 217–220.

15. Белинин, Д. С. Особенности структурообразования при плазменной поверхностной закалке на большую глубину изделий из стали 40Х13 / Д. С. Белинин, Ю. Д. Щицын // Изв. Самар. науч. центра Рос. акад. наук. – 2012. – Т. 14, № 4 (5). – С. 1202–1205.

16. Иванцивский, В. В. Управление структурным и напряженным состоянием поверхностных слоев деталей машин при их упрочнении с использованием концентрированных источников нагрева и финишного шлифования: дис. ... д-ра техн. наук: 05.16.09 / В. В. Иванцивский. – Новосибирск, 2012. – 425 с.

17. Балановский, А. Е. Плазменное поверхностное упрочнение металлов / А. Е. Балановский. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. – 180 с.

18. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. – М.: Наука, 1970. – 720 с.