Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 33
|
Министерство образования и науки Украины Донбасская государственная машиностроительная академия Кафедра компьютерных информационных технологий ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ (ДП) №____ Тема: Моделирование тепловых процессов при наплавке порошковой проволокой Выполнил студент гр. ІТ 01-1з В.М. Богдюк Краматорськ, 2007 г. Пояснительная записка к дипломной работе содержит _ страниц машинописного текста, 16 рисунков, 6 таблиц, 1 приложение. Тема дипломной работы "Моделирование тепловых процессов при наплавке порошковой проволокой". Объект исследования - тепловые процессы при наплавке порошковой проволокой. Цель работы - разработка программно-методического комплекса для расчета температурного поля вылета порошковой проволоки. В работе содержатся общие сведения о процессе наплавки, порошковых проволоках, их строении и применении. Рассматриваются тепловые процессы при наплавке порошковой проволокой. Описываются математические модели нагрева оболочки вылета и сердечника. Производится анализ решения дифференциального уравнения теплопроводности. Разработаны логическая и информационные модели программного комплекса. Разработанный программный комплекс позволяет выполнить расчет температурного поля вылета порошковой проволоки, определить температуру в любой точке сердечника, зависимость температуры нагрева оболочки от плотности тока и теплофизических свойств. Результаты моделирования представлены в виде графических зависимостей и таблиц. Программный комплекс предусматривает сохранение полученных результатов на магнитных носителях и удобство использования для неподготовленного пользователя. Данный комплекс программ предназначен для использования в научных разработках. моделирование, тепловой процесс, порошковая проволока, оболочка, сердечник, уравнение теплопроводности, предварительный подогрев.
Ведомость
работы № п/п Наименование документа Пояснительная записка Содержание Введение 1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи 1.1 Тепловые процессы при наплавке порошковой проволокой 1.2 Анализ и выбор средств разработки программного обеспечения 1.3 Техническое задание на разработку программно-методического комплекса 1.4 Цель и задачи исследований 2. Математическое моделирование теплового состояния вылета порошковой проволоки 2.1 Модель нагрева оболочки вылета порошковой проволоки 2.2 Модель нагрева сердечника порошковой проволоки 2.3 Анализ решения дифференциального уравнения теплопроводности 2.4 Исследование теплового состояния вылета порошковой проволоки при наплавке с предварительным подогревом 2.4.1 Способ наплавки с предварительным подогревом 2.4.2 Исследование электротермических процессов на участке подогрева 2.4.3 Исследование теплового состояния сердечника подогреваемой на вылете порошковой проволоки 3. Разработка компонентов программно-методического комплекса 3.1 Разработка логической модели ПМК 3.1.1 Разработка диаграммы потоков данных 3.1.2 Разработка диаграммы переходов состояний 3.1.3 Разработка диаграммы компонентов 3.1.4 Разработка диаграммы использования 3.2 Структура программно-методического комплекса 3.3 Информационное обеспечение комплекса 3.4 Техническое обеспечение комплекса 3.5 Программное обеспечение комплекса 4. Специальная часть 4.1 Структура и функциональное назначение отдельных модулей ПМК 4.1.1 Модуль расчета 4.1.2 Модуль построения графиков 4.1.3 Модуль формирования отчетов 4.2 Описание интерфейса пользователя 4.3 Исследование температурного поля вылета порошковой проволоки 4.4 Программа и методика испытаний 5 Охрана труда 5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 5.2 Мероприятия по обеспечению безопасных и комфортных условий труда 5.3 Расчет естественного освещения Выводы Список использованных источников Приложение А Наплавка является важным технологическим процессом при изготовлении деталей машин, обеспечивающая экономию расхода металла. Производители металлоконструкции всегда стоят перед проблемой выбора сварочных материалов, способных обеспечить требуемое качество металла шва и сварного соединения при максимальной производительности сварки. Сегодня на отечественных заводах для механизированной сварки в среде защитных газов применяют, в основном, сварочную проволоку сплошного сечения марок Св-08Г2С, Св-08ГС. Одним из достоинств сварочной проволоки является ее сравнительно низкая цена. Однако при изготовлении конструкций ответственного назначения производственники затрачивают столько людских ресурсов и средств на зачистку швов и околошовной зоны, доводку формы шва и его поверхности, отвечающих требованиям технической документации, что это достоинство проволоки становится ее недостатком. Необходимость применения других видов сварочных материалов, а это, прежде всего, должна быть порошковая проволока, особенно остро ощущают производители сварных конструкций, выполняющие зарубежные заказы. В этом случае предъявляют требования не только к надежности конструкции, но и к внешнему виду сварных швов и эффективности (стоимости) изготовления. На многих крупных заводах-производителях металлоконструкций, где основным способом сварки является механизированная в среде защитных газов, и большой объем применения сплошной проволоки, основными причинами ограниченного использования порошковой проволоки является не столько изношенность сварочного оборудования или недостаточное количество специализированных подающих механизмов, сколько недооценка технологических и экономических преимуществ применения порошковой проволоки. Порошковая проволока обеспечивает мягкое стабильное горение дуги, мелкокапельный перенос и минимальное разбрызгивание электродного металла, отличное формирование шва. Тонкая шлаковая корка легко удаляется с поверхности шва, в том числе и при сварке в узкий зазор. Поверхность шва гладкая, блестящая, аналогичная поверхности швов при сварке под флюсом. Порошковая проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами в широком диапазоне режимов сварки, чем выгодно отличается от проволок сплошного сечения. Производственные испытания новых порошковых проволок на ряде машиностроительных заводов показали высокую технико-экономическую эффективность их применения Применение порошковой проволоки взамен сплошной обеспечивает рост производительности сварки. При сварке, преимущественно в нижнем положении, увеличение производительности сварки составляет 20-40%. Если доля швов, которые необходимо выполнять в вертикальном и потолочном положениях более 50% от общего количества швов, то производительность сварки порошковой проволокой увеличивается в два и более раза. При использовании сплошной порошковой проволоки подобная производительность может быть достигнута при сварке на форсированных режимах. Однако в этом случае растет расход углекислого газа, увеличивается количество выбросов вредных веществ в зону дыхания сварщика, растет интенсивность излучения дуги, увеличиваются затраты на вспомогательные операции и т.д. Все это не повышает, а снижает суммарный эффект от сварки на форсированном режиме. Применение порошковой проволоки позволяет решать не только проблемы повышения производительности сварки. Основным достоинством сварки порошковой проволокой является обеспечение хорошего формирования шва правильной формы с блестящей, гладкой поверхностью, малого разбрызгивания электродного металла, глубокого проплавления корня шва. При сварке порошковыми проволоками обеспечивают более высокие механические свойства металла шва (ударная вязкость, пластичность), чем при сварке сплошной проволокой. Порошковые проволоки рутилового типа находят широкое применение при изготовлении ответственных металлоконструкций, когда необходимо выполнять сварку в вертикальном или потолочном положениях, например, в судостроении. В современных рыночных условиях для производителя сварных конструкций при выборе того или иного сварочного материала, определяющим является не только технические характеристики материала, но и его стоимость. При более высокой стоимости главное преимущество порошковой проволоки в сравнении с проволокой сплошного сечения - возможность изготовить в 1,3-1,5 раза больше готовой продукции высокого качества [1]. В связи с высокой стоимостью порошковой проволоки является актуальным проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на развитие методов расчета, уточнение исходных данных, решение оптимизационных задач и, как следствие, на совершенствование технологических режимов наплавки. Для этого необходимо изучить процессы, происходящие при наплавке, установить закономерности нагрева оболочки и сердечника, выявить факторы, влияющие не неравномерность нагрева, проанализировать результаты. Разработанный программно-методический комплекс значительно упрощает выполнение этих задач. В процессе сварки порошковая проволока проходит стадии нагрева и плавления, сопровождающиеся окислением железа и легирующих элементов, разложением органических материалов, карбонатов и фторидов, комплексообразованием и пр. Развитие этих процессов в сердечнике оказывает существенное влияние на взаимодействие расплавленного металла с газами и шлаком и во многом определяет технологические показатели сварки [2]. Исследованию характера плавления порошковой проволоки посвящено значительное число работ [3-8], однако вопросы управления этим процессом изучены недостаточно. Определяющее влияние на характер плавления порошковой проволоки оказывает соотношение скоростей плавления оболочки и сердечника, которое определяется тепловым состоянием системы "оболочка-сердечник". В процессе сварки нагрев и плавление сердечника проволоки происходит за счет тепла, поглощаемого сердечником от излучения сварочной дуги Qu
и, теплопередачи от расплавленной капли металла Qk
, тепла, полученного сердечником путем теплопередачи от оболочки, нагретой протекающим по ней током, Qоб
, тепла, выделяемого в сердечнике от прохождения части сварочного тока (тока шунтирования) Qш
, тепла экзотермических реакций на плавящемся торце проволоки Qэ
. Кроме того, часть тепла Qб
уходит на охлаждение проволоки путем теплоотдачи с боковой поверхности в окружающую среду. Т. е. можно записать, что: Это тепло расходуется на нагрев и плавление компонентов сердечника: где Vc
- скорость плавления сердечника порошковой проволоки; Если Наиболее распространенные способы управления величиной отставания связаны с подбором состава наполнителя порошковой проволоки [11]. Однако для наплавочных самозащитных порошковых проволок варьирование состава ограничено необходимостью получения легированного наплавленного металла, соответствующей газошлаковой защиты и удовлетворительных технологических свойств образующегося шлака. Таким образом, наше влияние на конечный результат, определяемый выражением для Площадь оболочки S в поперечном сечении составляет обычно 2 - 5 мм2
. Расчет показывает, что и процессе сварки оболочка порошковых проволок на вылете может нагреваться до температур примерно 1000 °С В некоторых случаях отставания плавления сердечника от оболочки порошковой проволоки планируют специально, например, когда необходимо поступление легирующих составляющих в наплавленный металл в нерасплавленном состоянии. Для этого с целью ухудшения теплопередачи между сердечником и оболочкой проволоки помещают теплоизолирующую прослойку толщиной 0,1-0,2 мм с низкой теплопроводностью. В основу расчета теплового баланса нагрева вылета порошковой проволоки положена расчетная схема Н.Н. Рыкалина [13], в которой учтены некоторые особенности теплового состояния, характерные для порошковой проволоки: Электрическое сопротивление шихты сердечника намного больше сопротивления оболочки порошковой проволоки. Сварочный ток проходит в основном через оболочки проволоки, поэтому плотность тока в порошковой проволоке можно считать по сечению оболочки. При прохождении сварочного тока по порошковой проволоке все тепло выделяется в ее оболочке. Выделившееся тепло идет на нагрев оболочки проволоки, сердечника и частично теряется через боковую поверхность порошковой проволоки путем теплоотдачи в окружающую среду. Поскольку нас интересует нагрев порошковой проволоки сварочным током на вылете, а составляющие теплового баланса Qu
, Qk
, Qэ
оказывают влияние на нагрев сердечника только на заключительной стадии плавления порошковой проволоки (на участке вылета длиной 3-5 мм в области дуги), где температура сердечника приближается к температуре плавления компонентов шихты, то при расчете уравнения теплового баланса мы их учитывать не будем. Итак, выделим элементарный участок порошковой проволоки длиной где Слагаемые правой части уравнения (1.3) различаются по величине. Максимальной величиной обладает член При прохождении тока в элементе где I
- ток наплавки, А; S0
- площадь поперечного сечения оболочки порошковой проволоки, м2
. Накопление теплоты в элементе где Накопление теплоты в элементе где Накопление теплоты в элементе где Тепло, отдаваемое с боковой поверхности участка где Т0
- температура окружающей среды, °С; Р
- периметр оболочки порошковой проволоки, м. Температуры Тоб
, Связь между где Поскольку изолирующая прослойка имеет толщину 0,1-0,2мм, что на порядок ниже диаметра сердечника порошковой проволоки, то с достаточной точностью можно принять, что распределение температуры по толщине прослойки имеет линейный характер (в действительности логарифмический) и в месте контакта с шихтой сердечника прослойка имеет температуру, равную: где величина W
находится в диапазоне 0
<W
£1
. Коэффициент W=1
, если прослойка отсутствует. Тогда среднюю температуру изолирующей прослойки или, подставляя значение За исключением небольшого участка, нагреваемого с торца, сердечник можно представить в виде цилиндра бесконечной длины, нагреваемого с поверхности. Из теории переноса тепла применительно к дисперсным системам и капиллярно-пористым телам следует, что для определения температуры в произвольной точке цилиндра в момент времени t требуется решить дифференциальное уравнение теплопроводности Лапласа. Решение этого уравнения будет приведено ниже. Вся мировая индустрия средств разработки приложений движется в направлении максимального упрощения процесса создания программ, переводя его на визуальный уровень. Это позволяет программисту сосредоточиться только на логике решаемой задачи [14]. В настоящее время существует множество средств разработки программного обеспечения. Каждое средство имеет как достоинства, так и недостатки. Наиболее признанными являются VisualBasic, Delphi, VisualC++. Сравним их и выберем наиболее удобное средство разработки. Методика определения подходящего программного продукта заключалась в следующем. Сначала выбиралось несколько доступных и известных программных продуктов. В данном случае это были Delphi 5.0, VisualC++ 6.0 и VisualBasic. Каждому критерию давалось значение веса исходя из целей проектирования таким образом, что сумма весов всех критериев равнялась 1 [15]. После рассматривались критерии, которые имели параметры, каждому параметру критерия давалось значение веса таким образом, чтобы сумма их весов равнялась 1. Данные для анализа экспертной оценки были получены путем изучения специальной периодической печати: журналов "РС World", "Компьютеры + программы", по результатам были получены среднестатистические оценки характеристик средств разработки программных продуктов, представленные в таблице 1.1 Таблица 1.1 - Сравнительная характеристика средств разработки программного обеспечения Интегральная оценка для критерия вычисляется по формуле: где Iоц.К.
- интегральная оценка критерия; pi
- весовой коэффициент i-ой части критерия; Оцi
- оценка i-ой части критерия. Интегральная оценка для продукта определяется по формуле: где Iоц. пр.
- интегральная оценка продукта. Таким образом, видно, что наиболее мощным и удобным средством разработки программного обеспечения является интегрированная среда разработки Delphi. Delphi превосходит другие программные продукты по следующим важнейшим критериям: инсталляция; производительность компилятора; IDE; язык программирования; поддержка БД. Введение Наименование программного изделия - "Программно-методический комплекс для расчета температурного поля вылета порошковой проволоки". Область применения программного изделия - сварочное производство. Основание для разработки Основанием для разработки данного программного комплекса является задание на дипломную работу утвержденное приказом по академии № 07-17 от 07.02.2003 года. Наименование организации: ДГМА. Тема разработки: "Моделирование тепловых процессов при наплавке порошковой проволокой". Специальная часть: "Программно-методический комплекс для расчета температурного поля вылета порошковой проволоки". Назначение разработки Функциональное назначение программно-методического комплекса: расчет температурного поля вылета порошковой проволоки и построение графических зависимостей; расчет неравномерности нагрева; расчет плотности тока и тока наплавки; моделирование температуры оболочки; моделирование температуры сердечника; Эксплуатационное назначение - исследование тепловых процессов при наплавке порошковой проволокой, решение оптимизационных задач, совершенствование технологических режимов наплавки. Требование к программному изделию Требования к функциональным характеристикам Программно-методический комплекс должен выполнять следующие функции: обеспечивать максимально удобный и доступный ввод входной информации; осуществлять проверку корректности входных данных; обеспечивать наглядное представление выходной информации; осуществлять контроль действий пользователя; обеспечить удобство работы пользователя, а именно: пользовательский интерфейс должен быть интуитивно понятным, должны обеспечиваться различные уровни доступа к функциям. Кроме этого необходимо предусмотреть возможность расширения и совершенствования программного комплекса, возможность удовлетворения изменившихся требований, не предусмотренных при проектировании. Ввод исходных данных осуществляется пользователем путем ввода значений с клавиатуры в предназначенные для этого поля в диалоговом режиме либо выбор из ранее созданной базы данных. Результаты моделирования представляются в виде графических зависимостей и таблиц. Предусмотрена возможность сохранения результатов в отчетах. Требования к надежности. Программный комплекс должен устойчиво функционировать и не приводить к зависанию операционной системы в аварийных ситуациях, должен обеспечивать полную безопасность обработки информации по алгоритмам. В процессе диалогового ввода информации с клавиатуры программа должна осуществлять ее контроль, а также контроль действий пользователя. Программный комплекс должен гарантировать соответствие выходной информации полученным данным, также предусмотреть отсутствие искажения информации при аварийном отключении электроэнергии. Условия эксплуатации. ПМК размещается на жестком диске в виде файлов, готовых к применению при работе компьютера в среде Windows 95 и выше. Эргономические показатели должны соответствовать санитарным и техническим нормам эксплуатации ПЭВМ. Для нормального функционирования программного комплекса и обеспечения сохранности данных на различных носителях должны быть обеспечены параметры окружающей среды в следующих диапазонах: температура 10 -30°С; влажность 10 - 60%. Для обеспечения технического и программного обслуживания системы необходимо наличие в штате сотрудников системного оператора, который в случае возникновения сбоев в работе системы сможет ликвидировать неполадки. Для работы с ПМК достаточно одного работника, имеющего достаточный минимум знаний об объекте проектирования и некоторый опыт работы на персональном компьютере в среде Windows. Требования к составу и параметрам технических средств. Для нормальной работы программного комплекса необходимы следующие технические средства: процессор Pentium 166 и выше; минимум 32MBRAM; минимум 3 MB дискового пространства; дисковод; манипулятор "мышь"; монитор VGA или SVGA. Желательно наличие индивидуального принтера для распечатки полученных результатов моделирования. Требования к информационной и программной совместимости Для функционирования программного комплекса необходимо наличие операционной системы Windows 9х и выше и ВDE. Исходные коды программ должны быть разработаны в интегрированной среде разработки Delphi. Требования к программной документации. Предварительный состав программной документации установлен в соответствии с ДСТУ 3008-95. Ниже приведен список программных документов и их содержание: описание ПМК - сведения о логической структуре и функционирование ПМК; текст программы - запись программы с необходимыми комментариями; программа и методика испытаний - требования, подлежащие проверке при испытании программы, а также порядок и методы их контроля; техническое задание - настоящий документ; пояснительная записка - схема алгоритма, общее описание алгоритма и функционирования программы, а также обоснование принятых технических и технико-экономических решений. Технико-экономические показатели. Экономическим преимуществом данного ПМК является сокращение затрат на проведение дорогостоящих экспериментов. Стадии и этапы разработки Стадии и этапы разработки соответствуют ДСТУ 3008-95 и состоят из следующих разделов: анализ предметной области - описание предметной области, анализ существующих программных продуктов; математическое моделирование теплового состояния вылета порошковой проволоки; создание диаграмм потоков данных - создание контекстной диаграммы автоматизированной системы проектирования; разработка структуры программного комплекса - определение основных частей программного комплекса и взаимодействий между ними; разработка форм приложения; разработка алгоритмов обработки информации; тестирование системы на полноту и корректность выполняемых функций; совершенствование пользовательского интерфейса - создание справки, улучшение дизайна приложения, подготовка программной документации, описанной выше. Порядок контроля и приемки. Контроль программного продукта осуществляется в следующем порядке: проверка запуска программы. Программа должна не вызывать нарушений в работе других программ. Если программа не запускается, следует проверить, нет ли каких-либо сбоев в операционной системе. При обнаружении таких сбоев их следует ликвидировать и повторить запуск программы. проверка контроля вводимой информации. Подразумевает ввод в качестве исходных параметров и отслеживание реакции программы на некорректный ввод. Система должна выдавать соответствующие сообщения при некорректном вводе и предлагать повторный ввод. проверка реакции программы на различные действия пользователя. Подразумевает выполнение команд меню системы в различном порядке. проверка корректности завершения работы программы. После выхода из программы операционная система должна продолжать работать корректно. Несмотря на то, что наплавка порошковой проволокой находит широкое применение в сварочном производстве, вопросы управления этим процессом изучены недостаточно. Необходимость исследования процесса наплавки обусловлена следующими причинами: для получения качественного сварного шва очень важно уменьшить неравномерность плавления оболочки и сердечника. Для этого нужно правильно определить режимы сварки, тип и геометрические параметры порошковой проволоки; высокая стоимость порошковой проволоки требует ее оптимального использования. Поэтому нужно провести комплексные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на установление закономерности нагрева оболочки и сердечника, выявление факторов, влияющих не неравномерность нагрева, на уточнение исходных данных, решение оптимизационных задач, и, как следствие, совершенствование технологических режимов наплавки. Для этого необходимо изучить процессы, происходящие при наплавке, разработать математические модели нагрева, проанализировать результаты. Сформулируем цель исследования: улучшение технологии наплавки порошковой проволокой путем уменьшения неравномерности плавления оболочки и сердечника на основе разработки математических моделей и программных средств. Выделим основные задачи, обеспечивающие достижение цели: исследование температурного поля вылета порошковой проволоки; разработка математических моделей нагрева оболочки и сердечника; разработка программно-методического комплекса для исследования температурного поля; исследование зависимостей параметров тепловых процессов от режимов наплавки и теплофизических характеристик порошковой проволоки; анализ полученных результатов. Подставляя найденные ранее значения Из формулы (1.12) видно, что: а из модели нагрева сердечника заключаем, что: Тогда уравнение теплового баланса можно упростить. В итоге получим: Обозначим отношение массы сердечника к массе оболочки проволоки через Кс
, т.е.: а отношение массы изолирующей прослойки к массе оболочки проволоки через Kn
, т.е.: Тогда уравнение теплового баланса примет вид: где Подставляя в полученное уравнение выражение (1.10), будем иметь: Введем обозначения: Тогда уравнение можно записать в виде: Решение полученного дифференциального уравнения проведем методом разделения переменных. Имеем: Интегрируя это выражение, получим: Используя обозначение Соб
=В/А
, окончательно получим: Это и есть математическая модель нагрева оболочки порошковой проволоки. Положив начальную температуру Т0
=0
, будем иметь: Поскольку: где то Если потерями тепла с боковой поверхности порошковой ленты пренебречь, то коэффициенты А
и Соб
будут такими: Если, кроме того, используется порошковая проволока без изолирующей прослойки, то коэффициент А
будет вычисляться следующим образом: Из уравнения (2.5) можно найти плотность тока: Для решения уравнения (1.3) с подстановками формул (1.4) - (1.9) необходимо знать зависимость температуры сердечника Для установления такой зависимости необходимо решить дифференциальное уравнение теплопроводности Лапласа: где Следовательно имеем систему двух дифференциальных уравнений (1.3), (2.7) с двумя неизвестными функциями времени Тоб
и Тс
. Решение данной системы упрощается вследствие того, что по экспериментальным данным известен закон изменения температуры Тоб
на вылете: где длина вылета, м; Зависимость (2.8) будет задавать краевые условия для дифференциального уравнения (2.7). Введем цилиндрическую систему координат, началом отсчета в которой является токоподвод, осью аппликат - ось порошковой проволоки, ее положительное направление совпадает с направлением подачи проволоки. Выбор нуля полярного радиуса несущественен. Оператор Лапласа в этой системе координат примет вид: Для элементарного участка длиной Таким образом, для сердечника порошковой проволоки уравнение теплопроводности (2.7) в цилиндрических координатах будет иметь вид: где Необходимо найти решение дифференциального уравнения (2.9) при следующих краевых условиях: где В формуле (2.11) 2R -
это диаметр сердечника порошковой проволоки. Формула (2.12) задает условие ограниченности температуры сердечника. Формула (2.13) задает условие симметричности, которое означает, что теплообмен между поверхностями сердечника и оболочки проволоки происходит со всех сторон одинаково. Это условие отражает тот факт, что форма сердечника представляет собой прямой круговой цилиндр и что температура нагрева не зависит от полярного угла, а изотермами сердечника являются поверхности вращения. Для решения уравнения (2.9) используем новые переменные-безразмерные критерии: безразмерное время нагрева или критерий Фурье: безразмерная скорость нагрева или критерий Предводителева: относительный радиус: относительная безразмерная температура нагрева сердечника: Подстановка этих переменных в уравнение (2.9) с соответствующими краевыми условиями (2.10) - (2.13) приводит к уравнению: с краевыми условиями Представим функцию Функции Для нахождения общего решения где Подстановка (2.23) в уравнение (2.18) дает: От уравнения в частных производных можно перейти к обыкновенному дифференциальному уравнению: Откуда получим или Уравнение (2.24) представляет собой известное в математической физике уравнение Бесселя [17], решение которого представляется специальными функциями: где Используя краевые условия (2.20), (2.21), найдем постоянные коэффициенты Подставляя Поскольку Тогда Используя условие (2.20), имеем Подставляя полученные значения Частное решение уравнения (2.18) будем искать в виде ряда Фурье: гдеAn
=
Bn
×
I0
(
m
n
×
h),
Bn
- постоянные коэффициенты; I0
-функция Бесселя первого рода нулевого порядка; m
n
-корень характеристического уравнения I0
(
m
n
) =0
. Значения корней m
n
для n
=1…40 вычислены с большой точностью и сведены в таблицы [18]. Функция I0
(
h)
протабулирована [18, 19]. Из уравнения (2.22) имеем: Тогда начальное условие (2.18) для функции V (0,
h)
будет таким: А выражение (2.27) при F0
=0
примет вид: Коэффициент В
n
ряда Фурье (2.27) находится по формуле где I1
- функция Бесселя первого рода первого порядка. Подставим выражение для V (0,
h) (
формула (2.28)) в формулу (2.30) и получим: или При интегрировании воспользуемся известными интегралами Бесселя [19]: Итак, будем иметь: Подставляя полученные значения интегралов (2.33), (2.34) в выражение (2.31) для Тогда для коэффициента а частное решение (2.27) будет иметь вид: Подставляя значение Это выражение позволяет рассчитать относительную безразмерную температуру в любой точке сердечника порошковой проволоки, находящейся на вылете. 1. Выполним анализ решения уравнения (2.36). 1 Общее решение уравнения теплопроводности: пропорционально безразмерной температуре оболочки, т.е. граничному условию (2.20). Это слагаемое можно назвать регулярной составляющей безразмерной температуры 2. Частное решение уравнения теплопроводности: отражает внутреннее тепловое состояние сердечника перед началом нагрева, т.е. начальное условие (2.19). Это слагаемое можно назвать нерегулярной составляющей безразмерной температуры 3. Слагаемые 4. На оси порошковой проволоки, т.е. при Из (2.37) следует, что температура нагрева оси проволоки обладает двумя характеристиками: она минимальна в данном элементарном участке, т.к она наиболее зависит от Пользуясь формулой (2.38) можно, задаваясь скоростью нагрева (т.е. числом Числовые значения членов ряда в выражении (2.39) быстро уменьшаются с возрастанием номера члена, так как при этом возрастает значение m
n
.
Поскольку ряд знакопеременный, то он быстро сходится. Кроме того, для больших значений критерия Фурье F0
ряд сходится быстрее, чем для малых. Уже при F0
= 0,2 каждый последующий член ряда составляет не более 2-3% предыдущего. Поэтому можно учитывать лишь первый член этого ряда. Тогда от неравенства (2.39) можем перейти к выражению: Из соотношения (2.40) найдем значение F0
. Имеем: Откуда: Произведем расчет критерия F0
для Поскольку Таким образом, при возрастании скорости нагрева время перехода в регулярный режим несколько замедляется, оставаясь в пределах 0,22 - 0,26 для применяемых на практике режимов наплавки. Следовательно, при F0
³
0.25 неравномерность нагрева оболочки и сердечника полностью определяется скоростью нагрева. При F0
³ 0.25 формулы (2.36) можно упростить: Средняя безразмерная температура вычисляется по формуле: Исходя из формулы (2.17), температуру любой точки сердечника порошковой проволоки можно определить по формуле: Тогда, пользуясь формулами (2.42), (2.43), можно вычислить температуру в любой точке сердечника Тс
и среднюю температуру Или Поскольку Введем новую переменную: Тогда формула для расчета средней объемной температуры сердечника порошковой проволоки примет вид: Совместное решение уравнений (2.1) и (2.15) позволяет находить среднюю температуру сердечника по формуле: или Если известны температура оболочки Тоб
и средняя температура сердечника Одним из перспективных способов увеличения производительности и улучшения качества наплавки является дополнительный подогрев. В литературе имеется достаточно сведений по вопросу применения предварительного подогрева для сварки и наплавки проволокой сплошного сечения в СО2
, инертных газах, под флюсом. Однако, вопрос использования предварительного подогрева для случая наплавки порошковой проволокой проработан недостаточно. Дополнительный подогрев можно осуществлять двумя способами: увеличением вылета; нагревом порошковой проволоки от отдельного источника на участке, расположенном выше или ниже токоподвода тока наплавки. Способ наплавки с увеличенным вылетом, как отмечено выше, не исчерпывает всех резервов повышения производительности и улучшения качества наплавки порошковой проволокой. Предварительный подогрев от отдельного источника питания на участке, расположенном выше токоподвода, позволяет существенно снизить расход дорогостоящего наплавленного металла и повысить качество наплавленного слоя. Предварительные эксперименты и анализ литературных данных [20, 21] показали, что в этом случае имеет место перераспределение тепла, затрачиваемого на нагрев и плавление основного и электродного металла. При обычном дуговом способе наплавки источником нагрева и плавления основного и электродного металла является дуга [21]. При этом доля тепла, затрачиваемая на нагрев соответственно основного металла и электрода равна: где W
- тепловая мощность; I
- ток наплавки; U
- напряжение дуги; h
- к. п. д. нагрева. Для увеличения производительности наплавки, т.е. Wэ
, необходимо увеличивать мощность дуги, что неизбежно приведет к повышению тепловложения в основной металл. Известно [22], что при повышении тока возрастает объем жидкой ванны. Следовательно, увеличивается опасность прожогов и стекания жидкого металла. Приходится ограничивать диапазон размеров (нижнюю границу) наплавляемого изделия. Кроме того, повышение тепловложения в основной металл приводит к увеличению доли его в наплавленном металле. Это приводит к перерасходу легирующих элементов и снижению качества наплавки за счет перехода вредных примесей из основного металла в металл наплавки [22]. При наплавке с подогревом можно избежать этих недостатков. Сущность перераспределения тепла заключается в том, что к части тепловой мощности дуги, расходуемой на нагрев и плавление электрода, добавляется мощность источника подогрева. При этом тепловложение в основной металл не изменяется, а производительность наплавки резко возрастает. Вследствие этого удается добиться меньшей доли основного металла в металле наплавки. Дополнительный подогрев расширяет диапазон рабочих напряжений, как в сторону меньших, так и в сторону больших значений. Это вызвано тем, что: подогрев оболочки проволоки облегчает условия образования и переноса электродных капель, при этом стабильность процесса не нарушается при изменении разрядного промежутка; интенсификация нагрева сердечника способствует более полному разложению газообразующих компонентов на ранней стадии и, тем самым, обеспечивается надежная зашита металла капли и ванны при удлинении дуги. Это особенно важно при наплавке крупных деталей с их предварительным подогревом, когда жидкая сварочная ванна имеет большие размеры. Обычно порошковую проволоку перед наплавкой подвергают прокалке для удаления смазки, т.е. источника водорода. Однако, органические вещества при этом полностью не удаляются, поскольку температура прокалки не превышает 270-300°С. Кроме того, в промышленных условиях трудно обеспечить использование проволоки для наплавки непосредственно после прокалки. Поэтому сердечник снова насыщается влагой, которая является источником водорода, что служит причиной образования газовых пор в наплавленном металле. При использовании дополнительного подогрева прокалка осуществляется непосредственно перед поступлением проволоки в зону плавления. При этом возможно использование высокотемпературной прокалки (более 700-800°С), что позволяет полностью удалить органическую смазку с поверхности оболочки проволоки без увеличения окисления легирующих элементов шихты за счет малого времени нагрева. Анализ теплового состояния вылета подогреваемой порошковой поволоки представляет несомненный интерес, так как он должен помочь наметить пути управления технологическими характеристиками процесса наплавки порошковой проволокой. Участок подогрева обладает определенным электрическим сопротивлением. При прохождении тока через это сопротивление на нем будет выделяться теплота. Мощность тепловыделения можно вычислить по закону Джоуля-Ленца: где W
- тепловая мощность, Вт; I
- ток наплавки, А; R
- сопротивление участка, Ом. Электротермические процессы на участке подогрева имеют ту же физическую сущность, что и процессы при наплавке с удлиненным вылетом. Следовательно, они описываются одинаковыми уравнениями.Т. е. температура оболочки порошковой проволоки распределена по участку подогрева следующим образом: где l
- расстояние от данного элементарного участка до токоподвода тока нагрева; n
- скорость подачи проволоки; Соб
- коэффициент, рассчитанный выше; А
- коэффициент, рассчитанный выше; Т0
- температура окружающей среды. Сопротивление элементарного участка оболочки порошковой проволоки dl
будет равно: Для упрощения расчетов положим, что Т0
=0
и не будем учитывать потери тепла боковой поверхностью порошковой проволоки. Тогда коэффициент Соб
вычисляется по формуле: Соб
= 1/
b
. Подставляя значение Тоб
из (2.48), с учетом допущений получим: Чтобы получить величину сопротивления участка подогрева вылета длиной Lн
, нужно проинтегрировать выражение (2.49) в пределах от 0
до Lн
. Имеем: Мы получили зависимость сопротивления участка нагрева оболочки порошковой проволоки от n,
L
н
и A
, который, в свою очередь, зависит от плотности тока нагрева. Используя правило Лопиталя, упростим выражение (2.50). Имеем: После упрощения получим Учитывая, что: это относительная безразмерная температура оболочки порошковой проволоки, то: где Тогда: Нами получена формула для расчета сопротивления участка подогрева оболочки порошковой проволоки по технологическим данным: L
н
и безразмерной температуре подогрева: Зная L
н
и скорость подачи (плавления) проволоки n
можно вычислить ток подогрева Iн
из условия равенства тепловой и электрической мощностей. Мощность, выделенная на участке подогрева оболочкой, равна мощности, поглощенной порошковой проволокой. Это условие можно записать так: Подставляя в это уравнение Rн
из (2.52), получим: Откуда можно найти скорость подачи проволоки: или плотность тока подогрева: Можно сделать также расчет параметров подогрева и источника подогрева по заданным величинам: n,
Tоб
=
Tн
, неравномерности нагрева сердечника и оболочки проволоки m
, физическим свойствам порошковой проволоки (с0
, сс
, Кс
,
b,
r0
,
g0
). Этап 1. По формуле (2.53) вычислить Qн
, а также величины: где сп
- приведенная теплоемкость порошковой проволоки; М
- характеристика теплопроводности сердечника порошковой проволоки. Этап 2. Задаваясь начальным значением Lн
, определить jн
, а затем рассчитать Этап 3. По заданной температуре Qн
, рассчитанному коэффициенту А
и полученному Pd
н
определить необходимое время нагрева: Этап 4. Рассчитать длину участка нагрева: Этап 5. Этапы 2 - 4 повторять до совпадения полученных на этапах 2 и 4 длин участка подогрева Lн
. Этап 6. Рассчитать Rн
, по формуле (2.52). Этап 7. По величинам Rн
, и Iн
рассчитать параметры источника подогрева: падение напряжения на участке подогрева рабочее напряжение где Uk
- падение напряжения на подвижном контакте; рабочую мощность источника подогрева Выполним анализ теплового состояния сердечника подогреваемой порошковой проволоки. Поставим задачу в общем виде. Заданы параметры подогрева и ток наплавки. Необходимо определить температуру в любой точке сердечника на любом участке вылета порошковой проволоки. Имеем где tн
- время подогрева; tв
- общее время нагрева вылета порошковой проволоки. Требуется найти температуру сердечника Тс
(
t,
r).
Решение выполним в безразмерных критериях (2.14) - (2.17). Уравнение теплопроводности примет вид (2.18). Решение этого уравнения на участке подогрева t
Î [0,
tн
] (
т.е. F0
Î [0,
F0н
])
проводится аналогично решению для удлиненного вылета. В итоге получим: Теперь на вылете меняются краевые условия. Начальная температура сердечника порошковой проволоки будет равна: Граничные условия будут иметь вид: Решение уравнения (2.18) с краевыми условиями (2.61) - (2.64) будем искать в виде: Общее решение Подстановка функции (2.66) в уравнение (2.18) дает: Откуда получим: Уравнение (2.67) аналогично уравнению (2.24). Следовательно, его решением будет функция f (
h),
удовлетворяющая граничному условию (2.62) и условию ограниченности (2.63), которая запишется в виде: Тогда общее решение уравнения теплопроводности (2.18) с краевыми условиями (2.61) - (2.64) примет вид: Частное решение уравнения (2.18) будем искать в виде: где Используя начальные условия (2.61), подставим его в (2.70) и получим: Поскольку отыскивается n
-ый коэффициент разложения в бесконечный ряд, формулу (2.71) можно представить в виде: Найдем в выражении (2.72) значение интеграла. Получим: Найдем каждый интеграл из суммы (2.73), пользуясь формулами (2.32) Аналогично вычисляем второй интеграл суммы (2.73): Для третьего интеграла имеем: Учитывая, что: получим: Подставляя последнее выражение в формулу (2.76), получим: Итак, формула (2.72) для расчета коэффициента В
n
принимает вид: Подставляя (2.78) в формулу для расчета частного решения V (
F0
,
h),
получим: Окончательно имеем: Тогда формула (2.65) для расчета безразмерной температуры сердечника подогреваемой порошковой проволоки с учетом (2.69) примет вид: Из уравнения (2.80) видно, что при двухстадийном нагреве порошковой проволоки появляется новая нестационарность (второе слагаемое в выражении (2.80)), связанная с нерегулярными процессами на второй стадии нагрева. При этом вид исходной нерегулярной составляющей (третье слагаемое выражения (2.80)) не изменяется, оно продолжает уменьшаться с течением времени. Нерегулярность второй стадии нагрева весьма мала, особенно при Рdв
»Pdн
или Pdн
<<
m1
2
. В этом случае ее можно опустить без ущерба для точности вычислений. Очевидно, для достижения равномерности нагрева оболочки и сердечника необходимо принять Pdв
близким к нулю, т.е. положить скорость нагрева оболочки порошковой проволоки на не свободном вылете практически равной нулю. Для выравнивания нагрева сердечника по сечению порошковой проволоки необходимо достаточное время нагрева на вылете. При Pdв
=0
формула (2.80) примет вид: Учитывая, что: это безразмерная температура подогрева сердечника порошковой проволоки, формулу (2.81) можно представить в виде: Последние два слагаемые подобны и различаются лишь коэффициентами и Используя зависимости (2.82) можно предложить следующую схему наплавки подогреваемой на вылете порошковой проволокой: очень быстрый нагрев на первой стадии и выдержка, т.е. малая величина сварочного тока с увеличенным вылетом, на второй стадии. Полагая в формуле (2.67) Pdн
=
¥,
из конечности Qн
следует, что F0н
=0
. Тогда Выражение Расчеты по формуле (2.83) показывают, что неравномерность нагрева оболочки и сердечника становится незначительной (менее 5%) уже при F0
³0,6
. Итак, задача расчета температуры в любой точке сердечника подогреваемой порошковой проволоки решена. Предложен также метод подогрева, создающий наибольший тепловой напор в системе "оболочка-сердечник" и приводящий к скорейшему выравниванию температур в оболочке и сердечнике порошковой проволоки. При проектировании логической структуры программного комплекса он рассматривается как система в различных аспектах. За каждым из аспектов стоит некоторая методика описания. Чаще всего она является диаграммной методикой, так как диаграмма легка для восприятия и не обладает той избыточностью, которая есть у текстового описания, хотя некоторые пояснения к диаграммам необходимы [23]. Для разработки логической модели был использован унифицированный язык моделирование - UML. UML- это язык визуального моделирования для решения задач общего характера, который используется при определении, визуализации, конструировании и документировании программной системы. UML позволяет отображать и статическую структуру, и динамическое поведение системы. Система моделируется как группа дискретных объектов, которые взаимодействуют друг с другом таким образом, чтобы удовлетворить требованиям пользователя. В статической структуре задаются типы объектов, значимые для системы и ее реализации, а также отношения между этими объектами. Динамическое поведение определяет историю объектов и их взаимодействие для достижения конечной цели. Наиболее полного и разностороннего понимания системы можно достичь при моделировании с различных, но взаимосвязанных точек зрения [24]. При разработке программно-методического комплекса были использованы следующие виды диаграмм: диаграмма потоков данных (DFD- DataFlowDiagrams) является основным свойством моделирования функциональных требований проектируемой системы; STD-диаграмма предназначена для моделирования и документирования реакций системы при ее функционировании во времени. диаграмма компонентов - изображает представление реализации; диаграмма использования - описывает функционирование системы с точки зрения ее пользователей. В процессе работы программного комплекса в нем производится постоянный обмен данными между его модулями. Для того, чтобы специфицировать процесс передачи и качественное содержание данных, необходимо разработать диаграмму потоков данных (DFD) для разрабатываемого программного продукта. Разработка информационной модели, представленной в виде DFD-диаграммы, включает в себя следующие этапы: разработка процессов системы; направление потоков, несущих в себе определенную информацию; обоснование выбора диаграммы для представления информации; описание функций, которые выполняют управляющие процессы, влияющие на работу системы; описание управляющих потоков (какую информацию каждый из потоков несет в себе). Диаграмма потоков данных является основным свойством моделирования функциональных требований проектируемой системы [25]. Логическая DFD показывает внешние по отношению к системе источники и стоки, (адресаты) данных, идентифицирует логические функции (процессы) и группы элементов данных, связывающих одну функцию с другими (потоки), идентифицирует хранилища (накопители) данных. Важную роль в модели играет специальный вид DFD - контекстная диаграмма. Она моделирует систему наиболее общим образом. Контекстная диаграмма идентифицирует внешние сущности, а также, как правило, единственный процесс, отражающий главную цель или природу системы. Внешние сущности, процессы и потоки данных описаны в таблицах 3.1, 3.2, 3.3 соответственно. Контекстная диаграмма потоков данных представлена на рисунке 3.1 Таблица 3.1 - Внешние сущности контекстной диаграммы Таблица 3.2 - Процессы контекстной диаграммы Таблица 3.3 - Потоки, представленные на контекстной диаграмме Каждая логическая функция (процесс) может быть детализирована с помощью DFD нижнего уровня. DFD первого уровня строится как декомпозиция процесса контекстной диаграммы. Детализирующая диаграмма более подробно описывает процессы и потоки данных разрабатываемой или существующей системы. Внешние сущности отсутствуют на детализирующей диаграмме, потоки данных эквивалентны потокам данных представленных на контекстной диаграмме. Детализация процесса "Рассчитать" приведена на рисунке 3.2 Основной процесс разделен на ряд подпроцессов со своими функциями. Процессы описаны в таблице 3.4 Таблица 3.4 - Процессы детализирующей диаграммы При своей работе разрабатываемый комплекс находится в том или ином состоянии, что определяет то или иное действие, доступное пользователю в конкретный момент работы приложения. Для представления взаимосвязи состояний системы, а также для определения условий, при которых происходит смена состояний системы, используются диаграммы переходов состояний (STD-диаграммы). STD предназначена для моделирования и документирования реакций системы при ее функционировании во времени. Такие диаграммы позволяют осуществлять декомпозицию управляющих процессов в системе. STD моделирует последующее функционирование системы на основе ее предыдущего и настоящего функционирования [26]. STD-диаграмма представлена на рисунке 3.5 На диаграмме переходов состояний переход определяет перемещение системы из одного состояния в другое. Имя перехода идентифицирует событие, которое является причиной перехода. Система начинает функционировать из начального состояния. При этом при каждом запуске приложения производится процесс инициализации в результате которого производится автоматическая настройка системы на работу в заданной предметной области. После окончания процесса инициализации начальных данных система попадает в "Основное состояние". Когда система находится в этом состоянии, пользователь имеет возможность перейти в любое из следующих состояний: работа с базой данных; редактирование данных для расчета безразмерных критериев; редактирование данных для расчета температурного поля при наплавке без подогрева; редактирование данных для расчета температурного поля при наплавке с подогревом; выход из программы. После редактирования данных происходит переход в состояние "Расчет", в котором производится расчет температурного поля и параметров порошковой проволоки. Для получения отчета программный комплекс переходит в состояние "Сформировать отчет". Команда "Выход" возвращает комплекс в "Основное состояние". При поступлении команды "Выход" из основного состояния происходит освобождение памяти и выгружается программный комплекс. Физическое представление отражает структуру реализации программного приложения, включая разбиение программы на компоненты и развертывание ее на аппаратных узлах. Существует два физических представления: представление реализации и представление развертывания. Представление реализации показывает, какие компоненты есть в данной системе и какие между ними существуют зависимости, описывает физическое разбиение частей системы на заменяемые блоки, которые называются компонентами. Представление реализации изображается на диаграмме компонентов. Компонентами системы называются отдельные программные блоки, из которых состоит вся система. Понимание зависимостей между компонентами дает возможность отслеживать на модели результаты изменений в отдельных компонентах. Компонент - это физический элемент реализации c четко определенным интерфейсом, предназначенный для использования в качестве заменяемой части системы. Для компонента определены интерфейсы, которые он представляет, и интерфейсы, которые он использует в своей работе и которые предоставляются другими компонентами. Интерфейс - это список операций, обеспечиваемый программным или аппаратным обеспечением. Диаграммы компонентов изображают зависимости между ними. Диаграмма компонентов программного комплекса приведена на рисунке 3.5 На диаграмме изображен один актер - пользователь, интерфейсы и два компонента Report и DB Для работы с комплексом пользователю требуется доступ к любому из трех интерфейсов: интерфейс для расчета безразмерных критериев; интерфейс для расчета температурного поля при наплавке без подогрева; интерфейс для расчета температурного поля при наплавке с подогревом; В свою очередь, для работы эти интерфейсы требуют доступ к компонентам Report и DB Рисунок 3.5 - Диаграмма компонентов программного комплекса Описывает функционирование системы с точки зрения ее пользователей. Назначение представления вариантов использования - выявить всех актантов системы и все варианты ее использования, а также указать, какие актанты в каких вариантах использования фигурируют. Вариантом использования называется блок внешне наблюдаемой деятельности системы (то есть последовательность сообщений между системой и одним или несколькими актантами). Вариант использования описывает некоторую часть поведения системы, не вдаваясь при этом в особенности ее внутренней структуры. Вариант использования определяет все виды поведения системы: основные последовательности, различные варианты стандартного и нестандартного поведения, исключительные ситуации, включая ответные реакции на них. В процессе проектирования каждый вариант использования моделируется независимо от остальных. Описание варианта использования передается в языке UML диаграммами состояний, диаграммами последовательности, диаграммами кооперации или в виде текста. Диаграмма использования программного комплекса приведена на рисунке 3.7. На диаграмме изображен один актант - пользователь и следующие варианты использования: рассчитать безразмерные критерии; рассчитать температурное поле при наплавке без подогрева; рассчитать температурное поле при наплавке с подогревом; работать с отчетами; модифицировать базу. Вариант использования "рассчитать температурное поле при наплавке без подогрева" включает в себя еще три варианта: расчет температуры; расчет режимов наплавки; моделирование параметров. Вариант использования "рассчитать температурное поле при наплавке с подогревом" включает в себя следующие варианты: расчет температурного поля; расчет параметров подогрева. Структура программно-методического комплекса представлена на рисунке 3.8. Общая структура программно-методического комплекса содержит модуль интерфейса пользователя и рабочие модули. Модуль интерфейса пользователя включает меню приложения; с его помощью происходит вызов рабочих модулей и осуществляется работа с базой данных. Рабочие модули комплекса по выполняемым функциям делятся на две части: функциональную и системную. Системные модули выполняют все функции, связанные с операционной системой. Они отвечают за работу с файлами, вызов справки, обработку исключительных ситуаций. Сюда относят: модуль открытия отчета. Позволяет открыть созданный ранее отчет для просмотра и печати; модуль сохранения отчета. Позволяет сохранить сформированный отчет для дальнейшего использования; модуль печати отчета. Позволяет распечатать отчет на принтере; модуль настройки параметров принтера. Позволяет установить необходимые параметры печати; модуль просмотра отчета. Позволяет просмотреть отчет перед печатью; модуль обработки исключительных ситуаций. Проверяет корректность вводимых пользователем данных; модуль вызова справки. Позволяет получить справку по интересующему разделу; выход. Осуществляется выход из программы. Функциональные модули выполняют основные функции, необходимые для решения поставленной задачи. Сюда относятся следующие модули: модуль ввода исходных данных. Осуществляет ввод исходных данных, а также выбор данных из базы; модуль расчета. Содержит процедуры и функции, позволяющие рассчитать все необходимые параметры: температурное поле, параметры порошковой проволоки, режимы сварки; модуль построения графиков. Предназначен для визуализации рассчитанных данных путем построения графических зависимостей; модуль формирования отчетов. Позволяет сформировать отчет в удобном для пользователя виде с возможностью последующего сохранения и распечатки. Более подробно модуль расчета, модуль построения графиков и модуль формирования отчетов будут рассмотрены в специальной части. Отдельно выделяется база данных и модуль для работы с базой данных. Этот модуль позволяет добавлять, удалять и модифицировать записи в базе. Информационное обеспечение - это та информация, которая необходима для работы программного комплекса, и информация, которую мы получаем в результате его работы. Для расчетов, выполняемых комплексом, нужны следующие данные: теплофизические параметры порошковой проволоки; информация о режимах сварки и окружающей среде; функции Бесселя. Теплофизические параметры порошковой проволоки хранятся в базе данных, которая содержит используемые на практике материалы оболочки и их свойства. Файл базы данных находится в каталоге Table, имя файла - Material_obol. db. Структура таблицы базы данных приведена в таблице 3.6. Таблица 3.6 - Структура таблицы базы данных Такой способ хранения информации позволяет быстро и легко ввести данные, добавить, удалить материал. Кроме этого вводится следующая информация: толщина оболочки, м; удельная теплоемкость сердечника, Дж/ (кг*0
С); коэффициент теплопроводности сердечника, Дж/м*с*0
С; масса сердечника / массу оболочки; коэффициент прослойки; удельная теплоемкость прослойки, Дж/ (кг*0
С); масса прослойки/ массу оболочки; температура окружающей среды, 0
С; диаметр проволоки, м; плотность тока, А/м2
; неравномерность нагрева. Функции Бесселя не задаются как элементарные функции, но они протабулированы с большой точностью и сведены в таблицы. Эти таблицы находятся в отдельном модуле (Bessel), который при необходимости подключается. В ходе работы программы рассчитанные значения хранятся в памяти компьютера и передаются для визуального отображения на экран. Программный комплекс предусматривает построение следующих зависимостей: распределение безразмерной температуры по диаметру в зависимости от безразмерного времени нагрева; распределение безразмерной температуры по диаметру в зависимости от безразмерной скорости нагрева; зависимость безразмерной температуры от безразмерного времени нагрева; зависимость безразмерной температуры от безразмерной скорости нагрева; зависимость температуры оболочки от времени; зависимость средней температуры сердечника от времени; зависимость средней температуры прослойки от времени; зависимость температуры сердечника от температуры оболочки; распределение температуры по диаметру сердечника; распределение безразмерной температуры по диаметру в зависимости от безразмерного времени нагрева при наплавке с предварительным подогревом; распределение безразмерной температуры по диаметру в зависимости от безразмерной скорости нагрева при наплавке с предварительным подогревом; При желании выходную информацию можно включить в отчет. Он представляет собой лист формата А4, содержащий исходные данные, результаты расчета, графические зависимости. Отчеты хранятся в файлах с расширением *. qrp. Программный комплекс позволяет выполнять различные действия с отчетами (сохранять, открывать, просматривать, печатать) - пункт меню "Отчеты" или соответствующая кнопка на панели управления. Техническое обеспечение - совокупность аппаратных средств, включающая устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства [27]. В состав (базовую конфигурацию) персональной ЭВМ входят: один или несколько микропроцессоров; запоминающее устройство - оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) для кратковременного и долговременного хранения информации соответственно; привод CD-ROM; клавиатура для ввода данных и команд в машину; дисплей для воспроизведения вводимой и выводимой информации; микропроцессорные контроллеры. Базовые конфигурации ЭВМ в зависимости от назначения и требований, выдвигаемых со стороны пользователей, дополняются внешними запоминающими устройствами на гибких или жестких магнитных дисках, малогабаритным печатающим устройством, средствами для облегчения диалога "человек - ЭВМ", например, "мышь", "джойстик" и др. [28] Основными характеристиками микропроцессора являются: фирма-изготовитель; напряжение питания; корпус. Основными производителями микропроцессоров являются компании Intel, AMD, Cyrix, IBM [29]. Внешние запоминающие устройства выполняют функции носителей программного обеспечения и баз данных. В качестве внешних запоминающих устройств в ЭВМ используются: устройства для записи компакт-дисков; накопители на гибких магнитных дисках. Внешние устройства ЭВМ по функциональному назначению могут быть условно разделены на следующие классы: устройства ручного ввода и оперативного управления; печатающие устройства, представленные различными типами принтеров. Основным устройством для ручного ввода текстовой, числовой и управляющей информации в ЭВМ является клавиатура. Клавиатура для ЭВМ имеет несколько групп клавиш: алфавитно-цифровую, предназначенную для ввода чисел и символов; функциональную, которая может использоваться операционной системой или пользователем для формирования программируемого набора управляющих функций; служебную, имеющую двойное назначение; в нижнем регистре с ее помощью набираются числа, а в верхнем эти клавиши управляют движением курсора. Привод компакт-дисков требуется для нормальной работы операционной системы, так как в настоящее время все больше программного обеспечения поставляется на компакт-дисках. Качество изображения (текст и графика) зависит от выбранного монитора. Монитор 14 дюймов годится только на крайний случай, если финансовое положение не позволяет приобрести лучший. Оптимальным вариантом является пятнадцатидюймовый монитор. Чтобы обеспечить подавление мерцания, быструю перерисовку экрана, высокое разрешение и хорошую цветопередачу, рекомендуется подключать монитор через шину PCI или AJP и использовать видеоакселератор с минимальным объемом ОЗУ 2 МБ. После выполнения программы результаты передаются из оперативной памяти на устройства вывода: матричный, струйный или лазерный принтер. Главным показателем принтеров являются качество и скорость печати, а также габаритные размеры и стоимость. Матричные принтеры обычно при работе создают шум, качество печати не всегда удовлетворительно, однако стоимость даже хорошего матричного принтера гораздо ниже, чем струйного или лазерного. Струйные принтеры имеют небольшие габаритные размеры, работают бесшумно, обеспечивают хорошее качество печати, в том числе с несколькими уровнями яркости. Текстовое или графическое изображение формируется с помощью управляемых струй чернил одного или нескольких цветов. Лазерные принтеры дают наилучшее качество печатного листа, но вместе с тем имеют и наибольшую стоимость [30]. Конкретные области применения требуют своего набора внешнего оборудования. Комплектование ЭВМ различными устройствами ввода-вывода графической информации во многом определяют возможности их профессиональной ориентации. Технические средства призваны обеспечить: возможность оптимального взаимодействия оператора с ЭВМ; производительность, необходимую для решения задачи проектирования; быстродействие; возможность получения твердых копий текстовой и графической документации; простоту освоения, эксплуатации и технического обслуживания. Исходя из перечисленных требований, в состав технических средств для эксплуатации данного программного комплекса необходимо включить: процессор Pentium 166 и выше; минимум 32MBRAM; дисковод для трехдюймовых дискет; двухкнопочный манипулятор “мышь”; PC-AT совместимую клавиатуру; монитор SVGA; привод CD-ROM; струйный принтер (желательно). Привод CD-ROM в состав технических средств для эксплуатации данного программно-методического комплекса необходимо включить т.к операционная система и средство разработки, под которыми будет функционировать данный ПМК, устанавливаются с компакт-диска. Принтер необходим для получения твердых копий отчетов. Программное обеспечение САПР - совокупность программ, представленных в заданной форме, вместе с необходимой программной документацией [31], предназначенная для использования в САПР. Программное обеспечение делится на: общесистемное; базовое; прикладное. К общесистемному программному обеспечению относят операционные системы. Операционная система - организованный набор системных программ и данных, управляющих ЭВМ и выполнением программ пользователя. Операционные системы обеспечивают поддержку работы всех программ и их взаимодействие с аппаратурой, а также предоставляют пользователю возможности общего управления ЭВМ. Среди основных функций операционной системы можно выделить следующие: управление ресурсами ЭВМ и выполнением программ; обеспечение ввода-вывода информации; организацию хранения информации во внешней памяти; выполнение работ, связанных с обслуживанием внешних устройств [32]. Для обеспечения оптимального режима работы разработанного программного комплекса необходимо, чтобы на ЭВМ была установлена линия операционных систем Windows 9х и выше. Эти операционные системы являются многозадачными, то есть позволяют одновременно выполнять работы в нескольких приложениях, что очень важно для данного проекта. При разработке программного обеспечения его разделение на модули происходит по функциональному признаку, что способствует минимизации числа межмодульных связей и, следовательно, уменьшению сложности разрабатываемого программного комплекса. Адекватность языка программирования решаемой задаче определяется близостью данных и операций, имеющихся в языке, к данным и операциям, имеющимся в предметной области, из которой взята задача. Процесс программирования в большей части представляет собой моделирование структуры данных (типов данных и операций), необходимое для решения задачи с помощью имеющихся в языке программирования базовой структуры данных и средств расширения системы понятий языка. Другими словами, процесс программирования можно рассматривать как процесс описания типов данных и операций над ними, а также исходных данных и порядок применения к ним операций. Языки программирования очень сильно различаются не только по структурам данных, но и по имеющимся в них средствам описания структур данных. С точки зрения теории алгоритмов добавление к универсальному языку программирования новых средств описания структур данных не изменяет мощности языка. Однако для практики программирования важно, насколько легко можно описать алгоритм, используя данный язык. Интегрированная среда разработки Delphi является универсальной, так как дает возможность реализовывать сложные математические модели, позволяет работать с символьными и строковыми данными, имеет средства описания новых типов, процедур и функций [33]. Таким образом, для эксплуатации и расширения данного программного комплекса необходимо программное обеспечение в следующем составе: операционная система Windows 9х или выше; Delphi версии 5.0. Такой состав программного обеспечения является оптимальным и позволит работать с комплексом наиболее эффективно и полностью раскроет возможности и преимущества разработанного интерфейса. Минимальная конфигурация программного обеспечения включает: операционная система Windows 98; Delphi версии 5.0. Под модулем при описании структуры проекта может подразумеваться не только отдельная подпрограмма, но и отдельные процедуры или группы процедур, объединенные общим функциональным назначением. Наибольший интерес представляют следующие функциональные модули: модуль расчета (Calculator. pas); модуль построения графиков (Grafiks. pas); модуль формирования отчетов (Create_Report. pas). Этот модуль предназначен для расчета температурного поля, режимов наплавки, теплофизических и геометрических параметров порошковой проволоки. Структура модуля приведена на рисунке 4.1 Рисунок 4.1 - Структура модуля расчета Модуль содержит следующие процедуры и функции: функция, описывающая зависимость средней безразмерной температуры сердечника от безразмерного времени нагрева и безразмерной скорости нагрева (function Tcp_F0); процедура вычисления коэффициента А, необходимого для дальнейших расчетов (procedure Calc_A); процедура вычисления коэффициента Соб
, необходимого для дальнейших расчетов (procedure Calc_C); функция, описывающая зависимость температуры оболочки от времени (functionTob_t); функция, описывающая зависимость средней температуры сердечника от времени (functionTcep_t); функция, описывающая зависимость средней температуры изолирующей прослойки от времени (functionTpr_t); процедура расчета неравномерности нагрева по известной средней температуре сердечника и температуре оболочки (procedureCalc_m); процедура расчета неравномерности нагрева по известной скорости нагрева (procedure Calc_m_A); процедура расчета плотности тока по известной неравномерности и скорости нагрева (procedure Calc_j_mA); процедура расчета скорости нагрева по известной безразмерной скорости нагрева (procedure Calc_A_Pd); Процедуры и функции для расчета температурного поля и параметров подогрева при наплавке с предварительным подогревом: функция распределения безразмерной температуры по диаметру сердечника в зависимости от безразмерного времени подогрева и безразмерной скорости подогрева (function T_pod); процедура расчета времени подогрева (procedure t_podogr); процедура расчета длины участка подогрева (procedure L_podogr); процедура расчета плотности тока подогрева (procedure j_podogr); процедура расчета тока подогрева (procedure I_podogr); процедура расчета сопротивления участка подогрева (procedure R_podogr); процедура расчета напряжения участка подогрева (procedure U_podogr). Рисунок 4.2 - Структура модуля построения графиков Модуль содержит следующие процедуры: процедура построения графика распределения безразмерной температуры сердечника по диаметру в зависимости от безразмерного времени нагрева (procedure Graf_T_F0); процедура построения графика распределения безразмерной температуры сердечника по диаметру в зависимости от безразмерной скорости нагрева (procedure Graf_T_Pd); процедура построения графика зависимости средней безразмерной температуры сердечника от безразмерного времени нагрева (procedure Graf_Tcp_F0); процедура построения графика зависимости средней безразмерной температуры сердечника от безразмерной скорости нагрева (procedure Graf_Tcp_Pd); процедура построения графика зависимости температуры оболочки от времени (procedure Graf_Tob_t); процедура построения графика зависимости средней температуры сердечника от времени (procedure Graf_Tcep_t); процедура построения графика зависимости средней температуры изолирующей прослойки от времени (procedure Graf_Tpr_t); процедура построения графика зависимости средней температуры сердечника от температуры оболочки (procedure Graf_Tcep_Tob); процедура построения графика распределения температуры сердечника по диаметру в зависимости от времени нагрева (procedure Graf_Diam); процедура построения графика распределения безразмерной температуры сердечника по диаметру в зависимости от безразмерного времени подогрева при наплавке с предварительным подогревом (procedure Graf_Pod); процедура построения графика распределения безразмерной температуры сердечника по диаметру в зависимости от безразмерной скорости подогрева при наплавке с предварительным подогревом (procedure Graf_Pod_Pd); Этот модуль предназначен для формирования отчетов. Отчет содержит исходные данные и результаты работы программного комплекса. Пример отчета приведен в приложении А. Структура модуля приведена на рисунке 4.3 Модуль содержит следующие процедуры: процедура формирования отчетов для безразмерных критериев (procedure Rep_BK); процедура формирования отчетов для безразмерных критериев в случае предварительного подогрева (procedure Rep_BK_Pod); процедура формирования отчетов, содержащих параметры подогрева (procedure Rep_Pod); Рисунок 4.3 - Структура модуля формирования отчетов
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||