Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Контрольная работа [doc] - файл Задание 1.doc


Контрольная работа [doc]
скачать (121 kb.)

Доступные файлы (1):

Задание 1.doc462kb.08.01.2009 21:02скачать

Загрузка...

Задание 1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Задание 1.
Вопрос 9. Каковы особенности быстродвижущихся источников теплоты?
К основным признакам классификации источников (стоков) теплоты относят скорость перемещения источников. По скорости перемещения источники разделяются на неподвижные (), движущиеся () и быстродвижущиеся (). Быстродвижущиеся – это источники, скорость перемещения которых превышает скорость распространения теплоты в данном теле. Поскольку скорость перемещения быстродвижущегося источника превышает скорость распространения теплоты, то теплота впереди него не распространяется, а только под источником и позади. Многие из источников и стоков теплоты действующие в технологических подсистемах, оказываются быстродействующими.

Чем меньше размеры быстродвижущихся источников и стоков теплоты по отношению к размерам нагреваемого тела, тем меньше влияние конкретной формы тела на температурное поле в области, прилежащей к источнику и стоку теплоты. Влияние ширины быстродвижущихся источников на температурное поле различно при разных скоростях движения.

Быстродвижущиеся источники вследствие высокой скорости движения, время «проскакивания» источника через тело столь мало, что температуру можно считать одинаковой во всех точках.

По длительности функционирования источники можно разделить на мгновенные, действующие в течение конечного промежутка времени и действующие столь длительное время, что процесс теплообмена под влиянием источника можно полагать установившимся.

Задание 2.
Вопрос 9. Кратко перечислите этапы решения дифференциального уравнения теплопроводности методами конечных разностей и конечных элементов.
Метод конечных разностей основан на замене истинных значений производных, входящих в дифференциальное уравнение теплопроводности и аналогичные им, приближенными значениями в некоторых точках, называемыми узлами. Узлы являются центрами элементов конечной длины, на которые разбивается твердое тело, участвующее в теплообмене.

1.Сначало делим твердое тело на малые объемы длиной .

2. Разбиваем на конечно малые промежутки время, в течение которого происходит теплообмен .

3. Находим первую производную температурного поля по длине тела

(1)

Называемые разностными выражениями, назад и вперед .

4. Находят вторую производную, пользуясь разностными выражениями, которая представляет собой изменение первой производной на длине

(2)

5. Находят производную температурного поля по времени

(3)

6. Подставляем значения производных температурного поля по длине и по времени, получается дифференциальное уравнение теплопроводности в конечно-разностной форме.

(4)

или (5)
Формулу (5) можем интерпретировать так: чтобы определить температуру в любой точке тела в данный момент времени, достаточно взять температуру соседних точек в предыдущий момент времени.

Пусть твердое тело разбито по длине на равных элементов, а время, в течение которого происходит теплообмен, на равных промежутков. Тогда для каждого из узлов, включая узлы, расположенные у граничных поверхностей, может быть написано уравнений типа (5), в том числе и для начальных промежутков времени. Имея в виду, что граничные и начальные условия заданы, получаем систему из связанных друг с другом уравнений типа (5) с таким же числом неизвестных.

Решая эту систему, рассчитываем значения в каждом узле твердого тела в данный момент времени, т.е. получаем численно описание нестационарного температурного поля в теле при заданных условиях теплообмена.

Формула (5) описывает одномерный процесс распространения теплоты в твердом теле, при этом могут быть двухмерные и трехмерные твердые тела, тогда к формуле (5) добавляются объемные координаты и может принять вид

(6)

где, критерии и учитывают размеры и элементарных объемов.

(7)

Метод конечных элементов учитывает тот факт, что в любой конкретной задаче, в том числе технологической, разные участки системы твердых тел представляют для теории и практики различный интерес. Метод конечных элементов позволяет осуществлять различную детализацию решения в разных областях изучаемого объекта, причем могут быть использованы элементарные объемы, различные не только по величине, но и по конфигурации.

Одна из главных идей метода конечных элементов – отыскать минимум того или иного функционала

() (8) и таким образом решить дифференциальное уравнение при заданных условиях однозначности, т.е. отыскать функцию для одномерной задачи и аналогичные ей функции и - для задач другой мерности.

Вторая главная задача метода конечных элементов состоит в том, что непрерывная функция и аналогичные ей функции аппроксимируются кусочно-непрерывными функциями, причем каждая из последних определяется для подобласти (элемента) нагреваемого тела. При аппроксимации применяют полиномы первой или второй степени.

Таким образом, общий алгоритм описания тепловых процессов в твердых телах методом конечных элементов состоит из следующих основных этапов:

1) схематизация формы тела, источников тепловыделения и граничных условий;

2) разбиение схематизированного тела на элементы;

3) конкретизация вида функционала, соответствующего дифференциальному уравнению теплопроводности и граничным условиям;

4) составление системы уравнений для минимизации функционала;

5) определение численных значений температур в узловых точках тела путем решения этой системы уравнений.

Задание 3.
Вопрос 9. Какие физические явления сопровождают процесс лучистого теплообмена между твердыми телами?
Любое из тел, входящих в технологическую систему, непрерывно излучает и поглощает тепловую энергию, обмениваясь ею с другими телами, с которыми оно не находится в непосредственном контакте. Тепловое излучение является результатом превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний. Электромагнитные волны, излучаемые твердым телом, попадая на другие тела, частично поглощаются ими, энергия электромагнитных колебаний вновь преобразуется в тепловую. В результате этого процесса температура систем тел при длительном лучистом теплообмене постепенно выравнивается, расход, и поступление энергии излучения для каждого из тел уравновешиваются.

В общем случае, когда на поверхность тела падает поток энергии , часть этой энергии поглощается телом, часть энергии отражается от его поверхности и часть проходит сквозь него.



Рис. 1. Распределение потока энергии, падающего на поверхность твердого тела.

Если поглощенная энергия () равна единицы, а отраженная и проходящая сквозь тело энергии равны нулю, то такое тело называют абсолютно черным телом, полностью поглощающим всю тепловую энергию, которая падает извне на его поверхность. Если отраженная энергия () равна единицы, а поглощающая и проходящая сквозь тело энергии равны нулю, такое тело называют зеркальным (абсолютно белое), полностью отражающее весь поток энергии (). Если проходящая сквозь тело энергия () равна единицы, а поглощающая и отраженная энергии равны нулю, тело называют абсолютно прозрачным (проницаемым) для тепловых лучей.

В действительности абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, эти понятия условны. Реальные тела и среды в зависимости от их свойств характеризуются теми или иными значениями коэффициентов энергий, отличными от нуля и единицы.

Твердые тела, которые входят в технологические системы, как правило, мало прозрачны для тепловых лучей. Поэтому для них . Величина , характеризующая способность твердого тела поглощать энергию теплового излучения, зависит от физических свойств тела, шероховатости его поверхностей и температуры.

Тепловое излучение имеет, однако, свои особенности. Дело в том, что большинство твердых тел одновременно излучают энергию в широком спектре длин волн, причем эта энергия распределяется по спектру неравномерно. При температурах, которые встречаются в технике, основное количество энергии излучается в виде волн длиной от 0,8 до 80 мкм, т.е. в инфракрасном диапазоне. Получается, что в процессе лучистого теплообмена между телами тепловой поток частично поглощается одним телом, а частично вследствие отражения от его поверхности возвращается во второе твердое тело, которое излучало тепловой поток. Кроме того, тело которое излучало тепловой поток, воспринимает часть потока излучаемого другим телом.
Задание 4.
Вопрос 9. Что такое тепловизор, для чего его применяют?
Тепловизор (инфракрасная камера) - оптико-электронный измерительный прибор, работающий в инфракрасной области электромагнитного спектра, "переводящий" в видимую область спектра собственное тепловое излучение твердого тела. Тепловизор напоминает телевизионную камеру. Чувствительный элемент тепловизора - матрица (решетка) миниатюрных детекторов воспринимает инфракрасные сигналы и превращает их в электрические импульсы, которые после усиления преобразуются в видеосигнал. Тепловизор относится к приборам бесконтактного метода измерения температуры. Тепловизоры применяются для контроля состояния объектов и технологических процессов в различных отраслях промышленности, а также при проведении научных исследований.

Каждое нагретое тело испускает тепловое излучение, интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Принцип действия тепловизора сравнительно прост: инфракрасное (тепловое) излучение от исследуемого объекта через оптическую систему передается на приемник, представляющий собой неохлаждаемую матрицу термо-детекторов. Далее полученный видеосигнал, посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки оцифровывается и отображается на экране компьютера или дисплее тепловизора. Прибор позволяет путем калибровки по телам с заранее известной температурой оценить температуры, которым соответствует тот или иной цвет наблюдаемого поля на телевизионном экране или мониторе.

Тепловизоры имеют программное обеспечение, необходимое для хранения и анализа инфракрасных изображений и для создания профессиональных отчетов. Программное обеспечение тепловизора позволяет настраивать и изменять основные параметры сохраненного изображения (компенсацию отраженного тепла, цветовую палитру и т.д.). Это не только повышает удобство и достоверность обследования тепловизором, но и избавляет от необходимости повторного сканирования оборудования.

Задание 5.
Вопрос 9. Что такое температура резания? Почему при обработке заготовок из конструктивных материалов твердосплавным или быстрорежущим инструментом закон распределения температур на передней поверхности имеет экстремум?
Температура резания – это средняя температура по всей поверхности соприкосновения инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки и стружкой.

Представление о процессе формоизменения материала режущим инструментом, имеющим форму клина дает рис.2.



Рис.2. Схема зоны резания.


В зоне материал заготовки подвергается пластическому деформированию, которое возникает не только в этой зоне, но и в тонком слое материала заготовки , расположенном под задней поверхностью режущего клина . Зона окружена областью , в которой возникают упругопластические и упругие деформации.

Стружка перемещается по передней поверхности резца. В прирезцовом слое ее материал испытывает вторичное деформирование с инструментом. На участке, расположенном вблизи режущей кромки, может возникать нарост, как результат застойных явлений в материале заготовки в этой части зоны резания. Наличие или отсутствие нароста, его размеры, твердость и устойчивость зависят в первую очередь от свойств материала заготовки и инструмента, геометрии режущего клина, режима резания, наличия смазочно-охлаждающей жидкости и др.

Общую мощность тепловыделения при резании полагают эквивалентной механической работе деформирования материала в зонах и работе сил трения на контактных площадках инструмента. Таким образом основным источником тепловыделения являются: деформация срезаемого слоя, трение стружки о переднюю, поверхность инструмента, поэтому закон распределения температур (рис. 3.) описывает максимумы температуры (экстремумы), расположенные примерно в средней части контактной площадки передней поверхности инструмента. При этом экстремумы не зависят от свойств материала инструмента и заготовки. Чем ниже теплопроводность материала заготовки, тем выше максимальное значение температуры.

Максимальная температура (экстремум) при обработке конструктивных сталей твердосплавными и быстрорежущими инструментами, как видно из рис.3. возникает в средней части контактной площадки передней поверхности инструмента, т.е. в фактически в зоне рис.2. Где происходит пластическое деформирование материала обрабатываемой детали.



Рис.3. Закон распределения температур на контактных поверхностях инструмента при точении.

Задание 6
Вопрос 9. С какой целью выполняют анализ тепловых процессов в технологическом оборудовании?
Точность деталей, изготовленных на том или ином рабочем месте, и эксплутационная надежность технологических подсистем зависят от температурных полей и вызванных ими тепловых деформаций в узлах и механизмах оборудования. Эти деформации влияют не только на погрешности обработки, но и на долговечность шпиндельных и других узлов оборудования, поскольку вызывают изменения зазоров и натягов в соединениях, изменение условий смазки, повышенное изнашивание и даже заедание трущихся поверхностей. Анализ тепловых процессов в технологическом оборудовании и узлах оборудования и отыскание путей управления этими процессами является немаловажным этапом технической подготовки производства. Так как требования к точности изделий и надежности работы станочного оборудования непрерывно возрастают.

Анализ тепловых явлений в оборудовании состоит, как правило, из трех этапов: определение мощности источников тепловыделения; расчет или экспериментальное определение температурных полей в узлах и элементах конструкции оборудования; расчет или экспериментальное определение термических деформаций важнейших узлов и определение их влияния на точность взаимного расположения инструмента и заготовки и условия работы механизмов станка.

Анализ тепловых явлений в оборудовании позволяет отыскивать пути повышения точности и надежности станков, оптимизировать конструкции технологических машин и условия их эксплуатации.


Задание 7.
Задача № 69.
Рассчитать средневероятную локальную температуру на площадке контакта зерна с заготовкой при плоском шлифовании пластины из закаленной быстрорежущей стали торцом чашечного круга с зернами из кубического нитрида бора (эльбора). Ширина пластины , толщина намного больше, чем длина площадки контакта между торцом круга и обрабатываемой поверхностью (). Средневероятный размер зерен в круге , их критическая заделка , концентрация . Связка круга – органическая; эквивалентные теплофизические характеристики рабочего слоя: , . Теплофизические характеристики материала заготовки: , а материала зерен . Режим резания: . Составляющие силы резания .



Рис. 4. Плоское шлифование пластины торцом чашечного круга.
Решение.

1) Рассчитаем скорость погружения зерен в материал заготовки по формуле



где, - скорость подачи стола при плоском шлифовании;

- глубина шлифования;

- ширина шлифования (пластины).

.

2) Рассчитаем средневероятное количество режущих зерен по формуле

где, средневероятный размер зерен в круге;

концентрация режущего материала;

скорость шлифования;

относительная критическая глубина заделки зерен в поверхностном слое круга;

скорость погружения зерен в обрабатываемый материал.

.

3) Находим средневероятную толщину среза по формуле



.

4) Рассчитаем ширину среза, положив в первом приближении ,

получаем .

5) Рассчитываем длины контактных площадок, полагая в первом приближении , получаем



6) Рассчитаем силы, действующие на задней поверхности зерна, имея в виду, что сила трения где коэффициент трения на этой площадке, предел прочности на сжатие обрабатываемого материала, ; принимаем ; .

;

сила нормального давления

7) Рассчитываем силы, приходящиеся на одно зерно





8) Рассчитаем силу трения на передней поверхности зерна, имея в виду, что , при получаем

.

9) Определяем общую мощность тепловыделения на зерне и распределяем ее между источниками теплоты


Считая коэффициент укорочения стружки , получаем



10) Рассчитываем плотность тепловых потоков, принимая, что источники тепловыделения от сил трения на поверхностях зерна распределены по несимметричным нормальным законам, а на поверхности сдвига – равномерно.



11) Рассчитываем температуру деформации


где, и - теплофизические характеристики материала заготовки;
- плотность теплового потока, возникающего при деформации;

коэффициент, учитывающий распределение этого потока между стружкой и заготовкой;




где, средневероятный угол сдвига.



12) Рассчитываем коэффициенты , пользуясь алгоритмом расчета температур на контактных площадках твердых тел и формулами

(1)
получаем

13) Рассчитываем значение передаточной функции


где,





14) Определяем значение время контакта между зерном и заготовкой (время одного реза).



15) Определяем значение безразмерного времени





16) Определяем значение



.

17) Определяем функцию по графику



18) Используя формулы температуры контактных площадок (1) составляем уравнение баланса температур и определяем плотность итоговых потоков теплообмена и температуры, где коэффициенты, учитывающие взаимовлияние источников, расположенных на передней и задней поверхностях зерна



отсюда



19) Рассчитываем среднюю температуру на поверхности контакта круга с заготовкой, используя алгоритм инженерного метода .


где,

так как ;













20) Рассчитываем локальную температуру под зерном по формуле





Ответ:

Литература.

Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах: Учебник для вузов по специальности « Технология машиностроения» и « Металлорежущие станки и инструменты». – М.: Машиностроение, 1990 - 288с.









Скачать файл (121 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru