Моделирование нестационарной теплопередачи в многослойной биметаллической пластине
Автор: Костылева Лилия Юрьевна
Рубрика: Управление в технических системах
Статья в выпуске: 3 т.22, 2022 года.
Бесплатный доступ
При использовании метода активного теплового неразрушающего контроля для выявления скрытых дефектов в изделиях из многослойных биметаллических материалов большое значение имеет адекватный выбор технологических режимов контроля. Одним из важных параметров является оптимальное время наблюдения, при котором обеспечивается достаточная амплитуда температурного сигнала над дефектом. Данная величина зависит от геометрии контролируемого объекта, его теплофизических характеристик, а также выбранных режимов и процедур контроля. Для определения этого параметра используют различные экспериментальные исследования. Для биметаллических пластин подготовка образцов для натурных экспериментов является технологически сложной и дорогостоящей задачей. Поэтому большой объем подготовительных исследований проводят в виде вычислительного эксперимента, в ходе которого с определенными допущениями моделируют процесс изменения теплового состояния объекта контроля. Цель исследования: определение оптимальных параметров процесса теплового контроля трехслойной сталеалюминиевой пластины с дефектом в виде воздушной прослойки между металлами. Для различных вариантов взаимного расположения устройства регистрации температуры и источника теплового потока различной мощности необходимо определить время нагрева, при котором наблюдается температурный сигнал достаточной амплитуды. Материалы и методы. Используются методы математического и компьютерного моделирования. Приведен пример решения задачи методом конечных элементов в программном пакете Agros2D. Результаты. Получены расчетные данные, на основе которых построены распределения температурного сигнала по поверхности многослойной биметаллической пластины со стороны дефекта при различных режимах нагрева, мощности теплового потока, взаимного расположения источника тепловой стимуляции и устройства регистрации температуры, а также определена зависимость температурного сигнала над дефектом от времени нагрева. Заключение. На основе проведенного моделирования определены температурные зависимости, необходимые для интерпретации результатов теплового контроля многослойных биметаллических пластин, а также соотношения параметров процесса нагрева, способствующие получению температурного сигнала достаточной амплитуды. Полученные результаты могут быть использованы для дальнейших экспериментальных исследований процессов активного теплового контроля изделий из многослойных биметаллических материалов.
Биметаллы, активный тепловой неразрушающий контроль, численное моделирование, метод конечных элементов, дефект соединения между слоями металлов, дефектоскопия
Короткий адрес: https://sciup.org/147238579
IDR: 147238579 | УДК: 53.082.6:536.212.2 | DOI: 10.14529/ctcr220307
Numerical modeling of transient heat transfer in a multilayer bimetallic plate
When using the method of active thermal non-destructive testing to detect latent defects in multilayer bimetallic products, the adequate choice of technological modes of testing is of great importance. One of the important parameters is the optimum observation time, at which a sufficient amplitude of the temperature signal over the defect is provided. This value depends on the controlled object geometry, its thermophysical characteristics, and also selected testing modes and procedures. Various experimental studies are used to determine the optimum observation time. Preparing bimetallic plates samples for full-scale experiments is a technologically complex and expensive task. Therefore, a large amount of preparatory research is carried out in the form of a numerical experiment, during which, with certain assumptions, changing the thermal state of the control object is simulated. Aim. Determination of optimal parameters of the thermal NDT process for a three-layer steel-aluminum plate with a planar delamination defect between the metal layers. For different variants of mutual location of the temperature registration device and source of heat flux of different power it is necessary to determine the heating time at which the sufficient amplitude of temperature signal is observed. Materials and methods. The methods of mathematical and computer modeling were used. Solving the task by the finite element method with the Agros2D code is given. Results. The calculation data have been obtained, which are used as the basis for constructing the temperature signal distribution over the bimetallic plate surface above the defect under different heating modes, heat flux rate, relative position of the heat stimulation source and temperature registration device, as well as determining the temperature signal dependence over the defect on the heating time. Conclusion. On the basis of modeling the temperature dependences necessary for interpretation of the results of thermal NDT of multilayered bimetallic plates have been determined, as well as the relations between the parameters of the heating process, which contribute to obtaining a temperature signal of sufficient amplitude. The results can be used for further experimental studies of the active thermal NDT processes of multilayer bimetallic materials.
Список литературы Моделирование нестационарной теплопередачи в многослойной биметаллической пластине
- Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль: науч. изд. М.: ИД Спектр, 2009. 544 с.
- Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справ.: в 2 кн. / под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986. Кн. 1. 488 с.
- Netzelmann U., Walle G. High-speed pulsed thermography of thin metallic coatings // Quantitative Infrared Thermography - QIRT'98. DOI: 10.21611/qirt.1998.011. URL: https://www.researchgate.net/ publication/273344370 (дата обращения: 05.05.2022).
- Bison P., Marinetti S., Grinzato E. et al. Inspecting thermal barrier coatings by IR thermography // Proc. SPIE. 5073. DOI: 10.1117/12.486019. URL: https://www.researchgate.net/publication/ 252574078 (дата обращения: 05.05.2022).
- Krapez J.-C., Maldague X., Cielo P. Thermographic Nondestructive Evaluation: Data Inversion Procedures Part II: 2-D Analysis and Experimental Results // Research in Nondestructive Evaluation. 1991. No. 2. P. 101-124. DOI: 10.1080/09349849109409505. URL: https:// www.researchgate.net/ publication/261645355 (дата обращения: 05.12.2021).
- Vavilov V., Marinetti S., Nesteruk D. Accuracy issues in modeling thermal NDT problems [Электронный ресурс] // Proc SPIE. 6939. DOI: 10.1117/12.775684. URL: https://www.researchgate.net/ publication/252222222 (дата обращения: 05.05.2022).
- Есьман Р.И., Шевцов В.Ф. Компьютерное моделирование тепловых процессов в многослойных композиционных структурах // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. 2006. № 5. С. 62-67.
- Ячиков И.М., Логунова О.С., Портнова И.В. Математическое моделирование теплофизических процессов. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 175 с.
- Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия, 1976. 349 с.
- Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975. 488 с.
- Определение параметров дефекта расслоения биметаллической пластины посредством активного теплового неразрушающего контроля / О.В. Логиновский, Л.Ю. Костылева, А.А. Максимов, И.М. Ячиков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2021. Т. 21, № 4. С. 37-51. DOI: 10.14529/ctcr210404
- Numerical solution of coupled problems using code Agros2D / P. Karban, F. Mach, P. Kus et al. // Computing. 2013. Vol. 95, iss. 1 Supplement. P. 381-408. URL: https://www.researchgate.net/ publication/257448118 (дата обращения: 05.05.2022).
- Ansys Lumerical HEAT 3D Heat Transport Solver. URL: https://www.ansys.com/products/ photonics/heat (дата обращения 15.05.2022).
- SauseM. Modeling of NDT Methods Using COMSOL Multiphysics® [Электронный ресурс]. URL: https://www.comsol.com/blogs/ modeling-of-ndt-methods-using-comsol-multiphysics (дата обращения: 05.05.2022).
- Agros Suite. URL: http://www.agros2d.org (дата обращения: 15.05.2022).
