Моделирование тепловых процессов при наплавке порошковой проволокой (стр. 9 из 17)

Окончательно имеем:

(2.79)

Тогда формула (2.65) для расчета безразмерной температуры сердечника подогреваемой порошковой проволоки с учетом (2.69) примет вид:

(2.80)

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 Рd_в»Pd_нили Pd_н<<m₁².

В этом случае ее можно опустить без ущерба для точности вычислений.

Очевидно, для достижения равномерности нагрева оболочки и сердечника необходимо принять Pd_в 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 Pd_в=0 формула (2.80) примет вид:

. (2.81)

Учитывая, что:

это безразмерная температура подогрева сердечника порошковой проволоки, формулу (2.81) можно представить в виде:

. (2.82)

Последние два слагаемые подобны и различаются лишь коэффициентами и

, а также знаками.

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) Pd_н=¥, из конечности Q_н следует, что F_0н=0. Тогда

, а . Формула (2.82) примет вид:

(2.83)

Выражение

представляет собой закон свободного нагрева или охлаждения бесконечно длинного цилиндра.

Расчеты по формуле (2.83) показывают, что неравномерность нагрева оболочки и сердечника становится незначительной (менее 5%) уже при F₀³0,6.

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.

3. Разработка компонентов программно-методического комплекса

3.1 Разработка логической модели ПМК

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.

3.1.1 Разработка диаграммы потоков данных

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

Наименование сущности	Краткое описание
Пользователь	Человек, который работает с программным комплексом.
ЭВМ	Электронно-вычислительная машина, на которой установлен программный комплекс.

Таблица 3.2 - Процессы контекстной диаграммы

Наименование процесса	Краткое описание
0 Рассчитать температурное поле	Данный процесс является основным процессом программного комплекса и предназначен для расчета температурного поля вылета порошковой проволоки.

Таблица 3.3 - Потоки, представленные на контекстной диаграмме

Наименование потока	Описание
Параметры проволоки и наплавки	Исходные данные (теплофизические и геометрические параметры порошковой проволоки) и режимы наплавки, вводимые пользователем.
Графические зависимости	Графики, которые отображают все предусмотренные программным комплексом зависимости.
Результаты расчета параметров	Результаты расчета температурного поля, режимов сварки, характеристик порошковой проволоки, параметров подогрева.
Сообщения	Сообщения, которые выдаются при неправильном вводе данных. Содержатся необходимые рекомендации для дальнейших действий, а также сообщения о сбойных ситуациях в работе программного комплекса.
Запрос на параметры оболочки	Пользователем инициируется запрос на ввод параметров оболочки из базы.
Параметры материала оболочки	Поток, который передает из базы теплофизические параметры материала оболочки.
Файл отчета	Файл, который содержит исходные данные, графики и результаты расчета.

Рисунок 3.1 - Контекстная диаграмма потоков данных

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

Наименование процесса	Краткое описание
1.1 Ввести исходные данные	Предназначен для ввода исходных данных пользователем (теплофизических и геометрических параметров порошковой проволоки, параметров сварки).
1.2 Рассчитать безразмерные критерии	Процесс предназначен для расчета безразмерных критериев (распределения температуры по диаметру в зависимости от времени или скорости нагрева, температуры в зависимости от времени или скорости нагрева).
1.3 Рассчитать температурное поле без подогрева	Рассчитывает температурное поле порошковой проволоки при наплавке без предварительного подогрева (температуру оболочки, сердечника, прослойки, параметры сварки и порошковой проволоки по известной температуре).
1.4 Рассчитать температурное поле с подогревом	Процесс предназначен для расчета температурного поля при наплавке с подогревом, а также параметров подогрева, а именно: времени подогрева, длины участка подогрева, скорости подачи проволоки, сопротивления участка подогрева.
1.5 Построить графики	По рассчитанным данным производится построение графических зависимостей (распределения температуры по диаметру в зависимости от времени или скорости нагрева, температуры в зависимости от времени или скорости нагрева, зависимость температуры оболочки, сердечника, прослойки от времени, зависимость температуры от времени при наплавке с предварительным подогревом).
1.6 Сформировать отчет	Предназначен для формирования отчетов на основе исходных данных, рассчитанных параметров и графических зависимостей.