دانشکده مهندسی
گروه مهندسی عمران
پایان نامه کارشناسی ارشد سازه
تحلیل تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری در صفحات
دارای بازشو و سختکننده
استاد راهنما:
جناب آقای دکتر شهابیان
تابستان 1393
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
چکیده
در فرآیند جوشکاری بعد از مرحلهی سرد شدن جسم، به علت توزیع ناهمسان دما، تنشهایی در آن باقی میماند که تنشهای پسماند نامیده میشود. برای به دست آوردن این تنشها باید تاریخچه دمایی جسم در طی فرآیند جوشکاری در دسترس باشد. برای این منظور ابتدا یک تحلیل حرارتی صورت میگیرد تا تاریخچه دمایی جسم به دست آید. با داشتن تاریخچه دمایی و انجام تحلیل مکانیکی، تنشها و تغییرشکلهای پسماند به دست میآید.
در این پژوهش، با بهره گرفتن از روش اجزای محدود ناخطی در نرمافزار ANSYS، تحلیل حرارتی و مکانیکی جوش برای صفحات دارای بازشو و سختکننده انجام‌گرفته و تنشهای پسماند به دست آمده است. نتایج حاصل نشان میدهد که در اثر وجود بازشو و سختکننده در صفحات، مقدار تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری ممکن است به میزان 30 درصد تغییر یابد. بررسی اثر فاصله سختکننده از محور جوش نشان میدهد که با افزایش این فاصله تا 6 برابر ضخامت صفحه، تنشهای پسماند کاهش مییابد و از این فاصله به بعد، سختکننده تأثیر چندانی در کاهش تنشهای پسماند ندارد. با توجه به نتایج حاصل مشاهده میشود که با انتخاب سختکننده با مساحت سطح مقطع یکسان ولی با ضخامت بیشتر تا حدود 20 درصد از مقدار تنشهای پسماند کاسته میشود. بررسی تنشهای پسماند در صفحات دارای بازشو و سختکننده با ابعاد مختلف نشان میدهد که نسبت ابعاد صفحات تأثیری در مقدار و محل بیشینه تنشهای پسماند ندارد.
واژههای کلیدی: تنشهای پسماند جوشکاری، تحلیل حرارتی، تحلیل مکانیکی، صفحات، بازشو، سختکننده.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
| فصل اول- مقدمه | 1 | ||||||
| 1-1 پیشگفتار | 1 | ||||||
| 1-2 مبانی جوشکاری | 3 | ||||||
| 1-2-1 تعریف جوش | 3 | ||||||
| 1-2-2 انواع اتصالات جوشی | 3 | ||||||
| 1-2-3 انواع جوش | 4 | ||||||
| 1-2-4 جوش شیاری | 5 | ||||||
| 1-3 جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکشدار | 6 | ||||||
| 1-4 ساماندهی پایان نامه | 7 | ||||||
| فصل دوم- تحلیل حرارتی و مكانیكی جوش | 8 | ||||||
| 2-1 پیشگفتار | 8 | ||||||
| 2-2 تحلیل حرارتی | 9 | ||||||
| 2-2-1 منبع حرارتی | 12 | ||||||
| 2-2-1-1 بازده منبع حرارتی | 12 | ||||||
| 2-2-1-2 شار حرارتی ناشی از قوس جوشكاری | 13 | |||
| 2-2-1-3 نرخ تولید گرما | 17 | |||
| 2-2-2 خواص ماده در تحلیل حرارتی | 18 | |||
| 2-2-3 تغییر فاز | 18 | |||
| 2-2-4 شرایط مرزی | 21 | |||
| 2-2-4-1 اتلاف حرارت جابجایی | 21 | |||
| 2-2-4-2 انتقال حرارت تشعشعی | 22 | |||
| 2-2-4-3 شار حرارتی | 22 | |||
| 2-2-5 نتایج تحلیل حرارتی | 23 | |||
| 2-3 تحلیل مكانیكی | 24 | |||
| 2-3-1 روش تحلیل ناخطی در روش اجزای محدود | 25 | |||
| 2-3-1-1 روش نیوتن- رافسون | 26 | |||
| 2-3-2 خواص ماده در تحلیل مكانیكی | 28 | |||
| 2-3-3 نتایج تحلیل مكانیكی | 29 | |||
| 2-4 تنشهای ناشی از جوشکاری | 29 | |||
| فصل سوم- تنشهای پسماند ناشی از جوشكاری (مبانی نظری و تاریخچه) | 33 | |||
| 3-1 پیشگفتار | 33 | |||
| 3-2 تنشهای پسماند طولی ناشی از جوشکاری | 35 | |||
| 3-3 تنشهای پسماند عرضی ناشی از جوشكاری | 40 | |||
| 3-4 روشهای تعیین تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری | 44 | |||
| 3-5 بررسی تاریخچه تأثیر توالی یك جوش بر تنشهای پسماند ناشی از جوشكاری | 49 | |||
| 3-5-1 تاریخچه تحلیل حرارتی | 51 | |||
| 3-5-2 تاریخچه تحلیل مكانیكی | 52 | |||
| 3-5-3 نتایج به دست آمده از شبیهسازی | 52 | |||
| 3-5-4 مقایسه نتایج | 54 | |||
| 3-6 نتایج شبیهسازی تنش پسماند ناشی از جوشکاری | 56 | |||
| 3-7 تأثیر جهت جوشكاری بر تنش پسماند در جوشكاری چند پاسه (یك شیاره) | 59 | |||
| 3-8 تنشهای پسماند ناشی از جوشكاری برای ورق ضخیم با شیار V شكل دو طرفه | 61 | |||
| فصل چهارم- مدلسازی فرآیند جوشکاری در ANSYS | 70 | |||
| 4-1 پیشگفتار | 70 | |||
| 4-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل | 70 | |||
| 4-2-1 هندسه قطعه کار | 70 | |||
| 4-2-2 خواص مواد | 71 | |||
| 4-2-3 مشخصات منبع حرارتی | 72 | |||
| 4-3 تحلیل حرارتی | 72 | |||
| 4-3-1 جزء حرارتی | 73 | |||
| 4-3-2 روش تولد و مرگ اجزاء | 75 | |
| 4-3-3 نتایج تحلیل حرارتی | 77 | |
| 4-4 تحلیل مکانیکی | 79 | |
| 4-4-1 جزء مکانیکی | 80 | |
| 4-4-2 مدلسازی تنشهای پسماند | 80 | |
| 4-4-2-1 اثرات شبکهبندی بر نتایج تنش پسماند | 81 | |
| 4-4-2-2 تنشهای پسماند طولی | 83 | |
| 4-4-2-3 تنشهای پسماند جانبی | 84 | |
| فصل پنجم- صفحات دارای بازشو | 86 | |
| 5-1 پیشگفتار | 86 | |
| 5-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل | 86 | |
| 5-2-1 هندسه قطعه کار | 86 | |
| 5-2-2 خواص مواد | 87 | |
| 5-3 تحلیل حرارتی | 87 | |
| 5-4 تحلیل مکانیکی | 91 | |
| 5-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنشهای پسماند | 93 | |
| فصل ششم- صفحات دارای سختکننده | 96 | |
| 6-1 پیشگفتار | 96 | ||
| 6-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل | 96 | ||
| 6-2-1 هندسه قطعه کار | 96 | ||
| 6-2-2 خواص مواد | 97 | ||
| 6-3 تحلیل حرارتی | 97 | ||
| 6-4 تحلیل مکانیکی | 101 | ||
| 6-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنشهای پسماند | 102 | ||
| 6-6 تأثیر ابعاد سختکنندهها بر تنشهای پسماند | 103 | ||
| 6-7 تأثیر فاصله سختکننده از محور جوش بر تنشهای پسماند | 106 | ||
| 6-7-1 هندسه قطعه کار | 106 | ||
| 6-8 صفحات دارای ترکیب بازشو و سختکننده | 109 | ||
| 6-8-1 تحلیل حرارتی | 110 | ||
| 6-8-2 تنشهای پسماند در صفحات دارای ترکیب بازشو و سختکننده | 111 | ||
| فصل هفتم– نتیجهگیری و پیشنهاد برای ادامه پژوهش | 112 | ||
| 7-1 پیشگفتار | 112 | ||
| 7-2 نتایج | 113 | ||
| 7-3 پیشنهاد برای ادامه پژوهش | 114 | ||
| مراجع | 115 | ||
فهرست شکلها
| شکل | صفحه |
| شكل 1-1 نواحی تشکیل‌دهنده جوش | 3 |
| شكل 1-2 انواع اتصالات جوشکاری | 4 |
| شكل 1-3 انواع جوش مورد استفاده در اتصالات | 5 |
| شكل 1-4 انواع آمادهسازی لبه | 5 |
| شكل 1-5 جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار | 6 |
| شکل 2-1 پروفیل گوسی متحرك در حین جوشكاری | 14 |
| شکل 2-2 تغییر خواص فولاد نرمه معمولی نسبت به دما | 18 |
| شکل 2-3 نمودار آنتالپی– دما برای یك ماده آلیاژی | 20 |
| شکل 2-4 روش حل مرحلهای – تكراری برای مسائل ناخطی | 25 |
| شکل 2-5 روش طول قوس برای حل مسائل با هندسه ناخطی | 26 |
| شکل 2-6 مراحل روش نیوتن- رافسون | 28 |
| شكل 2-7 تنشهای پسماند ثبت شده روی چند ذره فلزی | 30 |
| شكل 3-1 مثالهایی از توزیع تنشهای طولی ناشی از جوشكاری | 36 |
| شكل 3-2 منحنی خصوصیات انبساطی | 37 |
| شكل 3-3 نمایش سه بعدی از توزیع تنشهای پسماند طولی ناشی از جوشكاری | 38 |
| شكل 3-4 تأثیر طول نمونه جوشكاری | 39 |
| شکل 3-5 تنشهای پسماند عرضی ناشی از جوشكاری یك پاسه | 42 | |
| شکل 3-6 نمایش سه بعدی از توزیع تنشهای پسماند عرضی | 43 | |
| شکل 3-7 تنشهای پسماند عرضی در راستای عمق ضخامت | 44 | |
| شکل 3-8 مدل دو بعدی جریان انتقال حرارت | 45 | |
| شکل 3-9 هندسه قطعه کار و مدل سه بعدی قطعه کار در نرمافزار | 46 | |
| شکل 3-10 اتصال سپری | 46 | |
| شکل 3-11 تغییرشکل جسم پس از جوشکاری | 47 | |
| شکل 3-12 سطح مقطع جوش و مدلسازی شده در نرمافزار | 47 | |
| شکل 3-13 تاریخچه دمایی برای چند نقطه بر روی سطح داخلی | 48 | |
| شکل 3-14– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح داخلی | 48 | |
| شکل 3-14– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح داخلی | 48 | |
| شکل 3-15– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح بیرونی | 49 | |
| شکل 3-15– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح بیرونی | 49 | |
| شكل 3-16 طرح اتصال برای جوش محیطی در استوانه | 50 | |
| شكل 3-17 توالی جوشكاری برای حالت 1 (3 پاسه) و حالت 2 (8 پاسه) | 50 | |
| شكل 3-18 منحنی به كار رفته جهت حرارت ورودی (كل زمان = T) | 51 | |
| شكل 3-19 نمودار حرارت در برابر زمان برای حالت 1 | 52 | |
| شكل 3-20 نمودار حرارت در برابر زمان برای حالت 2 | 53 | |
| شكل 3-21 مقادیر تنشهای پسماند برای هر دو حالت 1 و 2 | 53 | |
| شكل 3-22 نتایج تغییر شكلهای محوری برای هر دو حالت 1 و 2 | 54 | |
| شكل 3-23 نتایج به دست برای تغییرات حرارتی نسبت به زمان در فاصله 7/12 میلیمتر از خط نزدیكی جوش روی سطح داخلی لوله بعد از آخرین پاس (برای حالت 1) | 55 | |
| شكل 3-24 نتایج به دست آمده توسط 6 سازمان برای تنشهای عرضی در سرتاسر ضخامت روی خط مركزی جوش بعد از آخرین پاس (برای حالت 1) | 56 | |
| شكل 3-25 جهت‌های جوشكاری | 57 | |
| شكل 3-26 توزیع تنشهای معادل در مركز جوش | 58 | |
| شكل 3-27 مشبندی صفحه | 60 | |
| شكل 3-28 توزیع تنشهای معادل در مقطع مركزی جوش | 60 | |
| شكل 3-29 توزیع تنشهای پسماند طولی در مقطع مركزی جوش | 60 | |
| شكل 3-30 ابعاد نمونه شبیهسازی بر حسب میلیمتر | 62 | |
| شكل 3-31 مشبندی برای جوش v شكل دو طرفه | 62 | |
| شكل 3-32 تقسیم‌بندی لایهها | 62 | |
| شكل 3-33 توزیع تنشهای معادل | 63 | |
| شكل 3-34 توزیع تنشهای پسماند عرضی | 63 | |
| شكل 3-35 توزیع تنشهای پسماند طولی | 64 | |
| شكل 3-36 توزیع تنشهای معادل در سرتاسر ضخامت روی مقطع مركزی جوش | 64 | |
| شكل 3-37 توزیع تنشهای عرضی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مركزی جوش | 65 | |
| شكل 3-38 توزیع تنشهای طولی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مركزی جوش | 66 | |
| شكل 3-39 مقایسه نتایج آزمایشگاهی با شبیهسازی (تنشهای پسماند عرضی) | 66 |
| شكل 3-40 مقایسه نتایج آزمایشگاهی با شبیهسازی (تنشهای پسماند طولی) | 67 |
| شكل 3-41 مقایسه تنشهای عرضی بین لایههای همجهت و لایههای معكوس | 68 |
| شکل 4-1 مشخصات قطعه کار مدل شده | 71 |
| شکل 4-2 مدل جزء محدود صفحه در نرمافزار ANSYS | 73 |
| شکل 4-3 هندسه جزء SOLID90 | 74 |
| شکل 4-4 توزیع دما و جهت جوشکاری | 77 |
| شکل 4-5 تاریخچه دمایی سه نقطه از مقطع میانی صفحه | 78 |
| شکل 4-6 دمای گرههای مدل در زمان 16 ثانیه | 79 |
| شکل 4-7 جزء SOLID186 | 80 |
| شکل 4-8 سه شبکهبندی مورد تحلیل | 82 |
| شکل 4-9 توزیع تنش پسماند طولی در مقطع میانی صفحه | 83 |
| شکل 4-10 توزیع تنش پسماند طولی بر روی محور جوش | 84 |
| شکل 4-11 توزیع تنش پسماند جانبی در مقطع میانی صفحه | 85 |
| شکل 4-12 توزیع تنش پسماند جانبی بر روی محور جوش | 85 |
| شکل 5-1 مشخصات قطعه کار مدل شده | 87 |
| شکل 5-2 مدل اجزاء محدود صفحه و توالی جوشکاری | 88 |
| شکل 5-3 توزیع دما و جهت جوشکاری | 88 |
| شکل 5-4 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع ابتدایی صفحه | 89 |
| شکل 5-5 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع میانی صفحه | 89 |
| شکل 5-6 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع انتهایی صفحه | 89 |
| شکل 5-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه | 90 |
| شکل 5-8 دمای گرههای مدل در زمان 125 ثانیه | 91 |
| شکل 5-9 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای X | 92 |
| شکل 5-10 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای Y | 92 |
| شکل 5-11 توزیع تنش پسماند طولی در راستای Z | 93 |
| شکل 5-12 توزیع تنش پسماند فون مایزز در صفحه | 94 |
| شکل 5-13 توزیع تنش طولی در چند مقطع میانی از صفحه | 94 |
| شکل 6-1 مشخصات قطعه کار | 97 |
| شکل 6-2 مدل اجزای محدود صفحه دارای سختکننده | 98 |
| شکل 6-3 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سختکننده | 98 |
| شکل 6-4 تاریخچه دمایی در مقطعmm Y=0 صفحه با سختکننده | 99 |
| شکل 6-5 تاریخچه دمایی در مقطعmm Y=200 صفحه با سختکننده | 99 |
| شکل 6-6 تاریخچه دمایی در مقطع Y=400 mm صفحه با سختکننده | 99 |
| شکل 6-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه | 100 |
| شکل 6-8 گرادیان حرارتی در مقطعY=200 mm بر حسب فاصله از محور جوش | 101 |
| شکل 6-9 سه مقطع مورد تحلیل در صفحه | 102 |
| شکل 6-10 تنش پسماند در مقطع Y=200 mm صفحه در جهت Y | 102 |
| شکل 6-11 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/7 | 104 |
| شکل 6-12 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 10 | 104 |
| شکل 6-13 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/12 | 104 |
| شکل 6-14 مقایسه تنشهای پسماند صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/12 در دو راستای X و Y در Y=200 mm | 105 |
| شکل 6-15 مشخصات قطعه کار | 106 |
| شکل 6-16 مدل اجزای محدود صفحه دارای سختکننده با فواصل مختلف از محور جوش | 107 |
| شکل 6-17 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سختکننده با فواصل مختلف از محور جوش | 108 |
| شکل 6-18 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با فواصل مختلف | 109 |
| شکل 6-19 مدل اجزای محدود صفحات دارای ترکیب بازشو و سختکننده | 110 |
| شکل 6-20 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سختکننده و بازشوی مربعی | 110 |
| شکل 6-21 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/7 و بازشو دایروی و مربعی با نسبت سطح بازشو به سطح کل 1/0 | 111 |
فهرست جدولها
| جدول | صفحه |
| جدول 3-1 حرارت ورودی برای حالت 1 | 50 |
| جدول 3-2 حرارت ورودی برای حالت 2 | 51 |
| جدول 3-3 حداكثر تنشهای پسماند برای جهت‌های مختلف جوشكاری چند لایه | 58 |
| جدول 3-4 حداكثر تنشهای پسماند برای جهت‌های مختلف جوشكاری چند پاسه | 61 |
| جدول 3-5 حداكثر تنشهای پسماند برای توالی‌های مختلف | 67 |
| جدول 4-1 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل حرارتی | 71 |
| جدول 4-2 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل مکانیکی | 72 |
| جدول 4-3 مشخصات منبع جوشکاری | 72 |
| جدول 4-4 نتایج بیشینه و کمینه تنشپسماند در شبکهبندیهای شکل (4-8) و مرجع [24] | 82 |
فصل اول
مقدمه
1-1 پیشگفتار
برای اتصال دو قطعه، روشهای مختلفی وجود دارد. مهم‌ترین این روشها استفاده از جوش، پیچ و پرچ است. در این میان استفاده از جوش در ساختمانسازی بسیار رایج است. قدمت استفاده از جوش در ساخت اسکلتهای فولادی شاید به 100 سال برسد. طی این سالها، پیشرفتهای قابل‌توجهی در شناخت جوش و توسعه فنآوری مربوط به آن صورت گرفته است.
مهم‌ترین دلایل استفاده از جوش را می‌توان به طور خلاصه به صورت زیر بیان نمود:
1- برای اتصال دو قطعه به هم محدودیتی در ضخامت وجود ندارد.
2- سرعت بالای تولید.
3- استحکام بالا (ساختار یکپارچه).
4- اقتصادی بودن اتصال.
5- انعطافپذیری در طراحی جوش (تنوع فرآیندهای جوشکاری و قابلیت انجام شدن دستی یا خودکار).
اما با در نظر گرفتن این مزایا فرآیند جوشکاری دارای معایب زیر است:
1- اتصال دایمی بوده و امکان جداسازی قطعات وجود ندارد.
2- نیاز به بازرسی.
3- نیاز به مهارت در روشهای دستی و تجهیزات گرانقیمت در روشهای خودکار.
اما مهم‌ترین عیب در یک قطعه جوشکاری شده، تولید تنش و تغییر شکل پسماند[1] در قطعه است. در عملیات جوشكاری، بعد از مرحله سرد شدن جسم، تنشهایی در آن باقی میماند كه به آن‌ها تنشهای پسماند می‌گویند. این تنشها و همچنین تغییر شکل‌های ناخواسته ناشی از جوشكاری، مهم‌ترین عواملی هستند كه باعث ضعیف شدن اتصالات جوش و ناكارایی آن‌ها در تحمل طولانی مدت بارها، شده‌اند. از این رو، مهندسین علاقمند به دانش كاملی از توزیع تنشهای پسماند در سرتاسر جوش، روشهای تغییر دادن آن و نیز انتخاب روند جوشكاری مناسب كه بتواند تنشهای پسماند را به حداقل ممكن كاهش دهد، هستند ]1[.
روشهای تجربی اندازه‌گیری تنشهای پسماند جوشكاری علاوه بر گرانقیمت بودن در بعضی از موارد مستلزم عملیات سوراخ‌کاری و یا مقطع زنی در قطعه جوش داده‌شده بوده و فقط مقدار تنش را در سوراخ‌های ایجادشده و یا در بلوک‌های جداشده به دست می‌دهند. پیشرفت روشهای تجربی نامخرب اگرچه توانست تا حدودی این کاستی‌ها را جبران كند، ولی نمی‌تواند جوابگوی تمامی مشكلات باشد. به همین دلیل نیاز بیشتری به روشهای تحلیلی احساس میشود.
با وجود این معضلات، جوشکاری هنوز به عنوان بهترین روش اتصال قطعات مورد استفاده قرار میگیرد. از همین رو، در زمینه رفتار جوش در موارد گوناگون مطالعه شده و استانداردهای مناسبی ارائه گردیده است و از این استانداردها به طور جدی در طراحی و اجرای اتصالات جوش استفاده میشود و می‌توان از مشکلات به وجود آمده در قطعات جوشکاری شده پیشگیری نمود.
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
تعداد صفحه : 149
قیمت :14700 تومان
