بخشی از مقاله
خلاصه
در فرآیند جوشکاري بعد از مرحلهي سرد شدن جسم، به علت توزیع ناهمسان دما، تنشهایی در آن باقی میماند که تنشهاي پسماند نامیدهمیشود. براي بهدست آوردن این تنشها باید تاریخچه دمایی جسم در طی فرآیند جوشکاري در دسترس باشد. براي این منظور ابتدا یک تحلیل حرارتی صورت میگیرد تا تاریخچه دمایی جسم بهدست آید. با داشتن تاریخچه دمایی و انجام تحلیل مکانیکی، تنشها و تغییرشکلهاي پسماند به دست میآید.
در این مقاله، با استفاده از روش اجزاي محدود ناخطی در نرمافزار ANSYS، تحلیل حرارتی و مکانیکی جوش براي صفحات داراي بازشو و سختکننده انجامگرفته و تنشهاي پسماند به دست آمده است. نتایج حاصل نشان میدهد که در اثر وجود بازشو و سختکننده در صفحات، مقدار تنشهاي پسماند ناشی از جوشکاري ممکن است به میزان 30 درصد تغییر یابد.
1. مقدمه
استفاده از فناوري جوشکاري موجب استفاده گسترده از مقاطع مرکب در طراحی اعضاء فولادي شده است. از این جمله میتوان به صفحات داراي بازشو و سختکننده اشاره نمود. در عملیات جوشکاري بعد از مرحلهي سرد شدن جسم تنشهایی در آن باقی میماند که به آنها تنشهاي پسماند میگویند. این تنشها بر رفتار جسم تأثیرگذاشته، منحنی تنش-کرنش را از حالت ایدهآل کشسان-مومسان به حالت غیرخطیدرمیآورد. تغییر منحنی تنش-کرنش سبب تغییر در مقاومت عضو میگردد.
سابقه تحلیل حرارتی و مکانیکی تنشهاي پسماند جوش به سال 1930 برمیگردد. در این سال روزنتال یک روش تقریبی براي حل معادله دیفرانسیل حرارت گذرا در جوشکاري ارائه داد.
میرز با استفاده از فرضهاي سادهکنندهاي توانست محدودیتهاي روش پیشنهادي روزنتال را برطرف کند .
مقاله هیبیت و مارکل که در سال 1978منتشر شد، اولین گام در استفاده از روش اجزاي محدود براي پیشبینی تنشهاي پسماند جوش است. در این تحقیق یک جوش دایرهاي به روي یک دیسک متقارن مدل شده بود. نتایج به دست آمده از مدل حرارتی، تطابق خوبی با اندازهگیريهاي تجربی نداشت و از میان نتایج تنش، فقط مقدار تنش بیشینه با مقادیر آزمایشگاهی همخوانی داشت
دیگارمو در سال 1979 حساسیت نتایج حاصل از تحلیل حرارتی را نسبت به شبکهبندي و گامهاي زمانی، مورد بررسی قرار داد
اندرسون یک مدل اجزاي محدود براي جوشکاري لببهلب دو ورق فولادي ارائه داد. در این تحقیق خواص مواد وابسته به دما در نظر گرفته شد. اگرچه مدل حرارتی تطابق خوبی با دماهاي تجربی در بیرون ناحیه متأثر از حرارت موسوم به - Heat Affected Zone - HAZ داشت، اما تنشهاي پسماند محاسبهشده بسیار بیشتر از مقادیر اندازهگیري شده بود.
ریبیکی در مقالهاي که در سال 1980منتشر کرد،مدلیبراي محاسبه دما وتنشهاي پسماند در یک لوله با جوش دو پاسه محیطی بر اساس یک منبع حرارتی نقطهاي متحرك ارائه داد. دماهاي محاسبهشده نسبت به دماهاي اندازهگیري شده، حداکثر داراي 9 درصد اختلاف براي پاس اول و 17 درصد اختلاف براي پاس دوم بودند
دنگ و همکاران در سال 2007به بررسی تغییرشکلهاي ناشی از جوشکاري در یک مقطع سپري پرداختند. در این مدل خواص مواد به صورت وابسته به دما و داراي خاصیت سختشوندگی ایزوتروپیک – سینماتیک در نظر گرفته شده است. آنها براي این کار از یک مدل سه بعدي بهره بردند و نتایج کار خود را با مدل آزمایشگاهی راستی آزمایی نمودند.
با پیشرفت روشهاي عددي و نرمافزارهاي اجزاي محدود امکان تحلیل و اندازهگیري این تنشها به صورت دقیقتري فراهم گردیده است. در روش اجزاي محدود با استفاده از یک تحلیل حرارتی، تاریخچه دمایی جسم به دست میآید که از آن به عنوان بارگذاري در تحلیل مکانیکی استفاده میشود. نتایج حاصل از تحلیل مکانیکی، تنشهاي پسماند را در اختیار قرار میدهد.
در این مقاله با استفاده از نرمافزار ANSYS ابتدا یک تحلیل حرارتی صورت گرفته و تاریخچه دمایی جسم در دسترس قرار میگیرد. با تغییر جزء حرارتی به جزء مکانیکی و تنظیم پارامترهاي تحلیل، از تاریخچه دمایی به دست آمده از تحلیل حرارتی به عنوان بارگذاري در تحلیل مکانیکیاستفادهمیشود. با استفاده از نتایج نرمافزار، توزیع تنش پسماند در جسم در دسترس قرار میگیرد. با استفاده از این توزیع تنش، منحنی تنش-کرنش صفحه داراي بازشو و سختکننده ترسیم میشود. با ترسیم منحنی تنش-کرنش، میتوان رفتار کمانشی این صفحات را مورد بررسی قرار داد.
2. تحلیل حرارتی جوش
براي به دست آوردن تنشهاي پسماند جوشکاري ابتدا احتیاج به یک تحلیل حرارتی است. معادله دیفرانسیل هدایت حرارتی گذرا عبارت استاز:
در رابطه - 1 - ، c گرماي ویژه، چگالی، K - - ، - Q - و به ترتیب ضریب هدایت گرمایی، نرخ تولید گرماي داخلی و دما میباشند.
از این تحلیل، تاریخچه دمایی قطعه طی فرآیند جوشکاري و سرد شدن پس از آن به دست میآید. در تحلیل حرارتی، خواص ماده وابسته به دما است. تحلیل حرارتی یک تحلیل دینامیکی گذرا است که در آن پارامتر زمان نقش مهمی در تحلیل دارد. در مدلسازي جوش، تعیین مدت زمان و گامهاي زمانی تحلیل با توجه به سرعت جوشکاري انتخابی تعیین میگردد. فرضهاي انجامگرفته در این تحقیق عبارتند از:
-1 دماي محیط در اطراف جوش و در نقاط دیگر، یکسان در نظر گرفته میشود.
-2 خواص وابسته به دما به صورت دادههاي گسسته براي نرمافزار تعیین شده و تغییرات خواص بین نقاط دادهشده را نرمافزار به صورت خطی در نظر میگیرد.
-3 تغییرات حجمی طی فرآیند تغییر فاز نادیده گرفته میشود.
-4 خواص الکترود مصرفی با خواص فلز پایه یکسان فرض میشود.
-5 ماده پرکننده جوش به صورت گسسته به درز جوش وارد شده و درز جوش را پر میکند. براي مدلسازي منبع جوشکاري از توزیع شار گوسی گولداك استفاده میشود
در رابطه - 2 - ، V اختلاف پتانسیلالکتریکی، I آمپرو بازده حرارتی است. ضرایب مورد استفاده در روابط - 3 - و - 4 - در شکل 1 نشان داده شده است.
.
شکل -1 شار حرارتی ناشی از قوس جوشکاري .
3. تحلیل مکانیکی جوش
پس از تحلیل حرارتی، براي به دست آوردن تنشها و تغییرشکلهاي پسماند بایستی یک تحلیل مکانیکی صورت گیرد. براي این کار، از نتایج به دست آمده از تحلیل اول به عنوان بارگذاري در تحلیل دوم استفاده میشود. پس از آن مسئله به چند گام زمانی تقسیم شده و در هر گام از توزیع دماي به دست آمده از تحلیل حرارتی، به عنوان بار حرارتی استفاده شده و تحلیل مکانیکی انجام میپذیرد.
4. مدلسازي تحلیل با نرمافزار ANSYS
در این مقاله از نرمافزار ANSYS 15، براي مدلسازي و تحلیلهاي حرارتی و مکانیکی صفحات داراي بازشو و سختکنندهاستفاده میشود. مدل شبیهسازي شده یک صفحه داراي بازشو و سختکنندهاست که از اتصال دوورق به طول 400میلیمترساخته شده است. براي اتصال صفحات به یکدیگر از جوش شیاري استفاده شده است. سطح مقطع این صفحه در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل -2 مشخصات قطعه کار مدل شده.
مشخصات مادهي مورد استفاده فولاد کمکربن است که خواص آن وابسته به دما است. در جدول 1 خواص مورد نیاز در تحلیل حرارتی و در جدول 2 خواص مورد نیاز در تحلیل مکانیکی آورده شده است. خواص مواد به صورت دادههاي گسسته به نرمافزار تعریف میشود و تغییرات خواص بین نقاط داده شده را نرمافزار به صورت خطی در نظر میگیرد.
در تحلیل حرارتی شرایط مرزي به صورت همرفت از طریق سطوحی که با محیط اطراف در تماس هستند، صورت میگیرد. مقدار ضریب هدایت همرفت تابعی از دما بوده و در جدول 1 آمده است.
