بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله بررسی عددی اعوجاج و تغییرشکل ناشی از اتصال جوشی تی شکل مورد استفاده در سازه بدنه شناورها و کشتیها می-باشد. سری آلیاژهای آلومینیوم 5000 با توجه به ویژگیهایی همچون نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به خوردگی قابل قبول و همچنین افزایش قابلیت مانور و پایین آوردن نقطه تعادل و در نتیجه پایداری بیشتر کشتی یا شناور در ساخت سوپراستراکچر مورد استفاده قرار میگیرد. باتوجه به رفتار ترمومکانیکی فرایند جوشکاری قوسی فلزی با گاز خنثی مورد استفاده در این اتصال به تحلیل عددی ترموالاستیک-پلاستیک یک نمونه مدل سازی شده از سازه سوپر استراکچر پرداخته شده است.
در این تحلیل اندازه و توزیع منبع حرارتی ورودی، خواص حرارتی و مکانیکی وابسته به دمای فلز پایه و نیز اتلاف انرژی در اثر انتقال حرارت جابجایی در نظر گرفته شده است. برای صحت سنجی نتایج روش عددی در مقایسه با روش تجربی از معیار نفوذ جوش در فلز پایه و اعوجاج ناشی از جوشکاری استفاده شده است، که از تطابق قابل قبولی برخوردار میباشد. سپس به مقایسه اعوجاج ناشی از اتصال جوشی سازه سوپراستراکچر در حالتهای مختلف ترتیب و توالی فرایند جوشکاری تحت شرایط سرعت و گرمای ورودی یکسان پرداخته شده است. نتایج حاکی از آن است که در همه حالتهای جوشکاری، اعوجاج و تغییرشکل از نوع زاویه ای طولی بوده و در سازه آلومینیوم با ضخامت کمتر به وجود آمده است. این در حالی است که که در همه حالتها بیشترین تغییرشکل در انتهای آزاد فلز آلومینیوم به دست آمده است.
مقدمه
آلومینیوم به دلیل ن سبت ا ستحکام به وزن ب سیار خوبی که ن سبت به فولاد دارد، کاربرد آن در صنایع دریایی و ساخت سازههای دریایی و فرا ساحلی افزایش یافته ا ست. در دهه گذ شته به کاربرد آلومینیوم در سازه دریایی بسیار توجه شده ا ست. اتحادیه بین المللی سازه دریایی تو جه ویژهای به است فاده از این فلز و آل یاژ های آن داش ته و پژوهشهای بسیار زیادی در زمینه خستگی سازههای آلومینومی، بهینه سازی استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در سازههای دریایی و در بدنه کشتیهای تجاری، طراحی آلومینیومهای دریایی و روشهای تولید آنها و کاربرد روش جوشکاری مناسب در اتصالات آلومینیومی سازههای دریایی انجام شده است و فرایندهای جوشکاری قوسی فلزی1 با گاز خنثی و قو سی تنگ ستنی با گاز خنثی2 به طور گ سترده جهت جو شکاری فلز آلومینیوم در فرایندهای صنعتی مورد ا ستفاده قرار میگیرند.
در بیش از سه دهه، روش عددی بر اساس اجزای محدود به عنوان یک ابزار محاسباتی قدرمند برای تحلیل رفتار ترمومکانیکی اتصال سازههای جوش داده شده استفاده میشود. برخی از پژوهشگران به بررسی اعوجاج ناشی از جوشکاری به روش اجزای م حدود پرداخت ند. چن3 و هم کارانش[4] به م طال عه تاثیر ترت یب و توالی جوش بر روی تغییرشکل و تنش های پس ما ند ناشی از جو شکاری سازههای ورقی تقویت شده پرداختند. آنها با استفاده از مدل سازی ورق با اجزای پو ستهای و انتخاب اجزای سالید در مدل سازی ناحیه جوش و با درنظرگرفتن شرایط جوشکاری از جمله سر عت، گر مای ورودی و ترتیب و توالی، تحلیل ترموالاستیک-پلاستیک فرایند جوشکاری را مورد بررسی قرار دادند.
نتایج آنها نشان داد انتخاب اجزای پوستهای در انتقال حرارت سه بعدی میتواند به طور موثری به کار گرفته شود به طوری که نتایج حاصل از دقت قابل قبولی با روش تجربی برخوردار است. همچنین مشاهده شده که تغییر در ترتیب و توالی فرایند جوشکاری سبب ایجاد اختلاف در تنشپسماند طولی جوش در سطح میانی نشده و تنها باعث تغییر در اندازه اعوجاج خمشی پنل شده است.
همچنین گوانگمینگ4 و همکارانش[5] تاثیر ترتیب جوشکاری بر روی اعوجاج و تنشهای پس ماند به وجود آمده در سازهای جوش داده شده از نوع گو شه را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها نشان داد توزیع تنش پس ماند نزدیک نقاط شروع و انتهای فرایند جوشکاری تحت تاثیر ترتیب جوشکاری میباشد و این تاثیر برای تنش پسماند در راستای عرضی بیشتر میباشد و در دیگر نواحی تاثیری بر روی توزیع تنش پسماند ناشی از جوشکاری مشاهده نشده ا ست. و این در حالی است که ترتیب جوشکاری سبب تاثیر قابل توجهی بر روی اندازه تغیرشکل ناشی از جوشکاری مشاهده شده است.
در این مقاله ابتدا به صحت سنجی نتایج حاصل از پیشبینی توزیع حرارتی فرایند جو شکاری قو سی فلزی به روش اجزای محدود با نتایج تجربی فرایند جوشکاری انجام شده توسط گوانمینگ و همکارانش[5] بر روی یک اتصال تی شکل از جنس فولاد پرداخته شده ا ست. در ادامه با انجام مدل سازی و شبکه بندی سازه سوپر استراکچر به تحلیل کوپل غیرمستقیم حرارتی - سازهای فرایند جو شکاری در ات صال تی شکل سازه مدل سازی شده، برای برر سی اعوجاج حاصل شده تحت شرایط یکسان گرمای ورودی در حالتهای ترتیب و توالی جوشکاری مختلف پرداخته شده است.
مدل سازی و شبکه بندی اتصال جوشی
همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است به مدلسازی و شبکه بندی سازه سوپرا ستراکچر پرداخته شده ا ست. لازم به ذکر ا ست که سوپر استراکچر از یک بخش به نام تریکلد تشکیل شده است که شامل آلومینیوم و فولاد دریایی میبا شد. محدوده ابعاد مورد ا ستفاده برای این نوع اتصال جوشی با توجه به کاربرد آن در صنایع دریایی مورد استفاده قرار گرفته است.
با توجه به تحلیل ترمو الاستیک - پلاستیک فرایند جوشکاری به روش عددی طول مدل سازه سوپر استراکچر برابر با 16 سانتی متر فرض شده است. باتوجه به این شکل در قسمت - ب - ، ناحیه مربوط به حوضچه جوش به دلیل گرادیان دمایی بالا، شبکهبندی ریزتری انجام شده است. برای شبیه سازی حرارتی فرایند جو شکاری همراه با فلز پرکننده از اجزای غیر خطی سال ید 278 که دارای 8 گره با یک در جه آزادی د ما میبا شد، استفاده شده ا ست. شرایط مرزی و اولیه در تحلیل حرارتی باتوجه به جنس اتصال به صورت اتلاف انرژی از طریق هدایت حرارتی و همرفت با سیال محیط اطراف، و دمای اولیه مدل برابر با دمای محیط در نظر گرفته شده است. برای تحلیل حرارتی قطعه در زمان جوشکاری میتوان قطعه را به صورت یک حجم محدود با سطح S در نظر گرفت. طبق اصل بقای انرژی، معادله انتقال حرارت برای حجم مرزی مذکور را میتوان به صورت زیر نوشت:
با جایگذاری معادله - 2 - در معادله - 1 - و پس از ساده سازی، یک معادله غیر خطی بدست میآید، که برای حل آن نیاز به شرایط مرزی و اولیه دارد، این معادله در زیر آورده شده است:
با توجه به جنس قطعه و شرایط جوشکاری شرایط مرزی و اولیه برای معادله - 3 - تعریف شده است. شرط اولیه در این مقاله دمای اولیه قطعه5 قبل از جوشکاری میباشد که برابر با دمای محیط 25 - درجه سانتیگراد - در نظرگرفته شده است، همچنین با توجه به تماس سطح قطعه با هوای اطراف، انتقال حرارت حرارت از طریق جابهجایی صورت میگیرد. این تبادل برای تمام سطوح قطعه وجود دارد، به جز سطوحی که به هم جوش داده میشوند. همچنین با توجه به ضخامت قابل توجه قطعه بال، انتقال حرارت درنظرگرفته شده برای سطح زیرین به صورت جابه جایی آزاد فرض شده است. لازم به ذکر است به دلیل جنس قطعه از حرارت ناشی از تشعشع قوس الکتریکی به صورت انتقال حرارت تابشی صرف نظر شده است. بنابراین معادله شرط مرزی را میتوان به صورت زیر نوشت:
شکل :1 مدل سازی نمونهای از اتصال جوشی از نوع گوشه سازه سوپر استراکچر.الف - نمونهای از اتصال جوشی سازه سوپر استراکچر[9]،ب - انجام مدل سازی و شبکه بندی سازه اتصال جوش گوشه سازه سوپر استراکچر به همراه ابعاد آن - در نمای سه بعدی ناحیه بنفش از جنس فولاد و ناحیه سبز رنگ از جنس آلومینیوم دریایی میباشد
مدل سازی منبع حرارتی
از روشهای ب سیار رایج در مدل سازی منبع حرارتی م شخص کردن گرمای ورودی است که به صورت شار حرارتی اعمال شده توسط قوس الکتریکی جوشکاری بر روی سطح قطعه میباشد. یافتن معادله برای شار حرارتی یکی از مهمترین مسائلی است که تحقیقات بسیاری بر روی آن انجام شده است.
در این مقاله از توزیع گوسین6 به منظور شار حرارتی اعمالی به قطعه کار در هنگام جو شکاری ا ستفاده شده است. بنابراین توزیع شار حرارتی سطحی متحرک برای اعمال به سطح قطعه از رابطه - 5 - بد ست آمده ا ست. به گونهای که این رابطه از لحاظ هند سی شباهت ب سیار زیادی به قوس الکتریکی ایجاد شده در فرایند جوشکاری دارد.
در رابطه - 5 - جهت حرکت منبع حرارتی در راستای محور z ، v سرعت جوشکاری، r متغیر توزیع گوسین و شعاع سطحی را نشان میدهد که در آن میزان انرژی به حدود 95 درصد ماکزیمم انرژی منبع حرارتی می باشد، عدد برابر با 3/14 و Q گرمای ورودی میباشد که از رابطهی - 6 - بدست میآید. در این رابطه V ولتاژ، Iشدت جریان و بازده منبع جوشکاری میباشد.بازده منبع حرارتی برای سازه سوپر استراکچر باتوجه به جنس وفرایند جوشکاری برابر با 85 درصد در نظر گرفته شده است.
با تو جه به شکل - 2 - برای بالا بردن د قت ن تایج تحل یل، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی وابسته به دما فلزات فولاد و آلومینیوم در یایی به عنوان داده های ورودی در محیط نرم افزار اع مال شده است. برای تحلیل حرارتی و رسیدن به توزیع دما نتایج حاصل از پارامترهای حوضچه جوش بد ست آمده از اعمال عددی معادله انتقال حرارت جوش کاری مذکور به روش اجزای م حدود با است فاده از کدنویسی در نرم افزار انسیس با نتایج حاصل از گوانمینگ و همکارانش[5] در فرایند جو شکاری قو سی فلزی ات صال تی شکل از جنس فولاد تحت شرایط یکسان جوشکاری مقایسه و صحت سنجی شده است. باتوجه به نتایج بدست آمده در اعمال منبع حرارتی شعاع گوسین برابر با 2/8 میلیمتر فرض شده است.
