بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از جوش در ساخت سازه های بزرگ چندین مزیت نسبت به روش اتصال مکانیکی ارائه می دهد مثل بهبود عملکرد ،انعطاف پذیری در طراحی ،کاهش وزن وصرفه جویی در هزینه و غیره . اما این فرایند دارای محدودیتها و عیوب خاص خود می باشد،که یکی از این عیوب،ایجاد اعوجاج در اتصال پس ازجوشکاری به علت پیچیده بودن وغیریکنواخت بودن گرادیان حرارتی در فرآیندجوش است. بنابرین نیازمند روشی هستیم تا اعوجاج های تولیدی ناشی از فرایند جوشکاری را به حداقل برسانیم .
در این پژوهش شبیه سازی فرآیند جوشکاری با استفاده از آنالیز کوپله متوالی حرارتی - مکانیکی صورت گرفته و به منظور شبیه سازی تولید المان های جوش،از تکنیک تولد و مرگ المان استفاده شده است،وبرای ارزیابی صحت نتایج مدل شبیه سازی شده،با نتایج تجربی مقایسه شدوسپس برای یک اتصال T شکل 8 ترتیب جوش شبیه سازی شد سپس اعوجاج و تنش پسماند برای آنها محاسبه گردید و با مقایسه با یکدیگر بهترین ترتیب جوش مشخص گردید.
مقدمه
جوشکاری در صنعت کشتیسازی و سکوهای دریایی که سیستم مهندسی پیچیده و گستردهای دارند از اهمیت فوقالعاده مهمی برخوردار است. امروزه کارخانههای کشتیسازی در گوشه و کنار جهان میکوشند با شناخت و استفاده درست از دانش و فرآیندهای نوین جوشکاری و همچنین انتخاب مواد با کیفیت بهتر و فناوریهای جدید، شرایط استانداردهای روز دنیا را کسب نموده و از فرصت استراتژیک اقتصادی در دنیا بهره ببرند . استفاده از جوش در ساخت سازه های بزرگ چندین مزیت نسبت به روش اتصال مکانیکی ارائه می دهد مثل بهبود عملکرد ،انعطاف پذیری در طراحی ،کاهش وزن وصرفه جویی در هزینه و .... . جوشکاری از نظر صرفهجویی در زمان و کاهش وزن در تولید سازهها بسیار مفید است.
در زمانهای گذشته در صنعت، برای مونتاژ بدنه کشتیها با استفاده از قطعات تقویتی، از پرچ استفاده میشد. با ظهور جوش بهصورت موثر مقدار زیادی از موادی که به سازهها بهصورت پرچ اضافه میشد، حذف گردید که باعث کاهش وزن شناور و افزایش بهرهوری شد. آلومینیم بیشتر از صد سال است که در بدنه شناور های دریایی مورد استفاده گرفته شده است. در اغلب سازه های دریایی که آلومینیوم در آنها به عنوان ماده اصلی استفاده شده است، در صورت انتخاب درست آلیاژ، دهها سال بدون هیچ مشکل جدی در دریا استفاده میشوند .
در صنعت کشتیسازی یکی از ارکان مهم، اتصالات بین اجزا میباشد که در صورت استفاده از آلومینیوم به عنوان مواد اصلی تشکیلدهندهی سازه کشتی، معمولا از جوشکاری به عنوان اتصالدهنده برای مونتاژ و ساخت قطعات استفاده میشود. به طور کلی اعوجاج ناشی از جوش به طور عمده ناشی از سه متغیر می باشد، [1] متغیر هایی که در ارتباط با خواص مواد می باشند که شامل خواص حرارتی فیزیکی و خواص مکانیکی فلز پایه و فلز جوش می باشد، متغیرهای طراحی شامل هندسه اتصال ، ضخامت ورق و غیره می باشد و نوع فرایند ساخت که شامل فرایند جوشکاری، شرایط جوشکاری و فیکسچرها می باشد.
برای پیشبینی تنش پسماند و اعوجاج ناشی از جوش دو روش وجود دارد[2]یکی روش ترموالاستو پلاستیک که در آن رفتار فرایند جوشکاری به صورت یک مشکل غیر خطی گذرا با زمان می باشد دوم روش کرنشهای ذاتی می باشد که می توان با یک تحلیل الاستیک و با اعمال کرنشهای ذاتی به عنوان کرنش های اولیه تنشهای پسماند و اعوجاج نهایی را تخمین زد . در سال 1971، ماراکاوا و یوئدا با استفاده از روش المان محدود الاستیک که بر اساس تئوری تغییر شکلهای ذاتی می باشد اعوجاج تولید شده را پیشبینی کردند.
آنها تحلیل را بر اساس تغییراتی که بر اثر دما در خواصی نظیر، تنش تسلیم ، مدول الاسیسیته و ضریب انبساط حرارتی خطی ایجاد میشود، انجام داده و همچنین در جوشهای سربهسر یک طرفه و دو طرفه تنشهای گذرای حرارتی را محاسبه کردند.[5]یوئدا و همکاران در سال 1995 تنش های پسماند در جوش های نبشی تک پاسه را محاسبه کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که تنشهای پسماند کششی عرضی بزرگی در نزدیک پایه جوش نبشی ایجاد میشود که این تنشها عامل ایجاد ترک خستگی می باشند.
همچنین آنها تأثیرات ترتیبات جوشکاری، نفوذ جوش، حرارت ورودی، ضخامت ورق و شرایط محدودکننده در جوشکاری را بر روی ایجاد تنشهای پسماند کششی عرضی مورد تحلیل قرار دادهاند . با افزایش حرارت ورودی و یا نفوذ جوش این تنشها کاهش مییابند. با افزایش ضخامت فلنج تنشهای مذکور افزایش مییابند. هم چنین با ایجاد قید و بندها و شرایط محدودکننده بیشتر میتوان این تنشها را کاهش داد..[6]
ونگ و همکاران در سال 2015 با انجام آزمایشهایی برروی یک پانل کشتی به اندازهگیری اعوجاج ناشی از جوشکاری پرداختهاند . روش جوشکاری مورد استفاده MAG با گاز محافظ دی اکسیدکربن بوده است. آنها از آزمایشهایشان نتیجه گرفتهاند که میزان حرارت ورودی نقش بزرگی در ایجاد اعوجاج بر روی ورقها ایفا میکند .[4] ماراکاوا و همکارانش در سال 2013 با استفاده از روش آنالیز المان محدود الاستیک بر پایه تئوری تغییرشکلهای ذاتی، اعوجاج ایجاد شده در یک پانل بزرگ پیشبینی کردند. آنها از حرارت خطی برای کاهش اعوجاج خارج از صفحه استفاده کردند. این حرارت خطی در کاهش اعوجاج زاویهای تأثیر بهسزایی داشت .[12]
1 مدلسازی
هندسه مدل مطابق شکل 1 از دو ورق به ابعاد 200×250×5 میلیمتر و 250×100×5 میلیمتر استفاده شده که به صورت عمود بر یکدیگر قرار گرفتهاند و حجم تشکیل دهنده ماده جوش، به شکل مثلث متساویالساقین در نظر گرفته شده است. برای شبیهسازی یک سازه جوشی مطابق شکل 1 باید در ابتدا همه قسمتها مدلسازی و به هم متصل شوند. به عبارت دیگر در شبیهسازی یک سازه جوشی، مدل ساخته شده به صورت یک پارچه میباشد.
در غیر این صورت باید از المانهای اتصالدهنده استفاده شود. اما در اینجا از آنرو که نیازی به این نوع المان نمیباشد و همچنین برای کاهش حجم و زمان محاسبات مدل به صورت یک پارچه ساخته شده است و از استفاده از المان های اتصال دهنده1صرف نظر شده است. معمولاً این نوع المان در جوش پیچیده ای مثل FSW یا در سازههای جوشی که گپ بین قطعات باید مدل شود استفاده میشود.
2 خواص مواد
فلز استفاده شده در این شبیهسازی آلومینیوم دریایی 5083 می باشد. هم فلز و هم تقویتکننده بهکار رفته در تحلیلهای نرم افزار به عنوان ماده 1 انتخاب شده است. با توجه به اینکه فرآیند جوشکاری با گاز 2 درنظرگرفته شده است، فلز پرکنندهای که برای جوشکاری استفاده شده است، باید در مدل، بصورت جداگانه به ورق اضافه کرد. از این رو در نرم افزار، فلز جوش به عنوان ماده 2 معرفی شده است. ولی خواص حرارتی و مکانیکی ماده 1 و ماده 2 مشابه هم است .
1,2 خواص حرارتی
برای شبیه سازی حرارتی و مکانیکی یک نمونه باید تا حد امکان شرایط واقعی مسأله درنظر گرفته شود تا بتوان نتایج درستی بدست آورد. از آنجایی که خواص حرارتی و ترمومکانیکی فلزات با افزایش دما تغییر میکند، باید این تغییرات را در شبیهسازی جوش فلزات درنظر گرفت. در تحلیلهای حرارتی در صورت عدم وقوع تغییرات فازی، خصوصیات مواد موردنیاز عبارتند از: k ضریب هدایت حرارتی، c یا گرمای ویژه و دانسیته که در نرم افزار انسیس میتوان اینها را بصورت ثابت یا وابسته به دما تعریف کرد. جدول 2 خواص حرارتی وابسته به دما را برای آلومینیوم مورد بررسی نشان میدهد. برای تحلیل مکانیکی مسائلی که منجر به تنشهای حرارتی میشوند، خواص مواد مورد نیاز عبارتند از: ضریب انبساط ، مدول الاستیک E و ضریب پواسون . برای تحلیل دقیق لازم است که این ضرایب در صورت در دسترس بودن بصورت وابسته به دما تعریف شوند. خواص مکانیکی بهکار رفته در شبیهسازی شامل تنش تسلیم، مدول یانگ و ضریب انبساط حرارتی در جدول 2 ارائه شده است.
