بخشی از مقاله
چکیده
تنشهاي پسماند بوجود آمده در حین جوشکاري داراي آثار مخربی ازجمله شکست ترد و شکست خستگی در ساختارهاي جوشکاري شده میباشد روشهاي تجربی مختلفی از جمله استفاده از شیارهاي V شکل دوطرفه به جاي V یک طرفه، استفاده از لبههاي پخ و فاصله ریشه کوچکتر، استفاده از تعداد اجزاي کمتر در مجموعه، آماده سازي مناسب، کاهش زمان جوشکاري، جفت کردن قطعات قبل از جوشکاري و پیش گرم کردن و عملیات حرارتی جهت کم کردن اینگونه تنشها پیشنهاد شده است.
با توجه به اینکه اعوجاج یکی از آثار شناخته شده تنشهاي پسماند میباشد در این تحقیق پارامترهاي مؤثر از جمله سرعت جوشکاري ، اندازه پاي جوش و استحکام قطعه مورد بررسی قرار گرفته است و تنشهاي پسماند و تغییر شکل قطعه در سرعتهاي مختلف جوشکاري ، اندازه هاي مختلف پاي جوش وتنش تسلیم در مواد مختلف مقایسه شده است.
بدین منظور از یک مدل T شکل با ابعاد هندسی مشخص استفاده شده است. یافته هاي پژوهشی مدل شبیه سازي نشان میدهد که در محدوده بررسی هر چه سرعت جوشکاري بیشتر و اندازه پاي جوش کوچکتر باشد، تنشهاي پسماند در قطعه افزایش وتغییرشکل در قطعه کاهش مییابد. همچنین در مدل مزبور میزان تنشهاي پسماند و تغییر شکل مدل در پارامتر هاي مختلف بصورت جداگانه مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
تنشهاي پسماند از سال 1930 شناخته و بررسی شده است. تنشهاي پسماند، تنشهایی هستند که بعد از برداشتن کلیه بارهاي خارجی در قطعه باقی میمانند. تنشهاي پسماند همچنین زمانی که قطعات تحت تغییرات دمایی غیر یکنواخت قرار میگیرند، ایجاد میشود. این تنشها، تنشهاي حرارتی نامیده میشود. تنشهاي پسماند در سازهها به دلایل مختلفی ایجاد میشود عملیات حرارتی در مراحل مختلف بر روي تنش پسماند اثر میگذارد
بررسی تنشهاي پسماند و اعوجاج به محاسبات پیچیدهاي احتیاج دارد. به همین دلیل بسیاري از مطالعات اولیه یا کاملاً تجربی بوده و یا به بررسی نمونه هاي ساده محدود شده است.با گسترش کامپیوتر ها و تکنیک هاي محاسباتی مدرن - مانند المان محدود - یک تلاش دوباره براي بررسی تنش پسماند و پدیده هاي مربوط به آن صورت گرفت و به همین دلیل اکنون میتوان از برنامههاي کامپیوتري براي شبیه سازي تنشهاي حرارتی و حرکت فلز در طول جوشکاري و همچنین تنش پسماند و اعوجاج استفاده کرد، تنشهاي پسماند داراي آثار مخربی از جمله شکست هاي ترد، شکست خستگی و اعوجاج در ساختارهاي جوشکاري شده میشود. بدین سبب در سالهاي اخیر مطالعات وسیعی برروي شناخت و آنالیز تنشهاي پسماند و اعوجاج در ساختارهاي جوشکاري انجام شده است.
-2 شبیه سازي اجزاي محدود
1-2 اندازهگیري عددي تنش پسماند
امروزه روش عددي براي پیشبینی مقدار تنش پسماند بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد و در این میان روش عددي المان محدود به این دلیل که کار با این روش ساده است و براي همه نوع مسائل قابل استفاده بوده و هیچ محدودیتی در نوع شکل و هندسه و مواد و ... ندارد و می-توان از آن در همه شرایط استفاده کرد، از دیگر روشها کاربرد بیشتري دارد.
در روش اجزاء محدود غالبا مسائل فیزیکی به کمک معادلات دیفرانسیل حاکم بر سیستم و به کمک کمینه نمودن انرژي پتانسیل حل میشوند. روش کار بدین صورت است که کل مدل هندسی به اجزاء ریزتري به نام المان تقسیم میشود. هر المان خود داراي گرههایی است که مقادیر ورودي - بارگذاري و شرایط مرزي - و خروجی - نتایج - به آنها اختصاص داده میشوند.
امروزه نرم افزارهاي مختلفی از قبیل ANSYS، ABAQUS، و LS-DINA و ... وارد بازار شدهاند که روش المان محدود به وسیله آنها به راحتی قابل اجرا بوده و همگی قابلیت محاسبه تنشهاي پسماند ناشی از جوشکاري بر اساس تئوريهاي گرمایی - الاستو - پلاستیک و المان محدود را دارا میباشند. در این پروژه از نرمافزار ANSYS استفاده شده است.
2-2 تحلیل فرآیند جوشکاري توسط المان محدود
تحلیل فرآیند جوشکاري یک تحلیل ترمو- مکانیکی است. این تحلیل به صورت مجزا1 صورت میگیرد و شامل دو مرحله است. مرحله اول که مرحله تحلیل گرمایی است به مسئله هدایت گرمایی مربوط میشود و به طور مجزا از تحلیل مکانیکی انجام میگیرد تا توزیع دماي ناشی از جوشکاري در طول گذشت زمان بهدست آید. در مرحله دوم تاریخچه دمایی هر گره به عنوان بار گرمایی به کار گرفته میشود و در این مرحله تحلیل مکانیکی مورد استفاده قرار میگیرد و در واقع از این طریق مقادیر تنش هاي گرمایی به دست میآیند. هم تحلیل گرمایی و هم تحلیل مکانیکی غیرخطی میباشند چرا که خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مواد در حین جوشکاري وابسته به دما هستند.
ضریب هدایت گرمایی2، ظرفیت گرمایی ویژه3 و چگالی به عنوان خصوصیات فیزیکی و مدول یانگ، ضریب پواسون، ضریب انبساط گرمایی4، تنش تسلیم و نرخ کرنش سختی5 به عنوان خصوصیات مکانیکی میباشند. همچنین از روش تحلیل کوپل شده در معادلات گرمایی نیز استفاده میشود. این روش به صورت محصولی از تنش کرنش واقعی و نرخ کرنش پلاستیک محاسبه میشود و در آن از کوپلینگ ترمودینامیکی در معادلات گرمایی صرفنظر میشود چرا که اثر آن خیلی کوچک است .در این پروژه از تحلیل مجزا یا همان تحلیل دي کوپله براي تحلیل ترمومکانیکی فرآیند جوشکاري استفاده شده است.
3-2 معرفی روش اجزاي محدود
در روش اجزاي محدود مسایل فیزیکی به کمک معادلات دیفرانسیل حاکم بر سیستم و یا کمینه نمودن انرژي پتانسیل حل میشوند .در این روش ، غالباً ناحیه مورد تحلیل به تعدادي اشکال هندسی که اصطلاحاً جزء یا المان6 نامیده میشوند ، تقسیم میشود .
هر المان داراي رفتاري است که به آن تابع شکل7 می گویند وتعداد درجه آزادي در هر ناحیه از المان را مشخص میکند . تابع شکل مناسب براي هر المان تابعی است که شرایط مرزي را ارضا کند. تابع شکل میتواند تابع درجه یک ، درجه دو و یا هر تابع دیگري باشد. نرم افزار هاي اجزاي محدود ، غالباً از توابع چند جمله اي جهت تعریف تابع شکل استفاده میکنند.
بر این اساس ، هر یک از متغیر ها و حتی خصوصیات مواد بکار رفته در ناحیه مورد تحلیل ، در نقاطی بر روي هر جزء قابل ارائه است .این نقاط که بیانگر محل تمرکز مقادیر کمیاب مورد نظر میباشند، بصورت نماینده یا شاخصی براي هر جزء بوده که محل آنها گره8 نامیده میشود.
براي بدست آوردن معادلات سیستم که رفتار کلی جسم را توصیف میکند ، معادلات کلی اجزا باید سر هم سازي شود.
اندازه و تعداد اجزا در مدل اجزاي محدود به طور معکوس به یکدیگر وابسته اند ، به طوریکه با افزایش تعداد اجزاء کوچکتر شده و دقت حل بالاتر میرود.
در مدل اجزاي محدود شبیه سازي شده از المان 20 گره اي استفاده شده است. این نوع المان سازگاري زیادي با مدلهاي شکل دادن حرارتی و مدل هایی که داراي شرایط مرزي هستند، دارد. در تحلیل مدل هاي سه بعدي ، مدل حالت پایدار ، مدل حالت ناپایدار ودما گذرا ، از المان حرارتی 20 گره اي استفاده میشود. درشکل1،شکل هندسی المان 20 گره اي نشان داده شده است.
شکل :1 المان 20 گره اي[6]
مدل بصورت T شکل است ، براي سادگی محاسبات اجزا محدود وکم کردن زمان محاسبات از تقارن مدل در شبیه سازي استفاده میشود. ابعاد کلی مدل در شکل2 آورده شده است.
4-2 شبکه بندي در محیط - Mesh -
درشکل3 شبکه بندي مدل براي شبیه سازي اجزاي محدود فرآیند جوشکاري نشان داده شده است. در این شبکه بندي که بصورت شکل :4 تنش پسماند در راستاي x با سرعت جوشکاري 5mm/s یکنواخت انجام پذیرفته ، تعداد 5250 المان حرارتی 20 گره اي و 14443 گره مدل را تشکیل می دهند.
-3 نتایج
در این قسمت، تنشهاي پسماند و پیچیدگی ناشی از آن در جوشکاري با قوس الکتریکی در فولادها به کمک روش اجزاي محدود شبیه سازي شده و تاثیر سرعت جوشکاري، تغییر اندازه پاي جوش و نرخ سرد شدن تنش پسماند در راستاي x با سرعت جوشکاري 7mm/s هر المان در زمانهاي مختلف و تنشهاي پسماند و تغییر شکل ابعادي قطعه مورد بررسی قرار گرفته است.
تاثیر سرعت جوشکاري بر تنشهاي پسماند و پیچیدگی ناشی ازآن تاثیر سرعت جوشکاري با مقادیر5mm/s و 7mm/s بر روي تنشهاي پسماند و پیچیدگی ناشی از جوشکاري قطعه بررسی گردید، نتایج به دست آمده از شبیهسازي نشان میدهد که بیشترین تنشهاي پسماند در طول خط جوش هستند.
تنش پسماند در راستاي y با سرعت جوشکاري 7mm/s همان طور که در شکل 4 و شکل 5 مشاهده میشود، بیشترین مقدار تنشهاي پسماند در روي خط جوش و در امتداد جوشکاري پلیت می- باشد و کمترین مقدار آن در انتهاي لبههاي پلیت دیده میشود
