تحلیل و بررسی میدان دما و تغییرشکل و تنش پسماند در اتصال جوش زیرپودری به روش اجزاء محدود

فهرست مطالب

عنوان       صفحه

فصلاول:کلیات……………………………………………………………………………………………………………………………………………………1

   1-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….2

   1-2-بیان مساله………………………………………………………………………………………………………………………………………………….2

   1-3-اهمیت و ضرورت انجام تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………3

   1-4-اهداف و فرضیه ها……………………………………………………………………………………………………………………………………..4

   1-5-ساختار پایان نامه………………………………………………………………………………………………………………………………………..5

فصل دوم:ادبیات تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………………………..7

   2-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….8

   2-2-جوشکاری زیر پودری………………………………………………………………………………………………………………………………..8

      2-2-1-مزایای جوشکاری زیرپودری………………………………………………………………………………………………………………..9

      2-2-2-محدودیتهای جوشکاری زیرپودری……………………………………………………………………………………………………..10

      2-2-3-فلزات مناسب در جوشکاری زیرپودری……………………………………………………………………………………………….10

      2-2-4-جنبه های متالورژیک…………………………………………………………………………………………………………………………11

      2-2-5-منابع تغذیه در جوشکاری زیرپودری…………………………………………………………………………………………………..12

      2-2-6-پودرهای جوش زیرپودری…………………………………………………………………………………………………………………14

      2-2-7-روابط الکتریکی………………………………………………………………………………………………………………………………..15

      2-2-8-نفوذ………………………………………………………………………………………………………………………………………………..16

      2-2-9-رقت……………………………………………………………………………………………………………………………………………….16

      2-2-10-بازیسیته…………………………………………………………………………………………………………………………………………16

   2-3-معرفی تنشهای پسماند و منابع ایجاد آن………………………………………………………………………………………………………17

      2-3-1-تنش پسماند مکانیکی………………………………………………………………………………………………………………………..18

      2-3-2-تنش پسماند حرارتی…………………………………………………………………………………………………………………………20

      2-3-3-تنش های پسماند ناشی از جوشکاری در اتصالات سربه سر ورق…………………………………………………………..22

      2-3-4-اندازه گیری های آزمایشگاهی تنش پسماند………………………………………………………………………………………….25

   2-4-اعوجاج…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..29

      2-4-1-انواع اعوجاج و راههای کنترل آن……………………………………………………………………………………………………….30

   2-5-عیوب در جوش زبرپودری………………………………………………………………………………………………………………………..31

      2-5-1-ترک انقباضی……………………………………………………………………………………………………………………………………31

      2-5-2-ترک هیدروژنی………………………………………………………………………………………………………………………………..32

      2-5-3-تخلخل……………………………………………………………………………………………………………………………………………32

   2-6-مروری بر تحقیقات انجام شده…………………………………………………………………………………………………………………..32

فصل سوم:روش تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………………………… 36

3-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 37

3-2-روشهاي مورد استفاده در شبيه سازي عددي فرآيند جوشكاري………………………………………………………………………… 37

3-2-1- روش غير مستقيم………………………………………………………………………………………………………………………………….. 37

3-2-2- روش مستقيم……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 38

3-2-3- جوش؛ مستقيم يا غير مستقيم؟……………………………………………………………………………………………………………….. 38

3-3- آناليز حرارتي……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 39

3-3-1- شرايط مرزي و شرايط اوليه حرارتي……………………………………………………………………………………………………….. 40

3-3-2- چگالي منبع انرژي و عمق نفوذ جوش…………………………………………………………………………………………………….. 41

3-3-3- مدل‌هاي مختلف چگالي انرژي……………………………………………………………………………………………………………….. 42

3-3-3-1- چگالي انرژي سطحي يا ديسکي…………………………………………………………………………………………………………. 42

3-3-3-2-  توزيع بيضوي چگالي توان………………………………………………………………………………………………………………… 44

3-3-3-3-  توزيع دو بيضوي چگالي توان…………………………………………………………………………………………………………… 45

3-3-4- آناليز حرارتي در نرم افزار ABAQUS…………………………………………………………………………………………………… 46

3-4- تحليل تنش………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 48

3-4-1- معيار تسليم………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 48

3-4-2- کار سختي……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 49

3-4-3- قانون جريان…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 50

3-5- المان بندي……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 52

3-6- آناليز مكانيكي در نرم افزار ABAQUS………………………………………………………………………………………………………… 52

فصل چهارم:نتایجآزمايشگاهي…………………………………………………………………………………………………………………………… 54

4-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 55

4-2-نمونهها……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 55

4-3-جوشکارينمونههايآمادهشده………………………………………………………………………………………………………………….. 56

4-3-1-منبعانرژيدرجوشکاري…………………………………………………………………………………………………………………………. 56

4-3-2-اتصالTشکل…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 58

4-3-3-شرايطاتصال…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 58

4-4-آزمايشمتالوگرافي…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 60

4-4-1-نمونهبرداريازمنطقهجوشکاريشده……………………………………………………………………………………………………… 60

4-4-2-آمادهكردنسطحنمونه……………………………………………………………………………………………………………………………. 60

4-4-2-1-سنگزدن…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 60

4-4-2-2-سنبادهزني………………………………………………………………………………………………………………………………………… 60

4-4-2-3-پوليشكردنوصيقلدادننمونه­ها……………………………………………………………………………………………………… 61

4-4-2-3-1-پوليشمکانيکي……………………………………………………………………………………………………………………………… 61

4-4-3-اچكردن……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 62

4-4-3-1-اچشيميايي……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 64

4-5-اندازهگيريپارامترهايمدلدوبيضويگلداک……………………………………………………………………………………………… 64

4-6-اندازهگيريدما………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 67

4-6-1-ترمومترمادونقرمزغيرتماسي (Non-Contact Infrared Thermometers)……………………………………….. 67

4-6-1-1-عملکرددستگاه………………………………………………………………………………………………………………………………….. 68

4-6-2-موقعيتنقاطوچگونگياندازهگيريدما………………………………………………………………………………………………….. 69

4-7-اندازهگيريتنشهايپسماند………………………………………………………………………………………………………………………… 70

فصلپنجم:نتایج مدلسازی فرآیند جوشکاری………………………………………………………………………………………………. 72

5-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 73

5-2-مدلسازي…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 73

           5-2-1- هندسه ی مدل…………………………………………………………………………………………………………………………74

           5-2-2-خصوصیات مواد………………. ……………………………………………………………………………………………………..75

            5-2-3-مونتاژ………………………………………………………………………………………………………………………………………76

            5-2-4-مراحل اجرای کار………………………………………………………………………………………………………………………77

            5-2-5-شرایط مرزی……………………………………………………………………………………………………………………………..78

           5-2-6-بارگذاری مساله…………………………………………………………………………………………………………………………..79

   5-2-7-مش بندی…………………………………………………………………………………………………………………………………80

  5-2-8-اجرای برنامه…………………………………………………………………………………………………………………………….81

5-3-نتايجبهدستآمده…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 87

5-3-1-مقايسهميداندماييحلالمانمحدودبانتايجآزمايشهايانجامشده…………………………………………………………. 87

5-4-تحليلمکانيکي………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 93

5-4-1-بررسي اعوجاجدرمدلهايالمانمحدود…………………………………………………………………………………………………. 93

5-4-2-تنشپسماندوتغييرمکاندرمدلالمانمحدود…………………………………………………………………………………………. 97

5-5-بررسيشرايطمرزيمکانيکي……………………………………………………………………………………………………………………. 101

5-5-1-معرفيچيدمانهايبهکاررفتهبرايبررسيشرايطمرزي……………………………………………………………………….. 101

فصل ششم: جمعبندي،نتيجهگيريوپيشنهادها………………………………………………………………………………………………… 115

6-1-جمعبندينتايج……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 116

پيوست……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 117

مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل­ها

عنوانصفحه

شکل2-1 طرح شماتیک جوش زیرپودری [4]…………………………………………………………………………………………………………..9

شکل2-2 طرح شماتیک جوش زیرپودری [4]………………………………………………………………………………………………………….9

شکل 2-3-نحوهايجادتنشپسماندمکانيکيدرتیرتحتخمشخالص[4]………………………………………………………………19

شکل 2-4توزيعتنشپسمانددرمیلهبهواسطهتغييرفاز (a)-گرمايش (b)- سرمايش[4]…………………………………………… 19

شكل 2-5 سهدليلعمدهتشكيلتنش‌هايحرارتيa- تغييراتحجميb- تفاوتدرضرائبانبساطحرارتيc- وجودگراديان‌هايحرارتي [27] ……………………………………………………………………………………………………………………………………20

شکل 2-6مدلسازیاتصالسربهسرورقبهوسیلهسهميلهمحدودشدهبادوصفحهصلب [28]    …………………………..21

شكل2-7روندتدريجيشکلگيريتنشپسماندطوليدرطيجوشکاري [27] …………………………………………………………23

شکل 2-8توزيعتنش‌هايپسماندطوليوعرضيدرجوشلببهلببيندوورقپسازجوشکاري [27]…………………….24

شکل 2-9دستگاههايمربوطبهروشکرنشسنجيباسوراخنمودنقطعه [4] ………………………………………………………….26

شكل 2-10روش سوراخکاری [4] ……………………………………………………………………………………………………………………….27               

شكل 2-11ترتيبقرارگيريكرنشسنج‌ها[4]……………………………………………………………………………………………………….27

شكل 2-12روشپرانشاشعهايكس [4] ……………………………………………………………………………………………………………….29

شكل 3-1:aتوزيعحجميکرويb: توزيعسطحيديسکي [26] ……………………………………………………………………………..42

شكل3-2 منبعحرارتديسکی [31]…………………………………………………………………………………………………………………….. 43

شکل3-3 منبعحرارتدوبيضويچگاليتوان [31]………………………………………………………………………………………………. 45

شکل 3-4 المانبندیمدل………………………………………………………………………………………………………………………………….. 46

شكل3-5  تغييراتسطحتسليمدرالف. کارسختيسينماتيكب. کارسختيايزوتروپيك [33]……………………………………. 49

شکل 4-1 خواص حرارتي فولاد ساختماني در دماهاي مختلف[24]………………………………………………………………………..55

شکل 4-2 خواص مکانيکي فولاد ساختماني در دماهاي مختلف[24]……………………………………………………………………….56

شكل 4-3 مجاري مختلف هدر رفتن حرارت در فرآيند جوشکاري [2]……………………………………………………………………57

شکل 4-4 استفاده از ولتمتر و آمپرمتر در حين جوشکاري………………………………………………………………………………….58

شکل4-5 پارامترهاي هندسي نمونه پليت………………………………………………………………………………………………………………59

شکل 4-6  موقعيت خطوط مختلف جهت اندازه گيري اعوجاج………………………………………………………………………………59

شکل4-7 سنباده دستي كه چهاركلاس مختلف كاغذسنباده روي آن چسبيده ومجهزبه سيستم جريان آب مي باشد…………61

شكل 4-8 نماييازيكدستگاهپوليش………………………………………………………………………………………………………………….. 62

شکل 4-9 نماييازتوزيعحرارتبررويمدلدرحالتتوزيعسهبعدي…………………………………………………………………… 65

شکل 4-10  اندازهگيريپارامتر و مدلحرارتيگلداکدرنمونهجوششده……………………………………………………… 66

شکل 4-11  اندازهگيريپارامتر مدلحرارتيگلداکدرنمونهجوششده………………………………………………………….. 66

شکل 4-12   اندازهگيريپارامتر مدلحرارتيگلداکدرنمونهجوششده…………………………………………………………. 66

شکل 4-13 ترمومترمادونقرمزغيرتماسي (اينفرارد)…………………………………………………………………………………………….. 69

شکل 4-14 نمايکليازدستگاههاوتجهيزاتبهکاربردهشدهدرآزمايشليزري……………………………………………………… 69

شکل 4-15 موقعيتنقاطمختلفوترمومتردراندازهگيریدما…………………………. …………………………………………………….70

شکل 5-1 ابعاداتصالمدلشده (ميليمتر) …………………………………………………………………………………………………………………….73

74…………………….……………….….……..………….………….module (part)-create partشکل 5-2

…………………………………………………………………………..74Create part-3D deformable-solid-extrusionشکل 5-3

……………………………………………………………………………………………………………………………………………….74Part 1شکل 5-4

………………………………………………………………………………………………………………………………………………….75Part شکل 5-5

…………………………………………………………………………………… …………………………………………………………76Part 3شکل 5-6

………………………………………………………………………………………………………………………………………………..76Part شکل 5-7

شکل 5-8 final assembly ……………………………………………………………………………………………………………………………..76

شکل 5-9 زمان در heat 1 , 2  با توجه به سرعت حرکت الکترود…………………………………………………………………………..77

………………………………………………………………………….77Step-create-heat transfer-transient    شکل 5-10

شکل 5-11  زمان خنک کاری اول………………………………………………………………………………………………………………………..77

. شکل 5-12   زمان خنک کاری آخر…………………………………………………………………………………………………………………….77

شکل 5-13Interaction- create- surface film condition…………………………………………………………………………..78

شکل 5-14سطوحی که با هوای محیطدر ارتباط هستندو h≠0………………………………………………………………………………..78

شکل 5-15 مشخص کردن استفاده نرم افزار از زیر برنامه نوشته شده به زبان fortran بوسیله آیتم  user-defined……..78

شکل 5-16  سطوح h=0…………………………………………………………………………………………………………………………………….78

شکل 5-17مشخص کردن خروجی ها در field output………………………………………………………………………………………..79

شکل 5-18مشخص کردن دمای محیط برای سطوح نشان داده شده در predefined field………………………………………..79

شکل 5-19ریز کردن مش بندی درمحل جوش……………………………………………………………………………………………………….80

شکل 5-20انتخاب المان برای تحلیل تنش های پسماند……………………………………………………………………………………………80

شکل 5-21انتخاب المان برای تحلیل حرارت………………………………………………………………………………………………………….80

شکل 5-22Job- write input-submit ……………………………………………………………………………………………………………83

شکل 5-23پیغام نشان داده شده موقع فشرده شدن write input……………………………………………………………………………..83

شکل 5-24انتخاب مسیرsubroutine…………………………………………………………………………………………………………………..83

شکل 5-25 ایجاد فایلهایی با پسوند lck و odbموقع اجرای صحیح برنامه………………………………………………………………..83

شکل 5-26  مسیر فایل با پسوند bat……………………………………………………………………………………………………………………83

شکل 5-27Error   بعد از اجرای برنامه بدلیل لینک نبودن fortran , visual studio…………………………………………….83

شکل 5-28  رفتن به مسیر ذخیره برنامه…………………………………………………………………………………………………………………84

شکل 5-29 پیغام ظاهر شده در abaques command  بعد از لینک شدن صحیح به فورترن و ویژوال استدیو…………….84

شکل 5-30  اجرای برنامه در abaques command بعد از لینک شدن………………………………………………………………….84

شکل 5-31مشبنديمدل…………………………………………………………………………………………………………………………………. ..86

شکل 5-32 شرايطمرزيمکانيکي……………………………………………………………………………………………………………………….. 86

شکل 5-33کانتوردمادرثانيه 36……………………………………………………………………………………………………………………………. 87

شکل 5-34کانتوردمادرپايانخنککاريبينجوشکاريدوطرفسازه…………………………………………………………………… 87

شکل 5-35کانتوردمادرثانيه 161………………………………………………………………………………………………………………………….. 88

شکل 5-36کانتوردمادرپايانخنککارينهايي……………………………………………………………………………………………………… 88

شکل 5-37موقعيتهايمربوطبهاندازهگيريدما (ابعادبهميليمترميباشند)………………………………………………………… 89

شکل 5-38منحنيدمابرحسبزماندرفاصله 10ميليمتريخطجوش زير پودري (T1)…………………………………………. 90

شکل 5-39منحنيدمابرحسبزماندرفاصله 13ميليمتريخطجوش به روش زير پودري (T2)……………………………. 90

شکل 5-40منحنيدمابرحسبزماندرفاصله 22 ميليمتريخطجوش به روش زير پودري (T3)……………………………. 91

شکل 5-41منحنيدمابرحسبزماندرفاصله 22 ميليمتريخطجوشبه روش زير پودري (T4)……………………………. 91

شکل 5-42موقعيتاندازهگيريدمارويخطجوش………………………………………………………………………………………….. 92

شکل 5-43منحنيدمابرحسبزمانرويخطجوشسمتAدرشبيهسازيباآباکوس…………………………………………….. 92

شکل 5-44منحنيدمابرحسبزمانرويخطجوشسمتBدرشبيهسازيباآباکوس………………………………………….. 93

شکل 5-45مسيرهاياندازهگيريتغييرمکاندرراستايمحورy (ابعادبهميليمترميباشند)……………………………………….. 93

شکل 5-46نمودارتغييرمکانبرحسبطولورقرويخط 1 به روش زير پودري 94

شکل 5-47نمودارتغييرمکانبرحسبطولورقرويخط 2 به روش زير پودري 94

شکل 5-48نمودارتغييرمکانبرحسبطولورقرويخط 3 به روش زير پودري 95

شکل 5-49نمودارتغييرمکانبرحسبعرضورقرويخط 4 به روش زير پودري 95

شکل 5-50نمودارتغييرمکانبرحسبعرضورقرويخط 5 به روش زير پودري 96

شکل 5-51نمودارتغييرمکانبرحسبعرضورقرويخط 6 به روش زير پودري 96

شکل 5-52مسيرهايخطوطاندازهگيري (ابعادبهميليمترميباشند) 97

شکل 5-53نمودارتنشهايپسماندعرضيدرراستايخطαرويورق 97

شکل 5-54نمودارتنشهايپسماندطوليدرراستايخطαرويورق 98

شکل 5-55 نمودارتنشهايپسماندعرضيدرراستايخطαدرزيرورق 98

شکل 5-56نمودارتنشهايپسماندعرضيدرراستايخطβرويورق 99

شکل 5-57نمودارتنشهايپسماندعرضيدرراستايخطγرويورق 99

شکل 5-58نمودارتنشهايپسماندطوليدرراستايخطγرويورق 99

شکل 5-59تغييرمکانورقافقيدرمسيرγ 100

شکل 5-60تغييرمکانورقافقيدرمسيرδ 101

شکل 5-61 صفحات 1تا5 که در جهات مختلف x,y,zمقید شده اند…………………………………………………………………..102

شکل 5-62مسيرهايخطوطاندازهگيري (ابعادبهميليمترميباشند) 103

شکل 5-63 مقادیر تنش عرضی در حالتهای قید گذاری در مسیرα……………………………………………………………………..104

شکل 5-64 مقادیر تنش عرضی در حالتهای قید گذاری در مسیرβ……………………………………………………………………..105

شکل 5-65 مقادیر تنش عرضی در حالتهای قید گذاری در مسیر γ…………………………………………………………………….106

شکل 5-66 مقادیر تنش عرضی در حالتهای مختلف در مسیرδ…………………………………………………………………………..107

شکل 5-67 تغییرشکل ورق در مسیرαدرحالتهای مختلف قید گذاری از A  تاs……………………………………………………109

شکل 5-68 تغییرشکل ورق در مسیر β درحالتهای مختلف قید گذاری از A  تاs………………………………………………….110

شکل 5-69  تغییرشکل ورق در مسیر γ درحالتهای مختلف قید گذاری از A  تاs………………………………………………….111

شکل 5-70 تغییرشکل ورق در مسیر δ درحالتهای مختلف قید گذاری از A  تاs…………………………………………………..112