روش يكسان است. به اين ترتيب اثبات مي‌شود كه نتايج شبيهسازي منطقي و قابل‌اعتماد است ]46[.

شكل 3-39 مقايسه نتايج آزمايشگاهي با شبيهسازي (تنش‌هاي پسماند عرضي) [46].

شكل 3-40 مقايسه نتايج آزمايشگاهي با شبيهسازي (تنش‌هاي پسماند طولي) [46].

-نتايج شبيه‌سازي:
جدول 3-5 مقايسهاي بين مقادير بيشينه تنش پسماند است. از روي جدول ديده ميشود كه مقادير بيشينه تنش‌هاي عرضي و طولي كه توسط طرح (c) به دست آمده است، نسبت به بقيه طرحها كمتر است. در نتيجه اين توالي جوش معتدلتر است. به طور خلاصه، توزيع حرارت جوشكاري در امتداد ضخامت صفحه ضخيم يكنواخت و هموار نيست. يك قسمت از صفحه جوش شده بيشتر منبسط ميشود درحالي‌که قسمت ديگر كمتر منبسط شده و يا اصلاً منبسط نميشود ]46[.

جدول 3-5 حداكثر تنش‌هاي پسماند براي توالي‌هاي مختلف [46].
نوع طرح
نوع تنش
h
g
f
e
d
c
b
a

912
921
658
653
885
571
712
701
تنش معادل (مگاپاسکال)
857
829
511
505
718
405
544
623
تنش عرضي (مگاپاسکال)
865
879
607
592
823
507
636
634
تنش طولي (مگاپاسکال)

بنابراين انبساط قسمت جوش شده مسدود ميشود، سپس تغييرشكل مومسان (دائمي) فشاري توليد مي‌گردد. به علاوه، به سبب پديده انقباض نايكنواخت در امتداد ضخامت صفحه پس از جوشكاري، تغيير شكل زاويهاي بر روي قطعه كار پديد ميآيد و ريشه جوش تنش‌هاي كششي بزرگي را متحمل مي‌شود. چنانچه تنش كششي حاصل از تغييرشكل زاويهاي از مقدار بحراني مقاومت كششي فلز پر كننده در ريشه جوش بيشتر گردد، تركي در ضعيفترين ريشه جوش بروز ميكند. در نتيجه، چنانچه فلز پركننده جوش به طور يكنواختي پر شود، تغييرشكل زاويهاي كمتر و آنگاه تنش‌هاي پسماند هم كمتر خواهد بود. اين عامل باعث کمينه بودن تنش‌هاي پسماند به دست آمده توسط طرح (c) است ]46[.

شكل 3-41 مقايسهي تنش‌هاي عرضي بين لايههاي همجهت و لايههاي معكوس [46].

جهت صحت اين موضوع كه تنش‌هاي پسماند جوشكاري به دست آمده از روش جوشكاري معكوس بين لايه‌هاي مجاور کمينه است، تنش جوشكاري صفحه داراي شيار V شكل دو طرفه تحت شرايط جوشكاري معكوس را مورد مطالعه قرار ميدهند. مقايسه بين تنش پسماند عرضي جوشكاري در شكل 3-41 نشان داده شده است. در شكل 3-41 نيز “فاصله” بيانگر فاصله بين نقاط تا نقطه انتهايي جوش است [46].
نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه مقدار بيشينه تنش پسماند عرضي جوش با روش جوشكاري معكوس 4/405 مگاپاسکال است كه 2/18 درصد كمتر از تنش به روش جوشكاري عادي است. به علاوه، قياس بين تنش طولي هم مانند شكل فوق بوده و بيشينه تنش 9/16 درصد كاهش مييابد. از مطالب گفته‌شده در اين بخش اين‌گونه مي‌توان نتيجه گرفت كه:
1- نتايج شبيهسازي جوشكاري لببهلب ورق نشان ميدهد كه مقادير بيشينه تنش‌هاي كششي پسماند عرضي و طولي كه توسط روش جوشكاري معكوس به دست ميآيد، در بين لايههاي مجاور يك جوش چند لايه يا بين پاسهاي مجاور در هر لايه، کمينه ميباشند. بنابراين، تنش پسماند در جوش با پذيرش اين روش تا حد زيادي كاهش مييابد. مقاومت جوش افزايش يافته و كيفيت آن بهبود مي‌يابد.
2- توزيع تنش پسماند در ورق ضخيم داراي جوش V شكل دو طرفه نشان ميدهد كه تنش پسماند كششي، نزديك يا بر روي جوش پديد مي‌آيد و مقدار بيشينه آن بر روي جوش ظاهر ميشود.
3- مقايسه بين نتايج شبيهسازي يك ورق ضخيم داراي شيار V شكل دو طرفه توسط تواليهاي جوش متفاوت نشان ميدهد كه اختلاف در توالي جوش كاري مقدار بيشينه و توزيع تنش پسماند را تحت تأثير قرار داده و همچنين بر مقاومت جوش و مقاومت ترک‌خوردگي آن اثر ميگذارد. به علاوه، نوع مناسبي از توالي جوشكاري توسط مقايسه نتايج شبيهسازي به دست ميآيد. در ضمن چنانچه دو قسمت جوش يکنواختتر پر شود، تنش پسماند كم مي‌شود [46].

فصل چهارم

مدلسازي فرآيند جوشکاري در ANSYS

4-1 پيشگفتار
در اين فصل نحوهي مدلسازي فرآيند جوشکاري در اتصال دو صفحه با استفاده از نرمافزار ANSYS شرح داده ميشود. ابتدا يک تحليل حرارتي انجام گرفته، سپس تحليل مکانيکي با استفاده از تاريخچه دمايي به دست آمده از تحليل حرارتي، انجام ميگيرد. در خاتمه نتايج تنش پسماند راستيآزمايي ميشود.

4-2 مشخصات مورد نياز تحليل
4-2-1 هندسه قطعه کار
مدل شبيهسازي شده شامل يک جوش شياري براي اتصال لب‌به‌لب دو قطعه ورق به پهناي 200 ميلي‌متر و در ازاي 150 ميلي‌متر ميباشد. شکل مقطع جوش و ابعاد صفحات در شکل 4-1 آمده است.

شکل 4-1 مشخصات قطعه کار مدل شده.

4-2-2 خواص مواد
مشخصات مادهي مورد استفاده، فولاد کمکربن (A36) ميباشد. خواص مواد متغير با دما است. در جدول 4-1 خواص مورد نياز در تحليل حرارتي و در جدول 4-2 خواص مورد نياز در تحليل مکانيکي آورده شده است. خواص مواد به صورت دادههاي گسسته براي نرمافزار تعريف ميشود و تغييرات خواص بين نقاط داده شده را نرمافزار به صورت خطي در نظر ميگيرد.

جدول 4-1 مشخصات مواد مورد نياز در تحليل حرارتي [23].
ضريب هدايت همرفت
ضريب انتقال حرارت
گرماي ويژه
دما
4
65
320
0
5
60
324
100
6
55
328
200
6.75
50
333
300
7.5
45
337
400
9
35
343
600
10.5
25
384
800
12.55
20
521
1200
13.15
95
526
1400
13.85
145
531
1600

جدول 4-2 مشخصات مواد مورد نياز در تحليل مکانيکي [23].
ضريب انبساط طولي
نسبت پواسون
ضريب مومساني
(GPa)
ضريب کشساني
(GPa)
تنش تسليم
(Mpa)
دما
(C)
1.00E-05
0.28
1
200
285
0
1.00E-05
0.3
0.95
198
270
100
1.00E-05
0.3
0.9
196
265
200
1.08E-05
0.31
0.85
194
245
300
1.15E-05
0.33
0.8
192
235
400
1.30E-05
0.33
0.65
180
205
600
1.45E-05
0.35
0.45
150
165
800
1.60E-05
0.4
0.1
90
85
1200
1.60E-05
0.42
0.05
60
45
1400
1.60E-05
0.44
0.03
44
35
1600

4-2-3 مشخصات منبع حرارتي
جوشکاري به صورت تک پاسه انجام شده و براي مدلسازي منبع حرارتي از روابط (2-17) استفاده مي‎شود. مشخصات مربوط به منبع جوشکاري در جدول 4-3 آمده است.

جدول 4-3 مشخصات منبع جوشکاري.
c (mm)
b (mm)
a2 (mm)
a1 (mm)
راندمان
سرعت جوشکاري (mm/s)
ولتاژ (V)
آمپر(A)
10
6
13
7
70%
5
20
210

4-3 تحليل حرارتي
در تحليل حرارتي شرايط مرزي به صورت همرفت از طريق سطوحي که با محيط اطراف در تماس هستند، صورت ميگيرد. مقدار ضريب هدايت همرفت تابعي از دما بوده و در جدول 4-1 آمده است.
با توجه به تقارن در قطعه کار، کافي است که فقط نيمي از مدل تحليل شود. همچنين با توجه به اين که بيشترين حرارت در ناحيه نزديک به ماده پرکننده ايجاد ميشود، بهتر است که در اين ناحيه جزءهاي مورد استفاده تا حد امکان ريز انتخاب شوند تا جوابهاي دقيقتري حاصل شود. براي اين منظور تعداد 1240 جزء سهبعدي با 7208 گره استفاده شده، هم‌چنين کوچکترين جزء مورد استفاده داراي ابعاد 89/2×5×5 ميلي‌متر است، که بر روي خط جوش قرار دارد. در شکل 4-2 مدل جزء محدود صفحه در نرم‎‎افزار نمايش داده شده است.

شکل 4-2 مدل جزء محدود صفحه در نرمافزار ANSYS.

4-3-1 جزء حرارتي
نرمافزارANSYS در تحليلها از دو نوع جزء خطي و جزء درجه دوم استفاده ميکند. جزءهاي خطي فاقد گره مياني و جزءهاي درجه دوم داراي گره مياني ميباشند. جزءهاي درجه دوم معمولاً در تحليلهاي سازه‎اي بهکار مي‌روند. همچنين اين جزءها در سطوح خميده داراي خطاي کمتري نسبت به جزءهاي خطي هستند. براي استفاده از جزءهاي خطي بايد شبکهبندي را ريزتر و از جزءهاي کوچک‌تري استفاده کرد. در صورت استفادهي همزمان از جزءهاي خطي و ناخطي بايد از جزءهاي واسطه که در آن‌ها امکان حذف گرههاي مياني وجود دارد استفاده نمود.
جزء SOLID90 براي تحليل حرارتي مدل استفاده ميشود. اين جزء سهبعدي بوده و درجه دوم است. داراي گره مياني ميباشد، که در مجموع داراي 20 گره است. در هر گره داراي يک درجه آزادي دمايي است. در شکل 4-3 شکل هندسي جزء SOLID90 نمايش داده شده است.

شکل 4-3 هندسه جزء SOLID90 [10].

جزء انتخابي قابليت تحليل ناخطي و اعمال خواص غيرمادي را داراست. از ميان جزءهاي حرارتي سه‌بعدي تنها جزء SOLID90 داراي قابليت تولد و مرگ14 جزء است که در فرآيند جوشکاري الزامي است. در بخش بعد اين قابليت تشريح ميگردد.

4-3-2 روش تولد و مرگ اجزاء
براي ايجاد مدل دقيقي از فرآيند جوشكاري كه در آن ماده پركننده به‌طور پيوسته به شيار جوش اضافه مي‏گردد از يك نوع شبكه اجزاي محدود متغير بازمان (تولد و مرگ اجزاي شبکه) استفاده ميشود. بدين ترتيب كه شبكه اجزاي محدود در اثر افزوده شدن فلز پركننده در طول فرآيند جوشكاري، به‌صورت پيوسته بازمان رشد ميكند. به طور ايدهآل، براي به دست آوردن نتايج دقيق ميبايست تحليل براي گامهاي زماني بسيار کوچک كه در آن مقدار بسيار كمي از ماده پركننده به شيار جوش افزوده ميشود، انجام گيرد و سپس اجزاي جديد جوش كه داراي ابعاد بسيار ريزي هستند، قبل از تحليل مدل بعدي، كه تأخير زماني بسيار كوچكي نسبت به مدل اخير دارد، به شبكه اجزاي محدود اضافه ميشوند. اين فرآيند متناوب تحليل و تعريف مجدد شبكه اجزاي محدود، همراه با تعريف شرايط مرزي جديد، تا تكميل شدن طول كل جوش ادامه مييابد. از نظر عملي اين كار بسيار طاقت‌فرسا و تقريباً غيرممکن است. بنابراين براي عملي شدن اين ايده، پذيرفتن مقداري تقريب براي سهولت اجرا ضروري به نظر ميرسد. بدين ترتيب كه فواصل زماني دو تحليل متوالي به جاي اين كه مقدار بسيار جزئي باشد، مقدار معين كوچكي در نظر گرفته ميشود. در اين روش در هر مرحله شبكهبندي جديد و شرايط مرزي جديدي تعيين معرفي ميگردد كه بسيار مشكل است.
البته لازم به ذكر است كه در نرمافزارهاي اجزاي محدود رايج، معمولاً ملاحظات ويژهاي به عنوان استراتژي حل عددي اين نوع مسائل در نظر گرفته شده است. از جمله در نرم‌افزار Abaqus براي اين منظور روش تولد و فعالسازي دوباره پيشنهاد گرديده است. در اين روش تمامي اجزاي يک شبکهبندي جوش از ابتداي تحليل حرارتي، وارد مدل ميشوند. يك تحليل كلي چند مرحلهاي انجام ميشود و در هر مرحله جزءهاي جديدي كه به منزله ماده پركننده جوش هستند، توسط روش فعالسازي مجدد با روند از پيش تعيين شدهاي وارد تحليل ميشوند. تعيين ترتيب فعالسازي جزء در مرحله پيش‌پردازش صورت ميگيرد.
در نرم‌افزار LUSASنيز اين قابليت با نام فعالسازي و غير فعالسازي وجود دارد كه متأسفانه براي بعضي از مسائل (از جمله انتقال حرارت) قابل استفاده نيست، ولي در مسائل مكانيكي مي‌توان از آن بهره گرفت. روش ديگر به كار رفته براي در نظر گرفتن افزايش تدريجي جزءها، استفاده از خواص مواد متغير در طول فرآيند جوشكاري است. در اين روش نيز تمام جزءهاي بيان‌کننده ماده جوش، از ابتداي تحليل در نظر گرفته ميشوند. با اين تفاوت كه تا زماني كه ماده پركننده وارد شيار جوش نشده است، خواص مواد جزء‎هاي متناظر برابر خواص فيزيكي و مكانيكي هوا است. خواص واقعي ماده پركننده، بلافاصله پس از اينكه جزءهاي متناظر با ماده پركننده وارد حوضچه جوش متحرك ميشود، اعمال ميگردد.
در برخي از مدلهاي ديگر، از اضافه شدن پيوسته فلز پركننده به سادگي صرف‌نظر شده است. به عبارت ديگر تمام جزءهاي جوش از ابتداي تحليل با خواص مواد واقعي وارد شدهاند. مشكل عمده روش اخير اين است كه سفتي زياد يك جزء فلز پركننده (قبل از وارد شدن به شيار جوش) الگوهاي جابجايي را در ناحيه مجاور آشفته ميسازد. بنابراين نتايج تنش پسماند نيز از دقت كمتري برخوردار ميشوند.

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید