دانشکده مهندس امضا
* استاد راهنما: دكتر فرزاد شهابيان
استاد گروه عمران دانشگاه فردوسي مشهد
* استاد مشاور: دكتر منصور قلعه‌نوي
دانشيار گروه عمران دانشگاه فردوسي مشهد
* استاد داور: دكتر عباس كرمالدين
استاديار گروه عمران دانشگاه فردوسي مشهد
* نماينده تحصيلات تكميلي: دكتر عباس كرم الدين
استاديار گروه عمران دانشگاه فردوسي مشهد
* مدير گروه: دكتر محمود فغفور مغربي
استاد گروه عمران دانشگاه فردوسي مشهد
سپاس‌گزاري

بدين وسيله نويسنده مراتب امتنان و سپاس خويش را از همه استادان فاضل و بزرگوار که تاکنون افتخار شاگردي در محضر مبارکشان را داشته است و از خرمن واسعه علم و معرفتشان خوشه برگرفته است، اظهار مينمايد. نويسنده بر خود لازم ميداند از زحمات و تلاش‌هاي صادقانه استاد راهنماي محترم جناب آقاي ” دکتر فرزاد شهابيان ” که کمکهاي ارزندهاي جهت انتخاب موضوع، گردآوري و تنظيم مطالب نمودند و با رهنمودهاي خويش نويسنده را در تهيه و تدوين اين پژوهش ياري دادند، صميمانه تشکر و قدرداني نمايد.
تحليل تنشهاي پسماند ناشي از جوشکاري در صفحات
داراي بازشو و سختکننده

چکيده
در فرآيند جوشکاري بعد از مرحلهي سرد شدن جسم، به علت توزيع ناهمسان دما، تنشهايي در آن باقي ميماند که تنش‌هاي پسماند ناميده ميشود. براي به دست آوردن اين تنشها بايد تاريخچه دمايي جسم در طي فرآيند جوشکاري در دسترس باشد. براي اين منظور ابتدا يک تحليل حرارتي صورت ميگيرد تا تاريخچه دمايي جسم به دست آيد. با داشتن تاريخچه دمايي و انجام تحليل مکانيکي، تنشها و تغييرشکل‎هاي پسماند به دست ميآيد.
در اين پژوهش، با استفاده از روش اجزاي محدود ناخطي در نرمافزار ANSYS، تحليل حرارتي و مکانيکي جوش براي صفحات داراي بازشو و سختکننده انجام‌گرفته و تنشهاي پسماند به دست آمده است. نتايج حاصل نشان ميدهد که در اثر وجود بازشو و سختکننده در صفحات، مقدار تنشهاي پسماند ناشي از جوشکاري ممکن است به ميزان 30 درصد تغيير يابد. بررسي اثر فاصله سختکننده از محور جوش نشان ميدهد که با افزايش اين فاصله تا 6 برابر ضخامت صفحه، تنشهاي پسماند کاهش مييابد و از اين فاصله به بعد، سختکننده تأثير چنداني در کاهش تنش‌هاي پسماند ندارد. با توجه به نتايج حاصل مشاهده ميشود که با انتخاب سخت‌کننده با مساحت سطح مقطع يکسان ولي با ضخامت بيشتر تا حدود 20 درصد از مقدار تنشهاي پسماند کاسته ميشود. بررسي تنشهاي پسماند در صفحات داراي بازشو و سختکننده با ابعاد مختلف نشان ميدهد که نسبت ابعاد صفحات تأثيري در مقدار و محل بيشينه تنشهاي پسماند ندارد.
واژههاي کليدي: تنشهاي پسماند جوشکاري، تحليل حرارتي، تحليل مکانيکي، صفحات، بازشو، سخت‌کننده.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول- مقدمه
1
1-1 پيشگفتار
1
1-2 مباني جوشکاري
3
1-2-1 تعريف جوش
3
1-2-2 انواع اتصالات جوشي
3
1-2-3 انواع جوش
4
1-2-4 جوش شياري
5
1-3 جوشکاري قوس الکتريکي با الکترود روکشدار
6
1-4 ساماندهي پاياننامه
7

فصل دوم- تحليل حرارتي و مكانيكي جوش
8
2-1 پيشگفتار
8
2-2 تحليل حرارتي
9
2-2-1 منبع حرارتي
12
2-2-1-1 بازده منبع حرارتي
12

2-2-1-2 شار حرارتي ناشي از قوس جوشكاري
13
2-2-1-3 نرخ توليد گرما
17
2-2-2 خواص ماده در تحليل حرارتي
18
2-2-3 تغيير فاز
18
2-2-4 شرايط مرزي
21
2-2-4-1 اتلاف حرارت جابجايي
21
2-2-4-2 انتقال حرارت تشعشعي
22
2-2-4-3 شار حرارتي
22
2-2-5 نتايج تحليل حرارتي
23
2-3 تحليل مكانيكي
24
2-3-1 روش تحليل ناخطي در روش اجزاي محدود
25
2-3-1-1 روش نيوتن- رافسون
26
2-3-2 خواص ماده در تحليل مكانيكي
28
2-3-3 نتايج تحليل مكانيكي
29
2-4 تنشهاي ناشي از جوشکاري
29

فصل سوم- تنشهاي پسماند ناشي از جوشكاري (مباني نظري و تاريخچه)
33
3-1 پيشگفتار
33
3-2 تنشهاي پسماند طولي ناشي از جوشکاري
35

3-3 تنش‌هاي پسماند عرضي ناشي از جوشكاري
40
3-4 روشهاي تعيين تنشهاي پسماند ناشي از جوشکاري
44
3-5 بررسي تاريخچه تأثير توالي يك جوش بر تنش‌هاي پسماند ناشي از جوشكاري
49
3-5-1 تاريخچه تحليل حرارتي
51
3-5-2 تاريخچه تحليل مكانيكي
52
3-5-3 نتايج به دست آمده از شبيه‌سازي
52
3-5-4 مقايسه نتايج
54
3-6 نتايج شبيهسازي تنش پسماند ناشي از جوشکاري
56
3-7 تأثير جهت جوشكاري بر تنش پسماند در جوشكاري چند پاسه (يك شياره)
59
3-8 تنشهاي پسماند ناشي از جوشكاري براي ورق ضخيم با شيار V شكل دو طرفه
61

فصل چهارم- مدلسازي فرآيند جوشکاري در ANSYS
70
4-1 پيشگفتار
70
4-2 مشخصات مورد نياز تحليل
70
4-2-1 هندسه قطعه کار
70
4-2-2 خواص مواد
71
4-2-3 مشخصات منبع حرارتي
72
4-3 تحليل حرارتي
72
4-3-1 جزء حرارتي
73

4-3-2 روش تولد و مرگ اجزاء
75
4-3-3 نتايج تحليل حرارتي
77
4-4 تحليل مکانيکي
79
4-4-1 جزء مکانيکي
80
4-4-2 مدلسازي تنشهاي پسماند
80
4-4-2-1 اثرات شبکهبندي بر نتايج تنش پسماند
81
4-4-2-2 تنشهاي پسماند طولي
83
4-4-2-3 تنشهاي پسماند جانبي
84

فصل پنجم- صفحات داراي بازشو
86
5-1 پيشگفتار
86
5-2 مشخصات مورد نياز تحليل
86
5-2-1 هندسه قطعه کار
86
5-2-2 خواص مواد
87
5-3 تحليل حرارتي
87
5-4 تحليل مکانيکي
91
5-5 تأثير ابعاد صفحه بر تنشهاي پسماند
93

فصل ششم- صفحات داراي سختکننده
96

6-1 پيشگفتار
96
6-2 مشخصات مورد نياز تحليل
96
6-2-1 هندسه قطعه کار
96
6-2-2 خواص مواد
97
6-3 تحليل حرارتي
97
6-4 تحليل مکانيکي
101
6-5 تأثير ابعاد صفحه بر تنشهاي پسماند
102
6-6 تأثير ابعاد سختکنندهها بر تنشهاي پسماند
103
6-7 تأثير فاصله سختکننده از محور جوش بر تنشهاي پسماند
106
6-7-1 هندسه قطعه کار
106

6-8 صفحات داراي ترکيب بازشو و سختکننده
109
6-8-1 تحليل حرارتي
110
6-8-2 تنشهاي پسماند در صفحات داراي ترکيب بازشو و سختکننده
111

فصل هفتم- نتيجهگيري و پيشنهاد براي ادامه پژوهش
112
7-1 پيشگفتار
112
7-2 نتايج
113
7-3 پيشنهاد براي ادامه پژوهش
114
مراجع
115

فهرست شکلها
شکل
صفحه
شكل 1-1 نواحي تشکيل‌دهنده جوش
3
شكل 1-2 انواع اتصالات جوشکاري
4
شكل 1-3 انواع جوش مورد استفاده در اتصالات
5
شكل 1-4 انواع آمادهسازي لبه
5
شكل 1-5 جوش قوس الکتريکي با الکترود روکشدار
6
شکل 2-1 پروفيل گوسي متحرك در حين جوشكاري
14
شکل 2-2 تغيير خواص فولاد نرمه معمولي نسبت به دما
18
شکل 2-3 نمودار آنتالپي- دما براي يك ماده آلياژي
20
شکل 2-4 روش حل مرحلهاي – تكراري براي مسائل ناخطي
25
شکل 2-5 روش طول قوس براي حل مسائل با هندسه ناخطي
26
شکل 2-6 مراحل روش نيوتن- رافسون
28
شكل 2-7 تنش‌هاي پسماند ثبت ‌شده روي چند ذره فلزي
30
شكل 3-1 مثالهايي از توزيع تنش‌هاي طولي ناشي از جوشكاري
36
شكل 3-2 منحني خصوصيات انبساطي
37
شكل 3-3 نمايش سه بعدي از توزيع تنش‌هاي پسماند طولي ناشي از جوشكاري
38
شكل 3-4 تأثير طول نمونه جوشكاري
39

شکل 3-5 تنشهاي پسماند عرضي ناشي از جوشكاري يك پاسه
42
شکل 3-6 نمايش سه بعدي از توزيع تنشهاي پسماند عرضي
43
شکل 3-7 تنشهاي پسماند عرضي در راستاي عمق ضخامت
44
شکل 3-8 مدل دو بعدي جريان انتقال حرارت
45
شکل 3-9 هندسه قطعه کار و مدل سه بعدي قطعه کار در نرمافزار
46
شکل 3-10 اتصال سپري
46
شکل 3-11 تغييرشکل جسم پس از جوشکاري
47
شکل 3-12 سطح مقطع جوش و مدل‌سازي شده در نرمافزار
47
شکل 3-13 تاريخچه دمايي براي چند نقطه بر روي سطح داخلي
48
شکل 3-14- الف توزيع تنش پسماند طولي در سطح داخلي
48
شکل 3-14- ب توزيع تنش پسماند شعاعي در سطح داخلي
48
شکل 3-15- الف توزيع تنش پسماند طولي در سطح بيروني
49
شکل 3-15- ب توزيع تنش پسماند شعاعي در سطح بيروني
49
شكل 3-16 طرح اتصال براي جوش محيطي در استوانه
50
شكل 3-17 توالي جوشكاري براي حالت 1 (3 پاسه) و حالت 2 (8 پاسه)
50
شكل 3-18 منحني به كار رفته جهت حرارت ورودي (كل زمان = T)
51
شكل 3-19 نمودار حرارت در برابر زمان براي حالت 1
52
شكل 3-20 نمودار حرارت در برابر زمان براي حالت 2
53
شكل 3-21 مقادير تنش‌هاي پسماند براي هر دو حالت 1 و 2
53

شكل 3-22 نتايج تغيير شكلهاي محوري براي هر دو حالت 1 و 2
54
شكل 3-23 نتايج به دست براي تغييرات حرارتي نسبت به زمان در فاصله 7/12 ميليمتر از خط نزديكي جوش روي سطح داخلي لوله بعد از آخرين پاس (براي حالت 1)
55
شكل 3-24 نتايج به دست آمده توسط 6 سازمان براي تنش‌هاي عرضي در سرتاسر ضخامت روي خط مركزي جوش بعد از آخرين پاس (براي حالت 1)
56
شكل 3-25 جهت‌هاي جوشكاري
57
شكل 3-26 توزيع تنش‌هاي معادل در مركز جوش
58
شكل 3-27 مشبندي صفحه
60
شكل 3-28 توزيع تنش‌هاي معادل در مقطع مركزي جوش
60
شكل 3-29 توزيع تنش‌هاي پسماند طولي در مقطع مركزي جوش
60
شكل 3-30 ابعاد نمونه شبيه‌سازي بر حسب ميلي‌متر
62
شكل 3-31 مشبندي براي جوش v شكل دو طرفه
62
شكل 3-32 تقسيم‌بندي لايهها
62
شكل 3-33 توزيع تنش‌هاي معادل
63
شكل 3-34 توزيع تنش‌هاي پسماند عرضي
63
شكل 3-35 توزيع تنش‌هاي پسماند طولي
64
شكل 3-36 توزيع تنش‌هاي معادل در سرتاسر ضخامت روي مقطع مركزي جوش
64
شكل 3-37 توزيع تنش‌هاي عرضي در سرتاسر ضخامت روي مقطع مركزي جوش
65
شكل 3-38 توزيع تنش‌هاي طولي در سرتاسر ضخامت روي مقطع مركزي جوش
66

شكل 3-39 مقايسه نتايج آزمايشگاهي با شبيهسازي (تنش‌هاي پسماند عرضي)
66
شكل 3-40 مقايسه نتايج آزمايشگاهي با شبيهسازي (تنش‌هاي پسماند طولي)
67
شكل 3-41 مقايسه تنش‌هاي عرضي بين لايههاي همجهت و لايههاي معكوس
68
شکل 4-1 مشخصات قطعه کار مدل شده
71
شکل 4-2 مدل جزء محدود صفحه در نرمافزار ANSYS
73
شکل 4-3 هندسه جزء SOLID90
74
شکل 4-4 توزيع دما و جهت جوشکاري
77
شکل 4-5 تاريخچه دمايي سه نقطه از مقطع مياني صفحه
78
شکل 4-6 دماي گرههاي مدل در زمان 16 ثانيه
79
شکل 4-7 جزء SOLID186
80
شکل 4-8 سه شبکهبندي مورد تحليل
82
شکل 4-9 توزيع تنش پسماند طولي در مقطع مياني صفحه
83
شکل 4-10 توزيع تنش پسماند طولي بر روي محور جوش
84
شکل 4-11 توزيع تنش پسماند جانبي در مقطع مياني صفحه
85
شکل 4-12 توزيع تنش پسماند جانبي بر روي محور جوش
85
شکل 5-1 مشخصات قطعه کار مدل شده
87
شکل 5-2 مدل اجزاء محدود صفحه و توالي جوشکاري
88
شکل 5-3 توزيع دما و جهت جوشکاري
88
شکل 5-4 تاريخچه دمايي چهار نقطه در مقطع ابتدايي صفحه
89

شکل 5-5 تاريخچه دمايي چهار نقطه در مقطع مياني صفحه
89
شکل 5-6 تاريخچه دمايي چهار نقطه در مقطع انتهايي صفحه
89
شکل 5-7 تاريخچه دمايي 5 نقطه روي محور جوش در مقاطع مختلف صفحه
90
شکل 5-8 دماي گرههاي مدل در زمان 125 ثانيه
91
شکل 5-9 توزيع تنش پسماند جانبي در راستاي X
92
شکل 5-10 توزيع تنش پسماند جانبي در راستاي Y
92
شکل 5-11 توزيع تنش پسماند طولي در راستاي Z
93
شکل 5-12 توزيع تنش پسماند فون مايزز در صفحه
94
شکل 5-13 توزيع تنش طولي در چند مقطع مياني از صفحه
94
شکل 6-1 مشخصات قطعه کار
97
شکل 6-2 مدل اجزاي محدود صفحه داراي سختکننده
98
شکل 6-3 نحوه توزيع دماي ناشي از جوشکاري در صفحه داراي سختکننده
98
شکل 6-4 تاريخچه دمايي در مقطعmm Y=0

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید