عمران

دانلود پایان نامه تحلیل تنش های پسماند ناشی از جوشکاری در صفحات دارای بازشو و سخت کننده

پایان نامه رشته : عمران

گرایش :سازه

عنوان :   تحلیل تنش های پسماند ناشی از جوشکاری در صفحات دارای بازشو و سخت کننده

  دانشکده­ مهندسی

  گروه مهندسی عمران

پایان ­نامه کارشناسی ارشد سازه

تحلیل تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری در صفحات

 دارای بازشو و سخت­کننده

استاد راهنما:

جناب آقای دکتر شهابیان

تابستان 1393

 


(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

چکیده
در فرآیند جوشکاری بعد از مرحله­ی سرد شدن جسم، به علت توزیع ناهمسان دما، تنش­هایی در آن باقی می­ماند که تنش‌های پسماند نامیده می­شود. برای به دست آوردن این تنش­ها باید تاریخچه دمایی جسم در طی فرآیند جوشکاری در دسترس باشد. برای این منظور ابتدا یک تحلیل حرارتی صورت می­گیرد تا تاریخچه دمایی جسم به دست آید. با داشتن تاریخچه دمایی و انجام تحلیل مکانیکی، تنش­ها و تغییرشکل‎های پسماند به دست می­آید.
در این پژوهش، با استفاده از روش اجزای محدود ناخطی در نرم­افزار ANSYS، تحلیل حرارتی و مکانیکی جوش برای صفحات دارای بازشو و سخت­کننده انجام‌گرفته و تنش­های پسماند به دست آمده است. نتایج حاصل نشان می­دهد که در اثر وجود بازشو و سخت­کننده در صفحات، مقدار تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری ممکن است به میزان 30 درصد تغییر یابد. بررسی اثر فاصله سخت­کننده ­از محور جوش نشان می­دهد که با افزایش این فاصله تا 6 برابر ضخامت صفحه، تنش­های پسماند کاهش می­یابد و از این فاصله به بعد، سخت­کننده تأثیر چندانی در کاهش تنش‌های پسماند ندارد. با توجه به نتایج حاصل مشاهده می­شود که با انتخاب سخت‌کننده با مساحت سطح مقطع یکسان ولی با ضخامت بیشتر تا حدود 20 درصد از مقدار تنش­های پسماند کاسته می­شود. بررسی تنش­های پسماند در صفحات دارای بازشو و سخت­کننده با ابعاد مختلف نشان می­دهد که نسبت ابعاد صفحات تأثیری در مقدار و محل بیشینه تنش­های پسماند ندارد.
واژه­های کلیدی: تنش­های پسماند جوشکاری، تحلیل حرارتی، تحلیل مکانیکی، صفحات، بازشو، سخت‌کننده.
 
فهرست مطالب
عنوان                                                                           صفحه

 فصل اول- مقدمه1
1-1 پیش­گفتار1 
1-2 مبانی جوشکاری3 
1-2-1 تعریف جوش3 
1-2-2 انواع اتصالات جوشی3 
1-2-3 انواع جوش4 
1-2-4 جوش شیاری5 
1-3 جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکش­دار6 
1-4 ساماندهی پایان ­نامه7 
  
فصل دوم- تحلیل حرارتی و مکانیکی جوش
8 
2-1 پیش­گفتار8 
2-2 تحلیل حرارتی9 
2-2-1 منبع حرارتی12 
2-2-1-1 بازده منبع حرارتی12 

 

2-2-1-2 شار حرارتی ناشی از قوس جوشکاری13 
2-2-1-3 نرخ تولید گرما17 
2-2-2 خواص ماده در تحلیل حرارتی18 
2-2-3 تغییر فاز18 
2-2-4 شرایط مرزی21 
2-2-4-1 اتلاف حرارت جابجایی21 
2-2-4-2 انتقال حرارت تشعشعی22 
2-2-4-3 شار حرارتی22 
2-2-5 نتایج تحلیل حرارتی23 
2-3 تحلیل مکانیکی24 
2-3-1 روش تحلیل ناخطی در روش اجزای محدود25 
2-3-1-1 روش نیوتن- رافسون26 
2-3-2 خواص ماده در تحلیل مکانیکی28 
2-3-3 نتایج تحلیل مکانیکی29 
2-4 تنش­های ناشی از جوشکاری        29 
   
 فصل سوم- تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری (مبانی نظری و تاریخچه)33
3-1 پیش­گفتار33 
3-2 تنش­های پسماند طولی ناشی از جوشکاری35 

 

3-3 تنش‌های پسماند عرضی ناشی از جوشکاری40 
3-4 روش­های تعیین تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری44 
3-5 بررسی تاریخچه تأثیر توالی یک جوش بر تنش‌های پسماند ناشی از جوشکاری49 
3-5-1 تاریخچه تحلیل حرارتی51 
3-5-2 تاریخچه تحلیل مکانیکی52 
3-5-3 نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی52 
3-5-4 مقایسه نتایج54 
3-6 نتایج شبیه­سازی تنش پسماند ناشی از جوشکاری56 
3-7 تأثیر جهت جوشکاری بر تنش پسماند در جوشکاری چند پاسه (یک شیاره)59 
3-8 تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری برای ورق ضخیم با شیار V شکل دو طرفه61 
  
فصل چهارم- مدل­سازی فرآیند جوشکاری در ANSYS
70
 4-1 پیش­گفتار70
 4-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل70
 4-2-1 هندسه قطعه­ کار70
 4-2-2 خواص مواد71
 4-2-3 مشخصات منبع حرارتی72
 4-3 تحلیل حرارتی72
 4-3-1 جزء حرارتی73

 

4-3-2 روش تولد و مرگ اجزاء75
4-3-3 نتایج تحلیل حرارتی77
4-4 تحلیل مکانیکی79
4-4-1 جزء مکانیکی80
4-4-2 مدل­سازی تنش­های پسماند80
4-4-2-1 اثرات شبکه­بندی بر نتایج تنش پسماند81
4-4-2-2 تنش­های پسماند طولی83
4-4-2-3 تنش­های پسماند جانبی84
  
فصل پنجم- صفحات دارای بازشو86
5-1 پیش­گفتار86
5-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل86
5-2-1 هندسه قطعه کار86
5-2-2 خواص مواد87
5-3 تحلیل حرارتی87
5-4 تحلیل مکانیکی91
5-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنش­های پسماند93
  
فصل ششم- صفحات دارای سخت­کننده96

 

6-1 پیش­گفتار96 
6-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل96 
6-2-1 هندسه قطعه کار96
6-2-2 خواص مواد97
6-3 تحلیل حرارتی97
6-4 تحلیل مکانیکی101
6-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنش­های پسماند102
6-6 تأثیر ابعاد سخت­کننده­ها بر تنش­های پسماند103
6-7 تأثیر فاصله سخت­کننده از محور جوش بر تنش­های پسماند106
6-7-1 هندسه قطعه کار106
6-8 صفحات دارای ترکیب بازشو و سخت­کننده109
6-8-1 تحلیل حرارتی110
6-8-2 تنش­های پسماند در صفحات دارای ترکیب بازشو و سخت­کننده111
  
فصل هفتم نتیجه­گیری و پیشنهاد برای ادامه پژوهش112
7-1 پیش­گفتار112
7-2 نتایج113
7-3 پیشنهاد برای ادامه پژوهش114
مراجع115

 
فهرست شکل­ها

شکلصفحه
شکل 1-1 نواحی تشکیل‌دهنده جوش3
شکل 1-2 انواع اتصالات جوشکاری4
شکل 1-3 انواع جوش مورد استفاده در اتصالات5
شکل 1-4 انواع آماده­سازی لبه5
شکل 1-5 جوش قوس الکتریکی با الکترود روکش­دار6
شکل 2-1 پروفیل گوسی متحرک در حین جوشکاری14
شکل 2-2 تغییر خواص فولاد نرمه معمولی نسبت به دما18
شکل 2-3 نمودار آنتالپی– دما برای یک ماده آلیاژی20
شکل 2-4 روش حل مرحله­ای – تکراری برای مسائل ناخطی25
شکل 2-5 روش طول قوس برای حل مسائل با هندسه ناخطی26
شکل 2-6 مراحل روش نیوتن- رافسون28
شکل 2-7 تنش‌های پسماند ثبت ‌شده روی چند ذره فلزی30
شکل 3-1 مثال­هایی از توزیع تنش‌های طولی ناشی از جوشکاری36
شکل 3-2 منحنی خصوصیات انبساطی37
شکل 3-3 نمایش سه­­ بعدی از توزیع تنش‌های پسماند طولی ناشی از جوشکاری38
شکل 3-4 تأثیر طول نمونه جوشکاری39

 

شکل 3-5 تنش­های پسماند عرضی ناشی از جوشکاری یک پاسه42 
شکل 3-6 نمایش سه­ بعدی از توزیع تنش­های پسماند عرضی43 
شکل 3-7 تنش­های پسماند عرضی در راستای عمق ضخامت44 
شکل 3-8 مدل دو بعدی جریان انتقال حرارت45 
شکل 3-9 هندسه قطعه کار و مدل سه بعدی قطعه کار در نرم­افزار46 
شکل 3-10 اتصال سپری46 
شکل 3-11 تغییرشکل جسم پس از جوشکاری47 
شکل 3-12 سطح مقطع جوش و مدل‌سازی شده در نرم­افزار47 
شکل 3-13 تاریخچه دمایی برای چند نقطه بر روی سطح داخلی48 
شکل 3-14– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح داخلی48 
شکل 3-14– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح داخلی48 
شکل 3-15– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح بیرونی49 
شکل 3-15– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح بیرونی49 
شکل 3-16 طرح اتصال برای جوش محیطی در استوانه  50 
شکل 3-17 توالی جوشکاری برای حالت 1 (3 پاسه) و حالت 2 (8 پاسه)50 
شکل 3-18 منحنی به کار رفته جهت حرارت ورودی (کل زمان = T)51 
شکل 3-19 نمودار حرارت در برابر زمان برای حالت 152
شکل 3-20 نمودار حرارت در برابر زمان برای حالت 253
شکل 3-21 مقادیر تنش‌های پسماند برای هر دو حالت 1 و 253

 

شکل 3-22 نتایج تغییر شکل­های محوری برای هر دو حالت 1 و 254
شکل 3-23 نتایج به دست برای تغییرات حرارتی نسبت به زمان در فاصله 7/12 میلی­متر از خط نزدیکی جوش روی سطح داخلی لوله بعد از آخرین پاس (برای حالت 1)55
شکل 3-24 نتایج به دست آمده توسط 6 سازمان برای تنش‌های عرضی در سرتاسر ضخامت روی خط مرکزی جوش بعد از آخرین پاس (برای حالت 1)56 
شکل 3-25 جهت‌های جوشکاری57 
شکل 3-26 توزیع تنش‌های معادل در مرکز جوش58 
شکل 3-27 مش­بندی صفحه60 
شکل 3-28 توزیع تنش‌های معادل در مقطع مرکزی جوش60 
شکل 3-29 توزیع تنش‌های پسماند طولی در مقطع مرکزی جوش60 
شکل 3-30 ابعاد نمونه شبیه‌سازی بر حسب میلی‌متر62 
شکل 3-31 مش­بندی برای جوش v شکل دو طرفه62 
شکل 3-32 تقسیم‌بندی لایه­ها62 
شکل 3-33 توزیع تنش‌های معادل63 
شکل 3-34 توزیع تنش‌های پسماند عرضی63 
شکل 3-35 توزیع تنش‌های پسماند طولی64 
شکل 3-36 توزیع تنش‌های معادل در سرتاسر ضخامت روی مقطع مرکزی جوش64 
شکل 3-37 توزیع تنش‌های عرضی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مرکزی جوش65 
شکل 3-38 توزیع تنش‌های طولی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مرکزی جوش66 

 

شکل 3-39 مقایسه نتایج آزمایشگاهی با شبیه­سازی (تنش‌های پسماند عرضی)66
شکل 3-40 مقایسه نتایج آزمایشگاهی با شبیه­سازی (تنش‌های پسماند طولی)67
شکل 3-41 مقایسه­ تنش‌های عرضی بین لایه­های هم­جهت و لایه­های معکوس68
شکل 4-1 مشخصات قطعه کار مدل شده71
شکل 4-2 مدل جزء محدود صفحه در نرم­افزار ANSYS73
شکل 4-3 هندسه جزء SOLID9074
شکل 4-4 توزیع دما و جهت جوشکاری77
شکل 4-5 تاریخچه دمایی سه نقطه از مقطع میانی صفحه78
شکل 4-6 دمای گره­های مدل در زمان 16 ثانیه79
شکل 4-7 جزء  SOLID18680
شکل 4-8 سه شبکه­بندی مورد تحلیل82
شکل 4-9 توزیع تنش­ پسماند طولی در مقطع میانی صفحه83
شکل 4-10 توزیع تنش پسماند طولی بر روی محور جوش84
شکل 4-11 توزیع تنش­ پسماند جانبی در مقطع میانی صفحه85
شکل 4-12 توزیع تنش پسماند جانبی بر روی محور جوش85
شکل 5-1 مشخصات قطعه کار مدل شده87
شکل 5-2 مدل اجزاء محدود صفحه و توالی جوشکاری88
شکل 5-3 توزیع دما و جهت جوشکاری88
شکل 5-4 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع ابتدایی صفحه89

 

شکل 5-5 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع میانی صفحه89
شکل 5-6 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع انتهایی صفحه89
شکل 5-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه90
شکل 5-8 دمای گره­های مدل در زمان 125 ثانیه91
شکل 5-9 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای X92
شکل 5-10 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای Y92
شکل 5-11 توزیع تنش پسماند طولی در راستای Z93
شکل 5-12 توزیع تنش پسماند فون مایزز در صفحه94
شکل 5-13 توزیع تنش طولی در چند مقطع میانی از صفحه94
شکل 6-1 مشخصات قطعه کار97
شکل 6-2 مدل اجزای محدود صفحه دارای سخت­کننده98
شکل 6-3 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سخت­کننده98
شکل 6-4 تاریخچه دمایی در مقطعmm  Y=0 صفحه با سخت­کننده99
شکل 6-5 تاریخچه دمایی در مقطعmm  Y=200 صفحه با سخت­کننده99
شکل 6-6 تاریخچه دمایی در مقطع Y=400 mm صفحه با سخت­کننده99
شکل 6-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه100
شکل 6-8 گرادیان حرارتی در مقطعY=200 mm  بر حسب فاصله از محور جوش101
شکل 6-9 سه مقطع مورد تحلیل در صفحه102
شکل 6-10 تنش پسماند در مقطع Y=200 mm صفحه در جهت Y102

 

شکل 6-11 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 5/7104
شکل 6-12 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 10104
شکل 6-13 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 5/12104
شکل 6-14 مقایسه تنش­های پسماند صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 5/12
در دو راستای X و Y در Y=200 mm
105
شکل 6-15 مشخصات قطعه کار106
شکل 6-16 مدل اجزای محدود صفحه دارای سخت­کننده با فواصل مختلف از محور جوش107
شکل 6-17 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سخت­کننده با فواصل مختلف از محور جوش108
شکل 6-18 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با فواصل مختلف109
شکل 6-19 مدل اجزای محدود صفحات دارای ترکیب بازشو و سخت­کننده110
شکل 6-20 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سخت­کننده و بازشوی مربعی110
شکل 6-21 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 5/7 و بازشو دایروی و مربعی با نسبت سطح بازشو به سطح کل 1/0111

 
 
فهرست جدول­ها
 

جدولصفحه
جدول 3-1 حرارت ورودی برای حالت 150
جدول 3-2 حرارت ورودی برای حالت 2  51
جدول 3-3 حداکثر تنش‌های پسماند برای جهت‌های مختلف جوشکاری چند لایه58
جدول 3-4 حداکثر تنش‌های پسماند برای جهت‌های مختلف جوشکاری چند پاسه61
جدول 3-5 حداکثر تنش‌های پسماند برای توالی‌های مختلف67
جدول 4-1 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل حرارتی71
جدول 4-2 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل مکانیکی72
جدول 4-3 مشخصات منبع جوشکاری72
جدول 4-4 نتایج بیشینه و کمینه تنش­پسماند در شبکه­بندی­های شکل (4-8) و مرجع [24]82

 
 
 
فصل اول
 
مقدمه
 
1-1 پیش­گفتار
برای اتصال دو قطعه، روش­های مختلفی وجود دارد. مهم‌ترین این روش­ها استفاده از جوش، پیچ و پرچ است. در این میان استفاده از جوش در ساختمان­سازی بسیار رایج است. قدمت استفاده از جوش در ساخت اسکلت­­های فولادی شاید به 100 سال برسد. طی این سال­ها، پیشرفت­های قابل‌توجهی در شناخت جوش و توسعه فن­آوری مربوط به آن صورت گرفته است.
مهم‌ترین دلایل استفاده از جوش را می‌توان به طور خلاصه به صورت زیر بیان نمود:
1- برای اتصال دو قطعه به هم محدودیتی در ضخامت وجود ندارد.
2- سرعت بالای تولید.
3- استحکام بالا (ساختار یکپارچه).
4- اقتصادی بودن اتصال.
5- انعطاف­پذیری در طراحی جوش (تنوع فرآیندهای جوشکاری و قابلیت انجام شدن دستی یا خودکار).
اما با در نظر گرفتن این مزایا فرآیند جوشکاری دارای معایب زیر است:
1- اتصال دایمی بوده و امکان جداسازی قطعات وجود ندارد.
2- نیاز به بازرسی.
3- نیاز به مهارت در روش­های دستی و تجهیزات گران­قیمت در روش­های خودکار.
اما مهم‌ترین عیب در یک قطعه جوشکاری شده، تولید تنش و تغییر شکل پسماند[1] در قطعه است. در عملیات جوشکاری، بعد از مرحله سرد شدن جسم، تنش‌هایی در آن باقی می‌ماند که به آن‌ها تنش‌های پسماند می‌گویند. این تنش‌ها و همچنین تغییر شکل‌های ناخواسته ناشی از جوشکاری، مهم‌ترین عواملی هستند که باعث ضعیف شدن اتصالات جوش و ناکارایی آن‌ها در تحمل طولانی مدت بارها، شده‌اند. از این رو، مهندسین علاقمند به دانش کاملی از توزیع تنش‌های پسماند در سرتاسر جوش، روش‌های تغییر دادن آن و نیز انتخاب روند جوشکاری مناسب که بتواند تنش‌های پسماند را به حداقل ممکن کاهش دهد، هستند ]1[.
روش‌های تجربی اندازه‌گیری تنش‌های پسماند جوشکاری علاوه بر گران‌قیمت بودن در بعضی از موارد مستلزم عملیات سوراخ‌کاری و یا مقطع زنی در قطعه جوش داده‌شده بوده و فقط مقدار تنش را در سوراخ‌های ایجادشده و یا در بلوک‌های جداشده به دست می‌دهند. پیشرفت روش‌های تجربی نا­مخرب اگرچه توانست تا حدودی این کاستی‌ها را جبران کند، ولی نمی‌تواند جوابگوی تمامی مشکلات باشد. به همین دلیل نیاز بیش­تری به روش‌های تحلیلی احساس می‌شود.
با وجود این معضلات، جوشکاری هنوز به عنوان بهترین روش اتصال قطعات مورد استفاده قرار می‎گیرد. از همین ­رو، در زمینه رفتار جوش در موارد گوناگون مطالعه شده و استانداردهای مناسبی ارائه گردیده است و از این استانداردها به طور جدی در طراحی و اجرای اتصالات جوش استفاده می­شود و می‌توان از مشکلات به وجود آمده در قطعات جوشکاری شده پیشگیری نمود.
1 Residual

تعداد صفحه :  149
قیمت : 14700تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :               serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***