دانشکده­ مهندسی

  گروه مهندسی عمران

پایان­نامه کارشناسی ارشد سازه

تحلیل تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری در صفحات

 دارای بازشو و سخت­کننده

استاد راهنما:

جناب آقای دکتر شهابیان

تابستان 1393

 

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
چکیده
در فرآیند جوشکاری بعد از مرحله­ی سرد شدن جسم، به علت توزیع ناهمسان دما، تنش­هایی در آن باقی می­ماند که تنش‌های پسماند نامیده می­گردد. برای به دست آوردن این تنش­ها بایستی تاریخچه دمایی جسم در طی فرآیند جوشکاری در دسترس باشد. برای این مقصود آغاز 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 بهره گیری 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 می باشد. نتایج حاصل نشان می­دهد که در اثر وجود بازشو و سخت­کننده در صفحات، مقدار تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری ممکن می باشد به اندازه 30 درصد تغییر یابد. مطالعه 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 در نظر داشتن نتایج حاصل نظاره می­گردد که با انتخاب سخت‌کننده با مساحت سطح مقطع یکسان اما با ضخامت بیشتر تا حدود 20 درصد از مقدار تنش­های پسماند کاسته می­گردد. مطالعه 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- مقدمه 1
1-1 پیش­گفتار 1  
1-2 مبانی جوشکاری 3  
1-2-1 تعریف جوش 3  
1-2-2 انواع اتصالات جوشی 3  
1-2-3 انواع جوش 4  
1-2-4 جوش شیاری 5  
1-3 جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکش­دار 6  
1-4 ساماندهی پایان­نامه 7  
   
فصل دوم- تحلیل حرارتی و مکانیکی جوش
8  
2-1 پیش­گفتار 8  
2-2 تحلیل حرارتی 9  
2-2-1 منبع حرارتی 12  
2-2-1-1 بازده منبع حرارتی 12  

 

2-2-1-2 شار حرارتی ناشی از قوس جوشکاری 13  
2-2-1-3 نرخ تولید گرما 17  
2-2-2 خواص ماده در تحلیل حرارتی 18  
2-2-3 تغییر فاز 18  
2-2-4 شرایط مرزی 21  
2-2-4-1 اتلاف حرارت جابجایی 21  
2-2-4-2 انتقال حرارت تشعشعی 22  
2-2-4-3 شار حرارتی 22  
2-2-5 نتایج تحلیل حرارتی 23  
2-3 تحلیل مکانیکی 24  
2-3-1 روش تحلیل ناخطی در روش اجزای محدود 25  
2-3-1-1 روش نیوتن- رافسون 26  
2-3-2 خواص ماده در تحلیل مکانیکی 28  
2-3-3 نتایج تحلیل مکانیکی 29  
2-4 تنش­های ناشی از جوشکاری         29  
     
  فصل سوم- تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری (مبانی نظری و تاریخچه) 33
3-1 پیش­گفتار 33  
3-2 تنش­های پسماند طولی ناشی از جوشکاری 35  

 

3-3 تنش‌های پسماند عرضی ناشی از جوشکاری 40  
3-4 روش­های تعیین تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری 44  
3-5 مطالعه تاریخچه تأثیر توالی یک جوش بر تنش‌های پسماند ناشی از جوشکاری 49  
3-5-1 تاریخچه تحلیل حرارتی 51  
3-5-2 تاریخچه تحلیل مکانیکی 52  
3-5-3 نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی 52  
3-5-4 مقایسه نتایج 54  
3-6 نتایج شبیه­سازی تنش پسماند ناشی از جوشکاری 56  
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 طرفه 61  
   
فصل چهارم- مدل­سازی فرآیند جوشکاری در ANSYS
70
  4-1 پیش­گفتار 70
  4-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل 70
  4-2-1 هندسه قطعه­ کار 70
  4-2-2 خواص مواد 71
  4-2-3 مشخصات منبع حرارتی 72
  4-3 تحلیل حرارتی 72
  4-3-1 جزء حرارتی 73

 

4-3-2 روش تولد و مرگ اجزاء 75
4-3-3 نتایج تحلیل حرارتی 77
4-4 تحلیل مکانیکی 79
4-4-1 جزء مکانیکی 80
4-4-2 مدل­سازی تنش­های پسماند 80
4-4-2-1 اثرات شبکه­بندی بر نتایج تنش پسماند 81
4-4-2-2 تنش­های پسماند طولی 83
4-4-2-3 تنش­های پسماند جانبی 84
   
فصل پنجم- صفحات دارای بازشو 86
5-1 پیش­گفتار 86
5-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل 86
5-2-1 هندسه قطعه کار 86
5-2-2 خواص مواد 87
5-3 تحلیل حرارتی 87
5-4 تحلیل مکانیکی 91
5-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنش­های پسماند 93
   
فصل ششم- صفحات دارای سخت­کننده 96

 

6-1 پیش­گفتار 96  
6-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل 96  
6-2-1 هندسه قطعه کار 96
6-2-2 خواص مواد 97
6-3 تحلیل حرارتی 97
6-4 تحلیل مکانیکی 101
6-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنش­های پسماند 102
6-6 تأثیر ابعاد سخت­کننده­ها بر تنش­های پسماند 103
6-7 تأثیر فاصله سخت­کننده از محور جوش بر تنش­های پسماند 106
6-7-1 هندسه قطعه کار 106
6-8 صفحات دارای ترکیب بازشو و سخت­کننده 109
6-8-1 تحلیل حرارتی 110
6-8-2 تنش­های پسماند در صفحات دارای ترکیب بازشو و سخت­کننده 111
   
فصل هفتم نتیجه­گیری و پیشنهاد برای ادامه پژوهش 112
7-1 پیش­گفتار 112
7-2 نتایج 113
7-3 پیشنهاد برای ادامه پژوهش 114
مراجع 115

 
فهرست شکل­ها

شکل صفحه
شکل 1-1 نواحی تشکیل‌دهنده جوش 3
شکل 1-2 انواع اتصالات جوشکاری 4
شکل 1-3 انواع جوش مورد بهره گیری در اتصالات 5
شکل 1-4 انواع آماده­سازی لبه 5
شکل 1-5 جوش قوس الکتریکی با الکترود روکش­دار 6
شکل 2-1 پروفیل گوسی متحرک در حین جوشکاری 14
شکل 2-2 تغییر خواص فولاد نرمه معمولی نسبت به دما 18
شکل 2-3 نمودار آنتالپی– دما برای یک ماده آلیاژی 20
شکل 2-4 روش حل مرحله­ای – تکراری برای مسائل ناخطی 25
شکل 2-5 روش طول قوس برای حل مسائل با هندسه ناخطی 26
شکل 2-6 مراحل روش نیوتن- رافسون 28
شکل 2-7 تنش‌های پسماند ثبت ‌شده روی چند ذره فلزی 30
شکل 3-1 مثال­هایی از توزیع تنش‌های طولی ناشی از جوشکاری 36
شکل 3-2 منحنی خصوصیات انبساطی 37
شکل 3-3 نمایش سه­­ بعدی از توزیع تنش‌های پسماند طولی ناشی از جوشکاری 38
شکل 3-4 تأثیر طول نمونه جوشکاری 39

 

شکل 3-5 تنش­های پسماند عرضی ناشی از جوشکاری یک پاسه 42  
شکل 3-6 نمایش سه­ بعدی از توزیع تنش­های پسماند عرضی 43  
شکل 3-7 تنش­های پسماند عرضی در راستای عمق ضخامت 44  
شکل 3-8 مدل دو بعدی جریان انتقال حرارت 45  
شکل 3-9 هندسه قطعه کار و مدل سه بعدی قطعه کار در نرم­افزار 46  
شکل 3-10 اتصال سپری 46  
شکل 3-11 تغییرشکل جسم پس از جوشکاری 47  
شکل 3-12 سطح مقطع جوش و مدل‌سازی شده در نرم­افزار 47  
شکل 3-13 تاریخچه دمایی برای چند نقطه بر روی سطح داخلی 48  
شکل 3-14– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح داخلی 48  
شکل 3-14– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح داخلی 48  
شکل 3-15– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح بیرونی 49  
شکل 3-15– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح بیرونی 49  
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 1 52
شکل 3-20 نمودار حرارت در برابر زمان برای حالت 2 53
شکل 3-21 مقادیر تنش‌های پسماند برای هر دو حالت 1 و 2 53

 

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار ارشد رشته عمران سازه های هیدرولیکی: کاربرد نرم افزار MIKE11 در مدل سازی کانال های انتقال آب

شکل 3-22 نتایج تغییر شکل­های محوری برای هر دو حالت 1 و 2 54
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 جوشکاری 57  
شکل 3-26 توزیع تنش‌های معادل در مرکز جوش 58  
شکل 3-27 مش­بندی صفحه 60  
شکل 3-28 توزیع تنش‌های معادل در مقطع مرکزی جوش 60  
شکل 3-29 توزیع تنش‌های پسماند طولی در مقطع مرکزی جوش 60  
شکل 3-30 ابعاد نمونه شبیه‌سازی بر حسب میلی‌متر 62  
شکل 3-31 مش­بندی برای جوش v شکل دو طرفه 62  
شکل 3-32 تقسیم‌بندی لایه­ها 62  
شکل 3-33 توزیع تنش‌های معادل 63  
شکل 3-34 توزیع تنش‌های پسماند عرضی 63  
شکل 3-35 توزیع تنش‌های پسماند طولی 64  
شکل 3-36 توزیع تنش‌های معادل در سرتاسر ضخامت روی مقطع مرکزی جوش 64  
شکل 3-37 توزیع تنش‌های عرضی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مرکزی جوش 65  
شکل 3-38 توزیع تنش‌های طولی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مرکزی جوش 66  

 

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 معکوس 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 توزیع دما و جهت جوشکاری 77
شکل 4-5 تاریخچه دمایی سه نقطه از مقطع میانی صفحه 78
شکل 4-6 دمای گره­های مدل در زمان 16 ثانیه 79
شکل 4-7 جزء  SOLID186 80
شکل 4-8 سه شبکه­بندی مورد تحلیل 82
شکل 4-9 توزیع تنش­ پسماند طولی در مقطع میانی صفحه 83
شکل 4-10 توزیع تنش پسماند طولی بر روی محور جوش 84
شکل 4-11 توزیع تنش­ پسماند جانبی در مقطع میانی صفحه 85
شکل 4-12 توزیع تنش پسماند جانبی بر روی محور جوش 85
شکل 5-1 مشخصات قطعه کار مدل شده 87
شکل 5-2 مدل اجزاء محدود صفحه و توالی جوشکاری 88
شکل 5-3 توزیع دما و جهت جوشکاری 88
شکل 5-4 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع ابتدایی صفحه 89

 

شکل 5-5 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع میانی صفحه 89
شکل 5-6 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع انتهایی صفحه 89
شکل 5-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه 90
شکل 5-8 دمای گره­های مدل در زمان 125 ثانیه 91
شکل 5-9 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای X 92
شکل 5-10 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای Y 92
شکل 5-11 توزیع تنش پسماند طولی در راستای Z 93
شکل 5-12 توزیع تنش پسماند فون مایزز در صفحه 94
شکل 5-13 توزیع تنش طولی در چند مقطع میانی از صفحه 94
شکل 6-1 مشخصات قطعه کار 97
شکل 6-2 مدل اجزای محدود صفحه دارای سخت­کننده 98
شکل 6-3 چگونگی توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سخت­کننده 98
شکل 6-4 تاریخچه دمایی در مقطعmm  Y=0 صفحه با سخت­کننده 99
شکل 6-5 تاریخچه دمایی در مقطعmm  Y=200 صفحه با سخت­کننده 99
شکل 6-6 تاریخچه دمایی در مقطع Y=400 mm صفحه با سخت­کننده 99
شکل 6-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه 100
شکل 6-8 گرادیان حرارتی در مقطعY=200 mm  بر حسب فاصله از محور جوش 101
شکل 6-9 سه مقطع مورد تحلیل در صفحه 102
شکل 6-10 تنش پسماند در مقطع Y=200 mm صفحه در جهت Y 102

 

شکل 6-11 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 5/7 104
شکل 6-12 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 10 104
شکل 6-13 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با نسبت عرض به ضخامت 5/12 104
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 کار 106
شکل 6-16 مدل اجزای محدود صفحه دارای سخت­کننده با فواصل مختلف از محور جوش 107
شکل 6-17 چگونگی توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سخت­کننده با فواصل مختلف از محور جوش 108
شکل 6-18 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سخت­کننده با فواصل مختلف 109
شکل 6-19 مدل اجزای محدود صفحات دارای ترکیب بازشو و سخت­کننده 110
شکل 6-20 چگونگی توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سخت­کننده و بازشوی مربعی 110
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 1/0 111

 
 
فهرست جدول­ها
 

جدول صفحه
جدول 3-1 حرارت ورودی برای حالت 1 50
جدول 3-2 حرارت ورودی برای حالت 2   51
جدول 3-3 حداکثر تنش‌های پسماند برای جهت‌های مختلف جوشکاری چند لایه 58
جدول 3-4 حداکثر تنش‌های پسماند برای جهت‌های مختلف جوشکاری چند پاسه 61
جدول 3-5 حداکثر تنش‌های پسماند برای توالی‌های مختلف 67
جدول 4-1 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل حرارتی 71
جدول 4-2 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل مکانیکی 72
جدول 4-3 مشخصات منبع جوشکاری 72
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 هست. مهم‌ترین این روش­ها بهره گیری از جوش، پیچ و پرچ می باشد. در این بین بهره گیری از جوش در ساختمان­سازی بسیار رایج می باشد. قدمت بهره گیری 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 می باشد.
مهم‌ترین علت های بهره گیری از جوش را می‌توان به گونه اختصار به صورت زیر اظهار 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 می باشد:
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 می باشد. 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 طریقه 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 موردها 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، اما نمی‌تواند جوابگوی تمامی معضلات باشد. به همین دلیل نیاز بیش­تری به روش‌های تحلیلی احساس می گردد.
با وجود این معضلات، جوشکاری هنوز به عنوان بهترین روش اتصال قطعات مورد بهره گیری قرار می‎گیرد. از همین ­رو، در زمینه رفتار جوش در موردها گوناگون مطالعه شده و استانداردهای مناسبی ارائه گردیده می باشد و از این استانداردها به گونه جدی در طراحی و اجرای اتصالات جوش بهره گیری می­گردد و می‌توان از معضلات به وجود آمده در قطعات جوشکاری شده پیشگیری نمود.
1 Residual
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
تعداد صفحه :  149
قیمت : 14700 تومان

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

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

دسته‌ها: عمران