متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد 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

 


برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

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 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 بهره گرفتن 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- 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 پایان نامه 7  
   

فصل دوم- تحلیل حرارتی و مكانیكی 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 جوشكاری 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 مكانیكی 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 مكانیكی 28  
2-3-3 نتایج تحلیل مكانیكی 29  
2-4 تنش­های ناشی از جوشکاری         29  
     
  فصل سوم- تنش­های پسماند ناشی از جوشكاری (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 جوشكاری 40  
3-4 روش­های تعیین تنش­های پسماند ناشی از جوشکاری 44  
3-5 بررسی تاریخچه تأثیر توالی یك جوش بر تنش‌های پسماند ناشی از جوشكاری 49  
3-5-1 تاریخچه تحلیل حرارتی 51  
3-5-2 تاریخچه تحلیل مكانیكی 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 جوشكاری بر تنش پسماند در جوشكاری چند پاسه (یك شیاره) 59  
3-8 تنش­های پسماند ناشی از جوشكاری برای ورق ضخیم با شیار V شكل 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
شكل 1-1 نواحی تشکیل‌دهنده جوش 3
شكل 1-2 انواع اتصالات جوشکاری 4
شكل 1-3 انواع جوش مورد استفاده در اتصالات 5
شكل 1-4 انواع آماده­سازی لبه 5
شكل 1-5 جوش قوس الکتریکی با الکترود روکش­دار 6
شکل 2-1 پروفیل گوسی متحرك در حین جوشكاری 14
شکل 2-2 تغییر خواص فولاد نرمه معمولی نسبت به دما 18
شکل 2-3 نمودار آنتالپی– دما برای یك ماده آلیاژی 20
شکل 2-4 روش حل مرحله­ای – تكراری 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
شكل 2-7 تنش‌های پسماند ثبت ‌شده روی چند ذره فلزی 30
شكل 3-1 مثال­هایی از توزیع تنش‌های طولی ناشی از جوشكاری 36
شكل 3-2 منحنی خصوصیات انبساطی 37
شكل 3-3 نمایش سه­­ بعدی از توزیع تنش‌های پسماند طولی ناشی از جوشكاری 38
شكل 3-4 تأثیر طول نمونه جوشكاری 39

 

شکل 3-5 تنش­های پسماند عرضی ناشی از جوشكاری یك 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  
شكل 3-16 طرح اتصال برای جوش محیطی در استوانه   50  
شكل 3-17 توالی جوشكاری برای حالت 1 (3 پاسه) و حالت 2 (8 پاسه) 50  
شكل 3-18 منحنی به كار رفته جهت حرارت ورودی (كل زمان = T) 51  
شكل 3-19 نمودار حرارت در برابر زمان برای حالت 1 52
شكل 3-20 نمودار حرارت در برابر زمان برای حالت 2 53
شكل 3-21 مقادیر تنش‌های پسماند برای هر دو حالت 1 و 2 53

 

شكل 3-22 نتایج تغییر شكل­های محوری برای هر دو حالت 1 و 2 54
شكل 3-23 نتایج به دست برای تغییرات حرارتی نسبت به زمان در فاصله 7/12 میلی­متر از خط نزدیكی جوش روی سطح داخلی لوله بعد از آخرین پاس (برای حالت 1) 55
شكل 3-24 نتایج به دست آمده توسط 6 سازمان برای تنش‌های عرضی در سرتاسر ضخامت روی خط مركزی جوش بعد از آخرین پاس (برای حالت 1) 56  
شكل 3-25 جهت‌های جوشكاری 57  
شكل 3-26 توزیع تنش‌های معادل در مركز جوش 58  
شكل 3-27 مش­بندی صفحه 60  
شكل 3-28 توزیع تنش‌های معادل در مقطع مركزی جوش 60  
شكل 3-29 توزیع تنش‌های پسماند طولی در مقطع مركزی جوش 60  
شكل 3-30 ابعاد نمونه شبیه‌سازی بر حسب میلی‌متر 62  
شكل 3-31 مش­بندی برای جوش v شكل دو طرفه 62  
شكل 3-32 تقسیم‌بندی لایه­ها 62  
شكل 3-33 توزیع تنش‌های معادل 63  
شكل 3-34 توزیع تنش‌های پسماند عرضی 63  
شكل 3-35 توزیع تنش‌های پسماند طولی 64  
شكل 3-36 توزیع تنش‌های معادل در سرتاسر ضخامت روی مقطع مركزی جوش 64  
شكل 3-37 توزیع تنش‌های عرضی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مركزی جوش 65  
شكل 3-38 توزیع تنش‌های طولی در سرتاسر ضخامت روی مقطع مركزی جوش 66  

 

شكل 3-39 مقایسه نتایج آزمایشگاهی با شبیه­سازی (تنش‌های پسماند عرضی) 66
شكل 3-40 مقایسه نتایج آزمایشگاهی با شبیه­سازی (تنش‌های پسماند طولی) 67
شكل 3-41 مقایسه­ تنش‌های عرضی بین لایه­های هم­جهت و لایه­های 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 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 نحوه 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 نحوه 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 نحوه 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 حداكثر تنش‌های پسماند برای جهت‌های مختلف جوشكاری چند لایه 58
جدول 3-4 حداكثر تنش‌های پسماند برای جهت‌های مختلف جوشكاری چند پاسه 61
جدول 3-5 حداكثر 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 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 جوشكاری، بعد از مرحله سرد شدن جسم، تنش‌هایی در آن باقی می‌ماند كه به آن‌ها تنش‌های پسماند می‌گویند. این تنش‌ها و همچنین تغییر شکل‌های ناخواسته ناشی از جوشكاری، مهم‌ترین عواملی هستند كه باعث ضعیف شدن اتصالات جوش و ناكارایی آن‌ها در تحمل طولانی مدت بارها، شده‌اند. از این رو، مهندسین علاقمند به دانش كاملی از توزیع تنش‌های پسماند در سرتاسر جوش، روش‌های تغییر دادن آن و نیز انتخاب روند جوشكاری مناسب كه بتواند تنش‌های پسماند را به حداقل ممكن كاهش دهد، هستند ]1[.

روش‌های تجربی اندازه‌گیری تنش‌های پسماند جوشكاری 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 كند، ولی نمی‌تواند جوابگوی تمامی مشكلات 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

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

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 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.