(Luận văn thạc sĩ hcmute) tính toán mối hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUỐC TUẤN TÍNH TỐN MỐI HÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2005 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUỐC TUẤN TÍNH TỐN MỐI HÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã số ngành: 605204 Người hướng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Đăng Hưng Người đồng hướng dẫn: TS Nguyễn Hồi Sơn Tp Hồ Chí Minh, 2005 Luan van LỜI CẢM ƠN Với thời gian hạn hẹp, khối lượng công việc tương đối nhiều, lónh vực nghiên cứu Việt Nam chưa phát triển Tuy nhiên với giúp đỡ thầy hướng dẫn đặc biệt thầy hướng dẫn Nguyễn Hoài Sơn Người định hướng cung cấp thông tin, kiến thức bổ ích để hoàn thành tập luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Đăng Hưng người hướng dẫn chính, GVC TS Nguyễn Hoài Sơn người đồng hướng dẫn theo sát trình thực Luan van MỤC LỤC Trang Chương 1: Tổng quan 1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Tính khoa học, thực tiễn đề tài 1.4 Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu đề tài 1.5 Kết luận 10 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 11 2.1 Vấn đề ứng suất dư biến dạng dư mối hàn 11 2.2 Thiết lập phần tử nhiệt D 12 2.3 Kết luận 22 Chương 3: Cấu trúc liệu sơ đồ phần tử hữu hạn với Matlab 23 3.1 miền hình học 23 3.2 Cấu trúc liệu miền 24 3.3 Giải thuật phát sinh lưới 24 3.4 Giải thuật tính toán ,lắp ghép miền 25 3.5 Giải thuật mã hóa bậc tự miền toàn kết cấu 25 3.6 Giải thuật lắp ghép miền vào toàn kết cấu 25 3.7 Giải thuật khai báo tải trọng tập trung nút tải trọng phân bố cạnh 26 3.8 Giải thuật áp đặt điều kiện biên nút cạnh 26 3.9 Giải thuật giải hệ phương trình đại số tuyến tính 26 Chương 4: Tính số mối hàn phương pháp phần tử hữu hạn 28 4.1 Mối hàn chồng 28 4.2 Mối hàn góc 31 4.3 Mối hàn giáp nối 42 4.4 Mối hàn phức tạp 49 4.5 Kết luận 52 Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài 53 4.1 Kết luận kết đạt 53 4.2 Hướng phát triển đề tài 54 Luan van Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu nước: Mối ghép hàn có nhiều ưu điểm nên dùng ngày rộng rãi ngành công nghiệp Trong trình hàn, chi tiết đốt nóng cục nhiệt độ nóng chảy dẻo gắn lại với nhờ lực hút phần tử kim loại Hiện giới, có nhiều phương pháp hàn khác nhiên ta phân theo nhóm phương pháp hàn sau: - Các phương pháp hàn điện, bao gồm phương pháp dùng điện biến thành nhiệt để cung cấp cho trình hàn là: Hàn hồ quang, hàn điện tiếp xúc… - Các phương pháp hàn học: Bao gồm phương pháp sử dụng để làm biến dạng kim loại khu vực cần hàn tạo liên kết hàn là: Hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm … - Các phương pháp hàn hóa học: Bao gồm phương pháp sử dụng lượng phản ứng hóa học tạo để cung cấp cho trình hàn là: Hàn khí, hàn hóa nhiệt… Hiện giới sử dụng hàn để chế tạo nhiều sản phẩm khác chế tạo nồi hơi, ống bình chứa, sườn nhà, tàu thuyền, thân máy bay, vỏ máy, tên lửa, toa xe, ôtô đến tàu vu hành vũ trụ Nói chung, phận máy có hình dáng phức tạp phải chịu lực tương đối lớn, mà lại phải mỏng phải chế tạo phương pháp hàn Để tính toán mối hàn người ta dùng công thức sức bền vật liệu chi tiết phức tạp gặp khó khăn Vào cuối năm 50 xuất ý tưởng phương pháp phần tử hữu hạn nhờ vào phát triển máy tính đặc biệt Mỹ mà từ phương pháp phần tử hữu hạn phát triển nhanh, cụ thể cách khoảng 40 năm nhà khoa học Mỹ dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán thân máy bay Boeing Từ trở nhà lập trình hàng đầu giới thiết lập, nâng cấp, cập nhật thường xuyên hoàn thiện dần như: SAP, ANSYS, COSMOS, NASTRAN, … 1.2 Tình hình nghiên cứu nước: Trong phương pháp hàn phương pháp hàn hồ quang tay, hàn khí, hàn hồ quang lớp thuốc bảo vệ môi trường khí bảo vệ ứng dụng phổ biến nước ta, phương pháp có chi phí không cao Hàn dùng khí chế tạo tàu, vỏ máy, … xây dựng thiết kế dàn xưởng công nghiệp Trước việc tính toán mối hàn thường hạn chế tính liên kết thông dụng quen thuộc mà ta sử dụng công thức tài liệu chi tiết máy phần Luan van ghép hàn, gần dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán nhờ trợ giúp máy tính tính toán liên kết hàn có biên dạng mà trước chưa làm Ở nước ta viện nghiên cứu, Trường Đại học áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán cho toán học nói chung, liên kết mối ghép hàn nói riêng Và đưa vào sử dụng phần mềm tính toán học như: SAP2000, ANSYS để thiết kế kết cấu, chi tiết, thực chất phần mềm xây dựng nguyên lý phương pháp phần tử hữu hạn Cụ thể xưởng đóng tàu Việt nam dùng phần mềm SAP2000, ANSYS để tính toán nội lực hệ kết cấu mối hàn để thiết kế tàu 1.3 Tính khoa học, thực tiễn đề tài: Hàn tiết kiệm kim loại sử dụng mặt cắt làm việc chi tiết hàn triệt để so với tán ri vê, bu long Sử dụng hàn xây dựng nhà cao cho phép giảm 15% lượng sườn,kèo, đồng thời việc chế tạo lắp ráp chúng giảm nhẹ, độ cứng kết cấu tăng , giảm thời gian giá thành chế tạo kết cấu Hàn có suất cao so với phương pháp khác giảm số lượng nguyên công, giảm cường độ lao động tăng độ bền kết cấu, hàn nối kim loại có tính chất khác nhau, thiết bị hàn tương đối đơn giản dễ chế tạo Việc tính toán mối ghép hàn phương pháp phần tử hữu hạn, phần mềm tính toán học SAP2000, ANSYS có kết xác đồng thời mô đồ họa chi tiết, kết cấu sau chịu tải trọng tác dụng Điều thuận tiện mặt khoa học việc thiết kế mối ghép hàn nói riêng kết cấu nói chung.Trước dây tính liên kết hàn đơn giản dựa vào tài liệu chi tiết máy.Trong đề tài ta chọn phương pháp số để tính toán liên kết hàn cụ thể phương pháp phần tử hữu hạn,phương pháp có hiệu so với phương pháp tính toán dựa tài liệu chi tiết máy chỗ tính toán biên dạng hàn phức tạp bất kỳ,kết thu đáng tin cậy 1.4 Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu đề tài: Ta chia nhỏ kết cấu hàn thành phần tử, sau tính chuyển vị nút hệ tìm ứng suất hiệu dụng vonmises phần tửù Nhưng ta cần quan tâm đến phần tử chỗ hàn nơi bị phá hoại kết cấu hàn chịu lực tác dụng σ vm = σ 12 + σ 22 + σ 32 − σ 1σ − σ 2σ − σ 3σ Sau tìm ứng suất hệ,rồi so sánh ứng suất với ứng suất cho phép mối hàn [σ] Khi tính xong kiên kết mối hàn phương pháp phần tử hữu hạn ta lấy kết so với cách tính tài liệu chi tiết máy: Theo tính toán tài liệu chi máy: Luan van a) – Mối hàn giáp nối b) – Mối hàn chồng c) – Mối hàn góc a Mối hàn giáp nối: Mối hàn giáp mối thông dụng đơn giản đảm bảo loại mối hàn khác Tùy theo bề dày thành phần ghép, hàn theo phương án trình bày hình 2.1 sau F b F δ < 8mm F F 60 ÷ 700 δ < 16mm 60 ÷ 700 δ < 40mm Hình 1.1: Các phương án hàn ™ Giáp mối thẳng góc: Đối với đường hàn giáp mối, thành phần hàn lại thành thể nguyên vẹn tính toán áp dụng công thức dùng cho chi tiết máy nguyên vẹn Đường hàn giáp mối xem phần tử kéo dài thép nên cách tính giống thép σ k' = [ ] F ≤ σ k' δ l Hoặc theo ứng suất nén: Luan van σ n' = [ ] F ≤ σ n' δ l F l δ F Hình 1.2: Mối hàn giáp mối chịu kéo Trong đó: σ k' , σ n' : Ứng suất tính toán mối hàn kéo nén F : Tải trọng kéo nén chi tiết ghép δ : Chiều dày nhỏ chi tiết ghép L : Chiều dài mối hàn [ σ k' ], [ σ n' ] : Ứng suất cho phép mối hàn kéo nén ™ Đường hàn giáp mối xiên góc: Khi đường hàn giáp mối thẳng góc không đủ khả chịu lực, tăng tiết diện đường hàn cách sử dụng đường hàn xiên Đường hàn giáp mối xiên góc chịu hai lực: Lực pháp tuyến lực cắt τ’ δ F F α σ’k Hình 1.3: Mối hàn giáp mối xiên góc chịu kéo Điều kiện bền: Luan van σ k' = F sin α ≤ σ k' δ l [ ] F cos α ≤ τ' δ l [ ] τ' = [σ ] , [τ ]: Ứng suất cho phép mối hàn chịu kéo cắt ' k ' b Mối hàn chồng: - Mối hàn dọc - Mối hàn ngang - Mối hàn xiên Đối với mối hàn chồng ta tính theo ứng suất cắt nằm mặt phẳng phân giác góc vuông mặt cắt ngang mối hàn ™ Mối hàn ngang: Mối hàn ngang chịu tác dụng lực kéo hình 1.4 L0 k c ≥ 4δ L0 k l F Hình 1.4: Mối hàn ngang Điều kiện bền: τ= [ ] F ≤ τ' 2.(0.7 kl ) ™ Mối hàn dọc: Mối hàn dọc chịu tác dụng lực kéo hình 1.5 Luan van F F k l ≤ 50k Hình 1.5: Mối hàn dọc Điều kiện bền: τ= [ ] F ≤ τ' 2.(0.7 kl ) Trong đó: τ' : Ứng suất tính toán mối hàn l : Chiều dài mối hàn [τ ] : Ứng suất cắt cho phép mối hàn k : Bề rộng cạnh hàn ' ™ Mối hàn xiên: Hình 1.6 F F α Hình 1.6: Mối hàn chồng dạng Mối hàn xiên Điều kiện bền: τ= [ ] F ≤ τ' (0.7kl ) Luan van Kiểm tra bền kết cấu mối hàn giáp mối: Kiểm tra theo cách tính phương pháp phần tử hữu hạn: Ứng suất hiệu dụng vonminses kết cấu VONMISES = 38.6761KN/cm Kiểm tra mối hàn theo cách tính sức bền vật liệu : Ứng suất tính toán: σk = F 200 = = 40 KN / cm δ l 0.5 ×10 Ứng suất kéo cho phép mối hàn : [σ ]'k = 0.9[σ ]k = 0.9 × 16 = 14.4 Do mối hàn không thỏa bền KN cm 4.3 Mối hàn góc: 4.3.1 Phân tích trạng thái ứng suất liên kết hàn góc dạng hàn hai bên: Cho kết cấu thép liên kết hàn góc dạng chữ K, chịu kéo hình 4.24 Phần chi tiết hàn có chiều dài 5cm,diện tích mặt cắt ngang × 10cm,đặc trưng vật liệu thép có modun đàn hồi E=20 × 10 KN / cm , hệ số Possion ν =0.3 Modun đàn hồi vật liệu hàn E=17 × 10 KN / cm , hệ số possion ν = 0.3 Lực kéo :F = 100KN Xác định ứng suất phát sinh mối hàn 10cm F=100KN 1cm 5cm 0.5cm 0.5cm Hình 4.24 Mối hàn giáp góc kiểu hàn hai bên 42 Luan van Hình 4.25 Chia miền kết cấu mối hàn góc hai bên Hình 4.26 Chia phần tử kết cấu 43 Luan van Hình 4.27 Trường chuyển vị phần tử Hình 4.28 Bảng màu trường chuyển vị phần tử 44 Luan van Hình 4.29 Trường ứng suất phần tử Kết chuyển vị nút, ứng suất phần tử: Được ghi file :Displament_Geometry_Hangoc2ben ; vonmises Hangoc 2ben Kiểm tra bền kết cấu mối hàn góc bên: Kiểm tra theo cách tính phương pháp phần tử hữu hạn: Ứng suất hiệu dụng vonminses kết cấu VONMISES = 14.505KN/cm Kiểm tra mối hàn theo cách tính sức bền vật liệu : Ứng suất tính toán: τ '= F 100 KN = = 14.28 2.(0.7 kl ) × 0.7 × 0.5 × 10 cm Ứng suất kéo cho phép mối hàn : [σ ]'k = 0.9[σ ]k = 0.9 × 16 = 14.4 Do mối hàn thỏa bền KN cm 4.2.2 Phân tích trạng thái ứng suất liên kết hàn góc dạng chữ K: Cho kết cấu thép liên kết hàn góc dạng chữ K, chịu kéo hình 4.30 Phần chi tiết hàn có chiều dài 10cm,diện tích mặt cắt ngang × 10cm,đặc trưng vật liệu thép có modun đàn hồi E=20 × 10 KN / cm , hệ số Possion ν =0.3 Modun đàn hồi vật liệu hàn E=17 × 10 KN / cm , hệ số possion ν = 0.3 45 Luan van Lực kéo :F = 100KN Xác định ứng suất phát sinh mối hàn 10cm F = 100kN 1cm 5cm 0.5cm 0.5cm Hình 4.30 Mối hàn góc chữ K Hình 4.31 Chia miền kết cấu mối hàn góc chữ K 46 Luan van Hình 4.32 Chia phần tử kết cấu Hình 4.33 Trường chuyển vị phần tử 47 Luan van Hình 4.34 Bảng màu trường chuyển vị phần tử Hình 4.35 Trường ứng suất phần tử Kết chuyển vị nút, ứng suất phần tử: Được ghi file :Displament_Geometry_Hangocchuk ; 48 Luan van vonmises Hangocchuk Kiểm tra bền kết cấu mối hàn góc chữ K: Kiểm tra theo cách tính phương pháp phần tử hữu hạn: Ứng suất hiệu dụng vonminses kết cấu VONMISES = 10.3343KN/cm Kiểm tra mối hàn theo cách tính sức bền vật liệu : Ứng suất tính toán: σ= F 100 = = 10 KN/cm δ l × 10 Ứng suất kéo cho phép mối hàn : [σ ]'k = 0.9[σ ]k = 0.9 × 16 = 14.4 Do mối hàn thỏa bền KN cm 4.4 Phân tích trạng thái ứng suất liên kết hàn phức tạp: Cho kết cấu thép liên kết hàn , chịu kéo hình 4.36 Mỗi phần chi tiết hàn có chiều dài 15 cm,diện tích mặt cắt ngang 1à × 10cm,đặc trưng vật liệu thép có modun đàn hồi E=20 × 10 KN / cm , hệ số Possion ν =0.3 Modun đàn hồi vật liệu hàn E=17 × 10 KN / cm , hệ số possion ν = 0.3 Kích thước ốp 0.5 × 16cm Lực kéo :F = 200KN Xác định ứng suất phát sinh mối hàn 15cm F 1cm 8cm F = 100kN 0.5 5cm 0.5 Hình 4.36 Mối hàn phức tạp Do tính đối xứng ,bài toán mô hình ½ mối ghép 49 Luan van Hình 4.37 Chia miền kết cấu mối hàn phức tạp Hình 4.38 Chia phần tử kết cấu 50 Luan van Hình 4.39 Trường chuyển vị phần tử Hình 4.40 Bảng màu trường chuyển vị phần tử 51 Luan van Hình 4.41 Trường ứng suất phần tử 4.5 Kết luận: -Tuy dạng hàn khác nhau,nhưng bước lập trình matlab hoàn toàn giống -Kết thu phần tử hữu hạn phù hợp với kết thu theo cách tính dựa vào tài liệu chi tiết máy - Chia lùi mịn đạt kết xác 52 Luan van Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận kết đạt được: Đề tài thực nhằm giải vấn đề mang tính thực tiễn cấp thiết cao Dù nước ta có nhiều sơ ûlàm việc với ngành hàn, nhiên sở quan tâm đầu tư nghiên cứu tính toán lónh vực này.Nhưng rõ ràng vấn đề quan trọng, có tác động đến phát triển ngành công nghệ hàn.Với đề tài góp phần giải mảng vấn đề toán thực tiễn này.Sau thời gian nghiên cứu đề tài “TÍNH TOÁN MỐI HÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN” hoàn thành đạt mục tiêu đề ra: • Tìm hiểu việc ứng dụng liên kết hàn ngành công nghiệp khí ,xây dựng…,khảo sát tình hình nghiên cứu tính toán liên kết hàn nước giới • Xây dựng toán với nhiều dạng liên kết khác phương pháp phần tử hữu hạn • Quản lý cấu trúc liệu chương trình;trên sở lập trình,tính toán toán liên kết hàn phần mềm Matlab • Đánh giá kết thu từ việc tính toán,mô cho kiểu biên dạng hàn khác • Bài toán giải phương pháp phần tử hữu hạn với điều kiện Htương thích nhằm làm giảm sai số miền hình học nội suy ,nghóa chia lưới phần tử hữu hạn miền toán thực mịn vùng cần quan tâm vùng khác chia lưới thưa để giảm bớt khối lượng tính toán • Việc tính toán mô cho toán lập trình ngôn ngữ Matlab ;trên sử dụng số mã chương trình có sẳn tự tạo chương rình khác phù hợp với bái toán • Khi sử dụng lưới phần tử tương đối thô kết thu rõ tập trung ứng suất bên mối hàn, nhiên kết thu hợp lý Để nhận kết tốt sử dụng lưới mịn tăng bậc đa thức xấp xỉ phần tử • Phần tử tạo mô hình toán phần tử tam giác.Với loại phần tử tam giác, kích thước toán ngắn hơn,thời gian tính nhanh làm giảm độ phức tạp toán • Kết tính toán,mô thể đồ họa trực quan chương trình xuất thông số mà cần 53 Luan van • Việc đánh giá độ xác toán tiến hành dựa sở so sánh lời giải phương pháp phần tử hữu hạn với lời giải xác. độ sai lệch hai cách tính 5% (tài liệu [10]) • Toàn chương trình nguồn mở sử dụng chúng để tính toán, mô cho toán khác liên quan đến liên kết hàn • Bên cạnh việc tạo sản phẩm software dùng để tính toán mô toán; có mô hình mô tỷ lệ Mô hình nhằn trực quan hóa kết toán cho loại liên kết hàn xác định • Với kết thu , đề tài ứng dụng vào thực tiễn ngành khí chế tạo máy mà có liên quan đến lónh vực hàn; cung cấp software giúp cho kỹ sư việc thết kế,phân tích,tính toán mô cho kiểu liên kết hàn trước đưa vào công đoạn chế tạo, sản xuất chi tiết , thiết bị máy móc liên quan đến lónh vực hàn;đề tài làm sở cho muốn mở rộng phát triển vấn đề sâu hơn.Ngoài ý nghóa đó, dùng làm giảng dạy trường Đại học ngành Thiết kế máy, ngành có liên quan đến lónh vực hàn 5.2 Hướng phát triển đề tài: • Trên sở vấn đề mà thực đề tài, xây dựng phát triển cho toán chiều • Có thể mở rộng để tính toán mối ghép hàn cho vật liệu khác nhau, đồng thời nghiên cứu lónh vực mặt vật liệu phân bố cấu trúc hạt vùng hàn xung quanh chúng • Tạo software lớn khảo sát cho nhiều biên dạng hàn khác phân tích tiêu chuẩn phá hủy mối hàn Qua hướng phát triển vừa nêu, đề tài thực điều kiện môi trường tốt hẳn có vị trí tầm cao hơn.Vậy tác giả mong, không riêng tác gia ûmà người kế thừa sau tiếp tục phát triển đề tài để ngày hoàn thiệt 54 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phương pháp phần tử hữu hạn với Matlab Chủ biên Nguyễn Hoài Sơn – NXB ĐHQGTP.HCM – 2001 [2] Ứng dụng Matlab tính toán kỹ thuật Chủ biên Nguyễn Hoài Sơn – NXB ĐHQGTP.HCM – 2002 [3] Phương pháp tính ứng dụng tính toán kỹ thuật Chủ biên Nguyễn Hoài Sơn – NXB ĐHQGTP.HCM – 2004 [4] Phương pháp phần tử hữu hạn Chu Quốc Thắng – NXB KHKT – 1997 [5] Phương pháp phần tử hữu hạn lý thuyết lập trình Nguyễn Quốc Bảo Trần Nhất Dũng – NXB KHKT Hà Nội – 2003 [6] Bài tập phương pháp phần tử hữu hạn TS Phan Đình Huấn – NXB TP.HCM [7] Phương pháp số học kết cấu GS.TS Nguyễn Mạnh Yên – NXB KHKT Hà Nội – 2000 [8] Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán kết cấu Phan Anh Vũ – NXB Trẻ – 1994 [9] Finite element analysis Theory and Practice MJ FAGAN University of Hull – 1992 [10] Chi tiết máy Nguyễn Trọng Hiệp – NXB Giáo dục [11] Vật liệu công nghệ Hàn Nguyễn Hoàng Thông – NXB KHKT Hà Nội – 2004 [12] Cẩm nang Hàn PGS.TS Hoàng Tùng – NXB KHKT Hà Nội – 2004 55 Luan van Luan van ... thuật giải hệ phương trình đại số tuyến tính 26 Chương 4: Tính số mối hàn phương pháp phần tử hữu hạn 28 4.1 Mối hàn chồng 28 4.2 Mối hàn góc 31 4.3 Mối hàn giáp nối 42 4.4 Mối hàn phức tạp 49... tưởng phương pháp phần tử hữu hạn nhờ vào phát triển máy tính đặc biệt Mỹ mà từ phương pháp phần tử hữu hạn phát triển nhanh, cụ thể cách khoảng 40 năm nhà khoa học Mỹ dùng phương pháp phần tử hữu. .. phép mối hàn Trường hợp Hàn chữ K tính toán mối hàn giáp nối, kiểu hàn hai bên tính toán mối hàn chồng ỨNG SUẤT CHO PHÉP CỦA MỐI HÀN THÉP KHI CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH ỨNG SUẤT CHO PHÉP CỦA MỐI HÀN PHƯƠNG