Nghiên cứu biện pháp để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm cầu trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MINH TÂN NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP ĐỂ GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CẦU TRỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀN Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MINH TÂN NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP ĐỂ GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CẦU TRỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN TIẾN DƯƠNG Hà Nội – Năm 2011 ` LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn không chép tài liệu sử dụng cơng trình cơng bố (ngoại trừ bảng biểu số liệu tham khảo kiến thức tài liệu học tập nghiên cứu phép sử dụng) Những kết thử nghiệm lưu giữ, giới thiệu thuyết minh ghi lại hình ảnh hồn tồn trung thực Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, tháng 10 năm 2011 Tác giả Nguyễn Minh Tân _3_ ` LỜI CẢM ƠN Quá trình thực luận văn tác giả xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Tiến Dương, người hướng dẫn trực tiếp tận tình giúp đỡ việc như: định hướng nghiên cứu đề tài , hướng dẫn thực q trình viết thành luận văn hồn chỉnh Tác giả bày tỏ lòng biết ơn Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn Tác giả trân trọng cảm ơn tới tập thể thầy giáo Bộ môn Hàn Công nghệ kim loại – Trường Đại học Bách Khoa Hà nội bạn đồng nghiệp giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu, làm thực nghiệm hoàn thành đề tài luận văn thạc sỹ “nghiên cứu biện pháp để giảm ứng suất biến dạng hàn dầm cầu trục” Do lực thân cịn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến Thầy/ Cơ giáo, nhà khoa học bạn bè đồng nghiệp Hà Nội, tháng … năm 2011 Tác giả Nguyễn Minh Tân _4_ ` MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tóm tắt nội dung thực đóng góp tác giả Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ DẦM CẦU TRỤC 1.1 Sơ lược dầm cầu trục 1.1.1.Các loại dầm cầu trục 1.1.2 Đặc điểm dầm cầu trục dạng hộp 1.2 Ứng dụng dầm hộp cầu trục 1.3 Mục đích, ý nghĩa việc giảm ứng suất biến dạng 1.3.1.Nguyên nhân ảnh hưởng ứng suất biến dạng 1.3.2 Mục đích, ý nghĩa việc giảm ứng suất biến dạng CHƯƠNG 2: KẾT CẤU TRUNG CỦA DẦM HỘP CẦU TRỤC 2.1.Lựa chọn tiết diện, kích thước dầm tính tốn 2.1.1.Phân tích kết cấu 2.1.2.Chọn vật liệu chế tạo dầm hộp 2.2.Tính tốn kết cấu dầm hộp cầu trục lựa chọn 2.2.1 Số liệu đầu vào dầm cầu trục 2.2.2 Điều kiện làm việc kết cấu 2.2.3 Chọn sơ tiết diện lần 2.2.4.Chọn sơ tiết diện lần _5_ ` 2.2.5 Thiết kế đường hàn liên kết thành đứng biên 40 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP, VẬT LIỆU VÀ CHẾ ĐỘ HÀN DẦM HỘP 41 3.1.Phương pháp hàn dầm hộp 41 3.2 Vật liệu hàn dầm hộp 44 3.3.Chế độ hàn kết cấu dầm hộp 46 3.3.1.Tổng quan cách tính tốn chế độ hàn TĐ BTĐ 46 3.3.2 Chế độ hàn cho mối hàn dầm 56 CHƯƠNG TÍNH TỐN ỨNG SUẤT 65 VÀ BIẾN DẠNG HÀN KẾT CẤU DẦM HỘP 65 4.1 Các thành phần ứng suất biến dạng kết cấu dầm hộp: 65 4.1.1 Ứng suất biến dạng theo trục X: 65 4.1.2 Ứng suất biến dạng theo trục Y: 66 4.1.3 Ứng suất biến dạng theo trục Z: 66 4.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn ứng suất biến dạng 69 4.2.1 Ứng suất biến dạng co dọc 69 4.2.2 Ứng suất biến dạng co ngang 80 4.3 Ứng dụng tính tốn ứng suất biến dạng hàn kết cấu dầm hộp 87 4.3.1 Xác định vùng ứng suất tác động 87 4.3.2 Xác định nội lực ứng suất phản kháng 90 4.3.3 Xác định ứng suất uốn độ võng 91 4.3.4.Xác định biến dạng góc 92 4.3.5 Xác định biến dạng toàn phần kết cấu hàn dầm hộp 92 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ MÔ PHỎNG TRƯỜNG NHIỆT, ƯS&BD HÀN KẾT CẤU DẦM HỘP 95 5.1 Phương pháp mô dầm hàn: 95 5.2 Xây dựng mô hình dầm 95 5.3 Đặt điều kiên biên cho kết cấu dầm 97 5.4 Trường nhiệt hàn dầm 98 5.5 Kết tối ưu dầm 99 CHƯƠNG 6: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆN ĐO BIẾN DẠNG HÀN 102 _6_ ` 6.1 Mẫu hàn thử 102 6.2 Thiết bị vật liệu hàn 102 6.2.1 Thiết bị hàn tự động lớp thuốc: 102 6.2.2 Vật liệu hàn 103 6.3 Chế độ hàn mẫu thử 106 6.4 Tính tốn ứng suất biến dạng 108 6.4.1 Tiến hành hàn đồng thời hai đường hàn 108 6.4.2 Tiến hành hàn đồng thời hai đường hàn 114 6.5 Sơ đồ đo biến dạng 118 6.6.Trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng 121 6.6.1 Hàn mẫu thử: 121 6.6.2 Chuẩn bị phôi chế tạo dầm 123 6.6.3 Gá đính, hàn, đo biến dạng 123 6.7.Kết đo biến dạng 129 6.7.1.Mẫu dầm D1 129 6.7.2.Mẫu dầm D2 129 6.7.3.Kết luận 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131 Kết luận 131 Kiến nghị 132 TÓM TĂT LUẬN VĂN 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 _7_ ` CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu b δ h F P J б τ E γ µ YA F V m δ ak M k Ih Uh Vh qđ _8_ ` HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tổng quan dầm Hình 1.2 Tổng quan dầm Hình 1.3 Tổng quan dầm cầu trục Hình 1.4 Tổng quan dầm cầu trục Hình 1.5 Hình dạng dầm chữ I Hình 1.6 Hình dạng dầm chữ U Hình 1.7 Hình dạng dầm hộp Hình 1.8 Hình dạng dầm có tiết diện thay đổi Hình 2.1 Sơ đồ cầu trục nhà xưởng Hình 2.2 : Mặt làm việc cầu trục Hình 2.3: Hình ảnh tổng quan dầm cầu trục đơi Hình 2.4: Sơ đồ xác định tải trọng lên bánh xe thép trang 193 Hình 2.5:Sơ đồ dầm Hình 2.6: Kích thước tiết diện dầm Hình 3.1 : Diện tích tiết diện ngang kim loại đắp mối hàn nhiều lớp Hình 3.2: Bề dầy vật liệu dầm hàn Hình 3.3 Kích thước mối hàn góc khơng vát mép, hàn lớp Hình 4.1: Biểu diễn biến dạng tồn phần co uốn Hình 4.2: Hàn hai có chiều rộng Hình 4.3: Hàn hai có chiều rộng khác Hình 4.4: Biểu đồ ứng suất dư hàn hai có chiều rộng khác Hình 4.5: Hàn giáp mối hai rộng Hình 4.6: Đường cong sau cắt Hình 4.7: Những điểm khơng có chuyển vị nắn thẳng Hình 4.8: Khảo sát trường hợp hàn hai có chiều rộng khác Hình4.9: Đường cong võng liên kết hàn sau cắt Hình4.10: Sự phân bố ứng suất ngang co dọc phụ thuộc vào toạ độ x _9_ ` Hình 4.11: Biểu thị độ co tự tương đối tiết diện ngang x1 thời điểm nguội khác Hình 4.12: Sự giảm nhiệt độ vùng lân cận mối hàn Hình 4.13: Biến dạng góc liên kết hàn giáp mối Hình 4.14: Biểu thị vùng ứng suất biến dạng Hình 4.15: Đồ thị tra hệ số k2 theo q0 v σT Hình 4.16: Mơ hình nội lực tác dụng Hình 4.17: Mơ hình xác định biến dạng góc Hình 4.18: Mơ hình mối hàn dầm hộp Hình 4.19: lựa chọn trình tự thực mối hàn góc dầm Hình 5.1:Xây dựng mơ hình tiết diện dầm Hình 5.2:Xây dựng mơ hình khung dầm Hình 5.4: Thực chia lưới cho mơ hình mơ hình khối dầm Hình 5.3: Xây dựng mơ hình khối dầm Hình 5.5: Đặt điều kiện gá kẹp cho mơ hình kết cấu dầm Hình 5.5: Trường nhiệt hàn đầu dầm Hình 5.6: Trường nhiệt hàn dầm hàn Hình 5.7: Trường nhiệt hàn cuối dầm hàn Hình 5.8: Ứng suất dầm đặt lực dầu dầm Hình 5.9: Ứng suất dầm đặt lực dầm Hình 5.11: Chuyển vị dầm lực đặt dầm Hình 5.10: Chuyển vị dầm lực đặt đầu dầm Hình 6.1: Kích thước dầm thực nghiệm hàn, đo biến dạng Hình 6.2: Nguồn điện hàn hồ quang TĐ sử dụng hàn mẫu thử Hình 6.3 Kích thước mối hàn góc khơng vát mép, hàn lớp Hình 6.4: Trình tự thực đường hàn Hình 6.5: Vùng ứng suất tác động lên cánh B1 hàn mối hàn 1&2 Hình 6.6: Vùng ứng suất tác động lên vách hàn mối hàn 1&2 Hình 6.7: Vùng ứng suất tác động lên vách hàn mối hàn 3&4 _10_ ` PHỤ LỤC /Filname,Han Dam Hop /Units,SI *AFUN,DEG /VIEW,,1,1,1 /Title,Mo phong han dam hop - Luan van Nguyen Minh Tan ! ============= ! -Cac thong so qua trinh han: U=34 ![V]-Dien ap han I=350 ![A]-Dong dien han Vh=9.03e-3 ![m/s]-Toc han nuy=0.8 !He so nhiet hieu dung q=U*I*nuy/Vh ![W/m]-Nang luong duong cua Nguon nhiet han Lt=24e-3 ![m]-Vet nguon nhiet inc=Lt/Vh ![s]-Buoc thoi gian conv1=1000 ![W/(m2.K)]-truyen nhiet vao ga conv=28 ![W/(m2.K)]-doi luu khong Tstop=500 ![oC]-nhiet Stop tinh toan !===============Dinh nghia cac thong so: dvach=6e-3 !chieu day vach cvach=338e-3 !chieu cao vach dbien=6e-3 !chieu day bien rbien=220e-3 !chieu rong bien kmh=6e-3 !canh moi han dai=2000e-3 !chieu dai dam hop Khe=1e-3 !Khe ho han h=24e-3 !phan mep thua cua tam bien so voi vach b1=120e-3 ! Tai=10e+3 ![N]-1 Tan _137_ ` ! -! -Cac doan chia luoi: d1=2 d2=3 d3=4 d4=5 d5=7 d6=8 d7=9 d8=11 d9=14 d10=17 d11=20 d12=25 d13=33 d14=35 d15=45 !==============Pre-processor: /PREP7 K,1,0,0,0 K,2,rbien/2,0,0 K,3,rbien/2,dbien,0 K,4,0,dbien,0 K,5,rbien/2-h,dbien+khe,0 K,6,rbien/2-h-dvach,dbien+khe,0 K,7,rbien/2-h,dbien+khe+cvach,0 K,8,rbien/2-h-dvach,dbien+khe+cvach,0 K,9,0,dbien+khe+cvach+khe,0 K,10,rbien/2,dbien+khe+cvach+khe,0 k,11,rbien/2,dbien+khe+cvach+khe+dbien,0 _138_ ` k,12,0,dbien+khe+cvach+khe+dbien,0 k,13,rbien/2-h,dbien,0 k,14,rbien/2-h+kmh,dbien,0 k,15,rbien/2-h,dbien+khe+kmh,0 k,16,rbien/2-h,dbien+khe+cvach+khe,0 k,17,rbien/2-h+kmh,dbien+khe+cvach+khe,0 k,18,rbien/2-h,dbien+khe+cvach+khe-kmh,0 ! -A,1,2,3,4, !A1=Tam bien duoi A,9,10,11,12 !A2=Tam bien tren A,5,7,8,6 !A3=Tam vach A,13,14,15,5 !A4=Moi han A,18,17,16,7 !A5=Moi han ARSYM,x,all !Lay doi xung AADD,1,6 !Cong mat AADD,2,7 !Cong mat AGlue,all !Dan cac area Lcomb,7,21 !gop duong va 21 Lcomb,1,41 !gop duong va 41 Lcomb,43,44 ! gop duong 43 va 44 Lcomb,25,27 ! gop duong 25 va 27 Lesize,1,,,d6 Lesize,7,,,d6 Lesize,25,,,d6 Lesize,43,,,d6 Lesize,2,,,d2 Lesize,6,,,d2 Lesize,22,,,d2 _139_ ` Lesize,26,,,d2 Lesize,11,,,d6 Lesize,31,,,d6 Lesize,8,,,d6 Lesize,23,,,d6 Lesize,24,,,d2 Lesize,28,,,d2 Lesize,45,,,d2 Lesize,46,,,d2 Lesize,14,,,d3 Lesize,17,,,d3 Lesize,34,,,d3 Lesize,37,,,d3 Lesize,13,,,d3 Lesize,18,,,d3 Lesize,33,,,d3 Lesize,38,,,d3 Lesize,15,,,d3 Lesize,20,,,d3 Lesize,35,,,d3 Lesize,40,,,d3 Lesize,10,,,d2 Lesize,12,,,d2 Lesize,30,,,d2 Lesize,32,,,d2 Lesize,10,,,d2 Lesize,12,,,d2 Lesize,30,,,d2 Lesize,32,,,d2 _140_ ` Lesize,16,,,d1 Lesize,19,,,d1 Lesize,36,,,d1 Lesize,39,,,d1 ! vext,all,,,,,dai ! Lesize,78,,,d13 Lesize,83,,,d13 Lesize,81,,,d13 Lesize,82,,,d13 Lesize,97,,,d13 Lesize,100,,,d13 Lesize,98,,,d13 Lesize,99,,,d13 Lesize,41,,,d15 Lesize,48,,,d15 Lesize,29,,,d15 Lesize,52,,,d15 Lesize,53,,,d15 Lesize,70,,,d15 Lesize,80,,,d15 Lesize,65,,,d15 Lesize,79,,,d15 Lesize,66,,,d15 Lesize,42,,,d15 Lesize,47,,,d15 Lesize,44,,,d15 Lesize,58,,,d15 ` Lesize,57,,,d15 Lesize,67,,,d15 Lesize,68,,,d15 Lesize,69,,,d15 Lesize,89,,,d15 Lesize,90,,,d15 !================ !============Cac thuoc tinh phi tuyen cua Steel: !===1-Elastic Modul -[Pa]- Modun dan hoi MPTEMP,,,,,,, !xoa bang nhiet MPTEMP,1,20,200,400,600,800,1000 !bang nhiet moi MPTEMP,7,1100,1200,1300,1500 MPDATA,EX,1,1,210000E+6,200000E+6,175000E+6,135000E+6,78000E+6,15 000E+6 MPDATA,EX,1,7,7000E+6,3000E+6,1000E+6,1000E+6 ! -!===2-Poisson - He so poat xong MPTEMP,,,,,,, MPTEMP,1,20,1500 !xoa bang nhiet !bang nhiet moi MPDATA,PRXY,1,1,0.33,0.33 !bang gia tri moi ! -!===3-DEnsity -[kg/m3]- Ty = f(temp) MPTEMP,,,,,,, MPTEMP,1,20,1400 !xoa bang nhiet !bang nhiet moi MPDATA,DENS,1,1,7800,7300 !bang gia tri moi ! -!===4-Specific Heat -[J/kg.K]- Nhiet dung rieng MPTEMP,,,,,,, !xoa bang nhiet MPTEMP,1,20,100,300,500,800,900 !bang nhiet moi _142_ ` MPTEMP,7,1000,1500 MPDATA,C,1,1,400,500,600,650,850,650 !bang gia tri moi MPDATA,C,1,7,660,680 ! -!===5-Thermal conductivity -[W/m.K]- He so dan nhiet MPTEMP,,,,,,, !xoa bang nhiet MPTEMP,1,20,100,200,300,400,500 !bang nhiet moi MPTEMP,7,600,700,800,1500 MPDATA,KXX,1,1,46,46,45,43,40,37 !bang gia tri moi MPDATA,KXX,1,7,33,28,24,32 ! -!===6-Thermal Expansion -[%]- He so dan no nhiet MPTEMP,,,,,,, !xoa bang nhiet MPTEMP,1,20,1300 !bang nhiet moi MPDATA,ALPX,1,1,0,20e-6 !bang gia tri moi !================ ET,1,Solid98 !Loai Element !MP,EX,1,204e+9 !Modun dan hoi !MP,NUXY,1,0.3 !He so Poisson !MP,DENS,1,7800 !Ty Vat lieu ! -!============Chon element va chia luoi cho cac VOLUME: ET,1,Solid98 VMESH,ALL FINISH !Mshkey,0 !Mshape,1,3D !VMESH,all !FINISH ` !===================== /SOLU Antype,Trans !Solution !Transient solution Rescontrol,,last,last !Cho phep chay noi tiep - Restart solution NROPT,full ESTIF,1e-10 OutRES,nsol,last Solcontrol,on Pstres,on ! Toffset,273 TREF,20 !============== Asel,s,area,,37 Asel,a,area,,47 Nsla,s,1 D,all,Ux,0 D,all,Uy,0 D,all,Uz,0 Allsel !===========Face film - Truyen nhiet vao Do ga: Asel,s,area,,37 Asel,a,area,,47 Nsla,s,1 SF,all,CONV,conv1,20 ![W/(m2.K)],20[oC] Allsel !===========Face film - Doi luu Khong khi: Asel,s,area,,1 _144_ ` Asel,a,area,,24 Asel,a,area,,31 Asel,a,area,,46 Asel,s,area,,6 Asel,a,area,,29 Asel,a,area,,20 Asel,a,area,,42 Asel,a,area,,2 Asel,a,area,,6 Asel,s,area,,7 Asel,a,area,,12 Asel,a,area,,4 Asel,a,area,,5 Asel,s,area,,9 Asel,a,area,,10 Asel,a,area,,8 Asel,a,area,,29 Asel,a,area,,35 Asel,a,area,,38 Asel,s,area,,49 Asel,a,area,,51 Asel,a,area,,36 Asel,a,area,,32 Asel,a,area,,48 Asel,a,area,,52 Asel,a,area,,18 Asel,a,area,,41 Asel,a,area,,45 Asel,a,area,,21 _145_ ` Nsla,s,1 SF,all,CONV,conv,20 ![W/(m2.K)],20[oC] Allsel !===============Tieu diet het cac phan tu thuoc moi han: 2,6 Vsel,s,volu,,2,6,2 !Chon moi han (2,6 volumes) NSLV,s,0 !Chon nut nam o phia cua khoi EslN,s,0,all !Chon Element gan voi cac nut vua chon EKILL,all !Kill tat ca cac Element vua chon !############################################### ! =============Han moi han thu nhat :================= ! ############################################## ! ===============Xac dinh vung tai sinh elements: tim=inc tai thu nhat) Chu Y !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! z2=vh*tim z1=z2-Lt !===============Tai sinh cac phan tu han: Vsel,s,volu,,2 NSLV,s,0 Nsel,r,loc,z,z1,z2 EslN,s,0,all EALIVE,all !===============Dat tai nguon nhiet vao cac nut tai sinh: Vsel,s,volu,,2 NSLV,s,1 Nsel,r,loc,z,z1,z2 *GET,sonut,NODE,,COUNT !Xac dinh so nut vua chon F,all,HEAT,q*Lt/sonut !Dat tai nguon nhiet han CHO TUNG NUT ! ===============Giai: _146_ ` Time,tim !Time of transient solution AutoTS,on !Tu dong tim buoc noi suy Allsel !Chon tat ca Model Solve !Giai he PT ma tran !===============Xoa tai nguon nhiet de chuyen sang vi tri moi: Vsel,s,volu,,2 NSLV,s,1 Nsel,r,loc,z,z1,z2 Fdele,all,HEAT ! -Luu ket qua: Save FINISH !==============================Hien thi ket qua: /POST1 /CVal,,600,727,850,911,1200,1300,1500,20000 !Thang nhiet