Nghiên cứu biện pháp để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI VĂN KHOẢN NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP ĐỂ GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I 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 - BÙI VĂN KHOẢN NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP ĐỂ GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I 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) Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, tháng năm 2011 Tác giả Bùi Văn Khoản LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Tiến Dương, người hướng dẫn trực tiếp giúp đỡ tận tình việc định hướng nghiên cứu, tổ chức thực đến q trình viết hồn chỉnh Luận văn 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 lãnh đạo khoa khí trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng n tạo điều kiện cho tơi hồn thành phần thực nghiệm luận văn Do lực thân 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 Bùi Văn Khoản 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 10 Lý chọn đề tài: 10 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 11 2.1 Mục đích nghiên cứu 11 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 11 Tóm tắt nội dung thực đóng góp tác giả 11 Phương pháp nghiên cứu 12 Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 13 1.1 Tổng quan loại dầm hàn 13 1.2 Ứng dụng dầm hàn chữ I: 17 1.3.2 Tính cơng nghệ: 20 Chương 2: KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO DẦM CHỮ I 23 2.1 Kết cấu dầm hàn chữ I: 23 2.2.Vật liệu chế tạo dầm chữ I: 27 2.3 Phương pháp hàn dầm chữ I: 32 2.4.Các phương án hàn dầm I 34 2.5 Chế độ hàn cho kết cấu dầm chữ I 39 2.5.1.Tổng quan cách tính tốn chế độ hàn TĐ BTĐ: 39 2.5.2 Chế độ hàn cho mối hàn dầm: 46 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN KẾT CẤU DẦM CHỮ I 54 3.1 Các thành phần ứng suất biến dạng kết cấu dầm chữ I: 55 3.1.1.Biến dạng theo truc X: 55 3.1.2.Biến dạng theo truc Y: 55 3.1.3.Biến dạng theo truc Z: 56 3.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn ứng suất biến dạng 56 3.2.1 Ứng suất biến dạng co dọc mối hàn giáp mối: 56 3.2.2 Ứng suất biến dạng ngang co dọc gây mối hàn giáp mối 57 3.2.3 Ứng suất biến dạng co ngang liên kết hàn giáp mối: 62 3.2.4.Ứng suất biến dạng liên kết hàn góc: 74 3.3.Tính tốn ứng suất biến dạng hàn kết cấu dầm chữ I: 77 3.3.1 Xác định ứng suất biến dạng hàn nối bụng cánh: 77 3.3.2 Xác định ứng suất biến dạng toàn phần kết cấu hàn dầm chữ I: 81 3.3.2 Xác định nội lực ứng suất phản kháng 84 3.3.3 Xác định ứng suất uốn độ võng 84 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ MÔ PHỎNG TRƯỜNG NHIỆT, ƯS&BD HÀN KẾT CẤU DẦM HỘP 88 4.1 Phương pháp mô dầm hàn: 88 4.1.1 Ứng dụng phần mền ANSYS hàn: 88 4.1.2 Xây dựng sơ đồ tính tốn cho kết cấu: 89 4.2 Kết mô dầm hàn: 91 CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆN ĐO BIẾN DẠNG HÀN 94 5.1 Mẫu hàn thử 94 5.2 Thiết bị vật liệu hàn 94 5.2.1 Thiết bị hàn tự động lớp thuốc: 94 5.2.2 Vật liệu hàn 95 5.3 Chế độ hàn mẫu thử bảng 97 5.4 Sơ đồ đo biến dạng 97 5.4.1 Sơ đồ đo biến dạng dầm 98 5.5.Trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng 99 5.5.1 Hàn mẫu thử: 99 5.5.2 Chuẩn bị phôi chế tạo dầm 100 5.5.3 Gá đính, hàn, đo biến dạng 100 5.6.Kết đo biến dạng 105 5.6.1.Mẫu dầm D1 105 5.6.2.Mẫu dầm D2 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 Kết luận 108 Kiến nghị 109 TÓM TĂT LUẬN VĂN 111 PHỤ LỤC 1: 115 PHỤ LỤC 2: 126 CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Đơn vị Nội dung b [mm] Kích thước vùng tính tốn δ [mm] Chiều dày vật liệu h [mm] Kích thước chi tiết F [mm2] Diện tích tiết diện P [N] J [mm] Mơ men quán tính б [N/m2] Ứng suất pháp τ [N/m2] Ứng suất tiếp E [N/m2] Mô đun đàn hồi γ [g/cm3] Khối lượng riêng µ Lực tác dụng Hệ số Possion YA [mm] Chuyển vị F [mm2] Diện tích V [mm3] Thể tích m [kg] Khối lượng δ [%] Độ dãn dài tương đối ak [kp.m/cm2] M (Nm) k mm Cạnh mối hàn Ih (A) Cường độ dòng điện hàn Uh (V) Điện áp hàn Vh (mm/p) Tốc độ/ vận tốc hàn qđ (cal/s) Năng lượng đường Độ dai va đập Mơmen HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các loại dầm có biên dạng khơng thay đổi 14 Hình 1.2 Một loại dầm có biên dạng thay đổi thực tế sản xuất 15 Hình 1.3-1.5.Ứng dụng dầm…………………………………………………17-18 Hình 1.6 Hình ảnh dầm đúc 18 Hình 1.7 Ảnh dầm I chế tạo hàn 19 Hình 1.8 Hình ảnh dầm I kết cấu cầu trục 19 Hình 1.9 Hình ảnh thiết bị đồ gá hàn dầm 20 Hình 2.1 Các kích thước dầm 24 Hình 2.2 Bản cánh dầm 25 Hình 2.3 Bản vách dầm 25 Hình 2.4-2.5 Gân tăng cứng 26 Hình 2.6 Gân tăng cứng ngang dầm 27 Hình 2.7 Nguyên lý hàn tự động lớp thuốc 33 Hình 2.8 Thiết bị hàn tự động lớp thuốc 34 Hình 2.9 Phương án thứ hàn dầm chữ I 34 Hình 2.10 Phương án thứ hai hàn dầm chữ I 37 Hình 2.11 Phương án hàn dầm thứ ba 37 Hình 2.12 Kích thước mối hàn giáp mối không vát mép, không khe hở 39 Hình 2.13 Sơ đồ tính tốn kích thước mối hàn 40 Hnh 2.14 Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở 41 Hình 2.15 Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở 43 Hình 2.16 Kích thước mối hàn góc khơng vát mép, hàn lớp 44 Hình 2.17 Sơ đồ tính tốn chiều cao tồn kim loại đắp hàn nhiều lớp 45 Hình 2.18 Sơ đồ tính tốn mối hàn 51 Hình 2.19 Kích thước mối hàn góc khơng vát mép, hàn lớp 52 Hình 3.1 Biến dạng theo trục X 56 Hình 3.2 Biến dạng hai có chiều rộng 57 Hình 3.3 Hiện tượng uốn ngang hàn 59 Hình 3.4 Đường cong sau cắt 59 Hình 3.5 Chuyển vị nắn thẳng 62 Hình 3.6 Biến dạng góc hàn 63 Hình 3.7 Sơ đồ tính tốn biến dạng góc lý thuyết 65 Hình 3.8 Sự phân bố nguồn nhiệt vật dày 69 Hình 3.9 Sự phản kháng quay tự 71 Hình 3.10 Sơ đồ tính tốn biến dạng góc 71 Hình 3.11 Tạo biến dạng ngược trước hàn 74 Hình 3.12 Vùng ứng suất tác động hàn góc 74 Hình 3.13 Độ võng dư hàn mối hàn góc 77 Hình 3.14: Biểu thị vùng ứng suất biến dạng 83 Hình 3.15 Sơ đồ xác định nội lực ứng suất 85 Hình 4.1.Bản vẽ chi tiết hàn 90 Hình 4.2.Hình liên kết hàn 92 Hình 4.3 Ảnh mơ q trình chạy ANSYS 93 Hình 5.1: Nguồn điện hàn hồ quang TĐ sử dụng hàn mẫu thử 95 Hình 5.2: Nguồn điện hàn hồ quang TĐ sử dụng hàn mẫu thử 96 Hình Sơ đồ đo co dọc 99 Hình 5.5: Gá đính dầm 102 Hình 4: Các mẫu thử kiểm tra chế độ hàn 101 Hình 5.5 Đo độ võng co dọc trước hàn mối hàn 1&2 101 Hình 5.6: Hàn đồng thời hai mối hàn 1&2 103 Hình 5.7: Đo độ võng, co dọc dầm sau hàn mối hàn 3&4 104 PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trong sản xuất khí, ngành Hàn đóng vai trị đặc biệt quan trọng Tại số lĩnh vực như: Đóng tàu, sản xuất kết cấu thép, sản xuất ô tô, … thiếu hàn chiếm khối lượng lớn tổng cơng việc cần hồn thành Hiện ngành Hàn phát triển mạnh mẽ với đời phương pháp hàn mới, thiết bị ngày đại nhằm giải phóng sức lao động đem đến cho người sản phẩm với chất lượng ngày có tính ưu việt Trong sản xuất khí nói chung thiết bị cải tiến chất lượng sản phẩm cải thiện nhiều, riêng sản xuất hàn thiết bị không định nhiều chất lượng sản phẩm Nhân tố ảnh hưởng nhiều tới chất lượng sản phẩm hàn yếu tố công nghệ hàn, đa dạng phức tạp ứng suất biến dạng q trình hàn, dặc trưng riêng ngành hàn mà nhà nghiên cứu, chuyên viên cần quan tâm tới Để góp phần chia sẻ sư quan tâm mà tác giả chọn đề tài lĩnh vực ứng suất biến dạng hàn, đề tài đóng vai trị đặc biệt quan trọng, giúp cho q trình gia cơng đạt chất lượng cao Mặt khác nghiên cứu đề tài cho thấy tác dụng đồ gá hàn khơng có tác dụng định vị kẹp chặt chi tiết q trình gia cơng mà cịn có nhiệm vụ giảm ứng suất biến dạng hàn, giúp nâng cao tuổi thọ cho kết cấu sử dụng Sự phong phú đa dạng đồ gá hàn phụ thuộc vào quy mô sản xuất việc ứng dụng phương pháp hàn khác nhau, sử dụng đồ gá đơn (dùng cho sản xuất nhỏ lẻ) hay đồ gá chuyên dùng (dùng sản xuất hàng loạt)… Trong sản xuất khí hàn nói chung sản xuất kết cấu thép nói riêng nhu cầu chế tạo loại dầm hàn vô lớn số lượng chủng loại Do dầm cán thường có kích thước nhỏ độ cứng vững không cao 10 hàn”, NXB Khoa học Kỹ thuật [13] Hoàng Tùng, Nguyễn Thúc Hà, Ngô Lê Thông, Chu Văn Khang (2002), “Cẩm nang hàn”, NXB Khoa học Kỹ thuật [14] Nguyễn Nhật Thăng, Nhữ Phương Mai (2003), “Đàn hồi ứng dụng”, NXB Giáo Dục [15] Ngơ Lê Thơng, “Giáo trình cơng nghệ hàn điện nóng chảy - Tập 1, 2”, NXB Khoa học Kỹ thuật [16] Lều Thọ Trình (2003), “Cơ học kết cấu”, NXB Khoa học Kỹ thuật [17] Nguyễn Viết Trung (2005), “Ví dụ tính tốn mố trụ cầu”, NXB Giao thông Vận tải [18] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), “Hướng dẫn sử dụng phần mềm Ansys”, Học viện Kỹ thuật Quân [19] Tiêu chuẩn kỹ thuật hàn cầu thép 22 TCN-280-01 114 PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG Q TRÌNH HÀN DẦM CHỮ I BẰNG PHẦN MỀM ANSYS (VERSION 10.0) /Filname,Dam_Han_chu_I /Units,SI /VIEW,,1,1,1 /Title,Mo phong dam han chu I / Luan van Bui Van Khoan !===========!Khai bao cac phan tu ============ dbung=8e-3 !Chieu day bung cbung=350e-3 !Chieu cao bung dcanh=6e-3 !Chieu day canh rcanh=220e-3 !Chieu rong canh kmh=7e-3 !Kanh moi han dai=2000e-3 !Chieu dai cua dam Khe=1e-3 !Khe ho han ! -Tai=7e+3 ![N]- 0,7 Tan !===========Dinh nghia cac thong so=========== ! -Dat cac thong so qua trinh han U=34 ![V]-Dien ap han I=380 ![A]-Cuong dong dien han Vh=0,9e-3 ![cm/s]-Van toc han nuy=0.9 !He so nhiet hieu dung q=U*I*nuy/Vh ![W/m]-Nang luong duong cua nguon nhiet han Lt=25e-3 ![m]-Vet di cua nguon nhiet inc=Lt/Vh ![s]-Buoc thoi gian conv1=1000 ![W/(m2.K)]-Truyen nhiet vao ga 115 conv=20 ![W/(m2.K)]-Doi luu khong Tstop=500 ![oC]-Nhiet Stop tinh toan ! -d1=4 d2=2 d3=1 d4=20 d5=30 d6=50 d7=80 ! -/PREP7 K,1 K,2,rcanh/2 K,3,rcanh/2,dcanh K,4,dbung/2+kmh,dcanh K,5,dbung/2,kmh+dcanh K,6,dbung/2,dcanh+khe K,7,,dcanh+khe K,8,,dcanh K,9,,2*dcanh+2*khe+cbung K,10,rcanh/2,2*dcanh+2*khe+cbung K,11,rcanh/2,dcanh+2*khe+cbung K,12,dbung/2+kmh,dcanh+2*khe+cbung K,13,dbung/2,dcanh+2*khe+cbung-kmh k,14,dbung/2,dcanh+khe+cbung K,15,,dcanh+khe+cbung k,16,,dcanh+2*khe+cbung 116 k,17,dbung/2,dcanh k,18,dbung/2,dcanh+2*khe+cbung ! -A,1,2,3,8 !A1=Tam canh duoi A,7,6,14,15 !A2=Tam vach A,9,10,11,16 A,4,5,6,17 A,12,13,14,18 !A3=Tam canh tren !A4=Moi han !A5=Moi han ARSYM,x,all !Lay doi xung AADD,1,6 !Cong khoi AADD,2,7 !Cong khoi AADD,3,8 !Cong khoi AGlue,all !Dan cac area Lcomb,4,5 !Gop duong va Lcomb,8,9 !Gop duong va Lcomb,7,21 !Gop duong va 21 Lcomb,24,25 Lcomb,1,41 Lcomb,32,43 !Gop duong 24 va 25 !Gop duong va 41 !Gop duong 32 va 43 ! -Chia luoi cho mo hinh Lesize,8,,,d5 Lesize,13,14,16,17,18,20,33,34,36,38,40,,,d1 Lesize,2,4,7,10,15,19,22,24,30,32,35,39,,,d2 Lesize,12,27,31,44,,,d5,0.5 Lesize,37,,,d4 Lesize,1,,,d5 ! -Vext,all,,,,,dai !Keo dai de tao dam theo kich thuoc da chon 117 ! -Lesize,26,28,29,41,42,43,45,46,47,48,52,53,70,71,79,82,83,84,,,d6 Lesize,58,59,60,61,68,69,80,81,,,d7 !=======Dat cac thuoc tinh phi tuyen cua vat lieu==== !===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+6,1 5000E+6 MPDATA,EX,1,7,7000E+6,3000E+6,1000E+6,1000E+6 !=======2-Poisson - He so poat xong============= MPTEMP,,,,,,, !xoa bang nhiet MPTEMP,1,20,1500 !bang nhiet moi MPDATA,PRXY,1,1,0.33,0.33 !bang gia tri moi !======3-DEnsity -[kg/m3]- Ty = f(temp)====== MPTEMP,,,,,,, !xoa bang nhiet MPTEMP,1,20,1400 !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 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 118 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 !====Chon element va chia luoi cho cac VOLUME==== ET,1,Solid98 !Loai phan tu Solid 98 VMESH,ALL !Chia luoi cho tat ca cac Volume FINISH !Ket thuc Pre-processor !==============Main Processor=============== /SOLU !Solution Antype,Trans !Transient solution Rescontrol,,last,last !Cho phep chay noi tiep - Restart solution NROPT,full ESTIF,1e-10 !Full Newton-Raphson method !Gan gia tri cho Matrix se Kill OutRES,nsol,last !Dieu khien viec ghi du lieu tinh toan Solcontrol,on Pstres,on !Dieu khien tu dong viec noi suy !Ung suat truoc > Pre-Stress ! Dieu kien ban dau -Toffset,273 !Lay 273 K lam C TREF,20 !Ban dau = 20 C (TUNIF=20 C) !========Dat dieu kien bien ga kep han======== Asel,s,area,,14 !Chon mat so 14 de dat dieu kien ga kep Asel,a,area,,16 !Chon them mat so 16 de dat dieu kien ga kep Asel,a,area,,38 !Chon them mat so 38 de dat dieu kien ga kep Asel,a,area,,40 !Chon them mat so 40 de dat dieu kien ga kep Nsla,s,1 !Chon cac nut thuoc mat vua chon o tren D,all,Ux,0 !Dieu kien bien Lien ket theo phuong X D,all,Uy,0 119 D,all,Uz,0 Allsel !Chon tat ca mo hinh !========Face film - Truyen nhiet vao ga======== Asel,s,area,,14 Asel,a,area,,16 Nsla,s,1 SF,all,CONV,conv1,20 ![W/(m2.K)],20[oC] !========Face film - Doi luu khong khi========= Asel,s,area,,2 Asel,a,area,,1,3,6,7,13,26,29,32,33,38,39,40 Nsla,s,1 SF,all,CONV,conv,20 ![W/(m2.K)],20[oC] Allsel !======Tieu diet het cac phan tu thuoc moi han====== Vsel,s,volu,,2,4,6 !Chon moi han 2, va (3 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 !==========Welding (qua trinh han)============= !========== Xac dinh vung tai sinh elements======= tim=inc !End time of the first Load step z2=Vh*tim !Xac dinh diem dat tai z1=z2-Lt !Chieu dai dat tai !==========Tai sinh cac phan tu han========== Vsel,s,volu,,2 NSLV,s,0 !Chon khoi so - moi han !Chon nut nam o phia cua khoi Nsel,r,loc,z,z1,z2 !Chon lai cac nut se duoc sinh Han EslN,s,0,all !Chon Element gan voi cac nut vua chon EALIVE,all !Tai sinh cac Element vua chon !=======Dat tai nguon nhiet vao cac nut tai sinh===== 120 Vsel,s,volu,,2 !Chon khoi so - moi han NSLV,s,1 !Chon nut thuoc khoi (o + tren bien cua khoi) Nsel,r,loc,z,z1,z2 !Chon lai cac nut se duoc sinh Han *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 (Solution) ================ 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 !Chon khoi so - moi han !Chon nut thuoc khoi (o + tren bien cua khoi) Nsel,r,loc,z,z1,z2 !Chon nut se duoc sinh Han Fdele,all,HEAT !Xoa tai nguon nhiet han ! -Luu ket qua -Save !Save to restart solution FINISH !Ket thuc /Solution !==============Hien thi ket qua=============== /POST1 !Xuat ket qua /CVal,,600,727,850,911,1200,1300,1500,20000 !Thang nhiet