Ứng dụng phần mềm Ansys dự đoán nhiệt độ, biến dạng và ứng suất khi hàn liên kết giáp mối

Bài viết trình bày ứng dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng nhiệt độ, biến dạng và ứng suất khi hàn liên kết giáp mối. Liên kết hàn giáp mối tấm và giáp mối ống bằng phương pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW) và hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ (GTAW) sẽ được trình bày trong nghiên cứu này. Việc tính toán nguồn nhiệt hàn là tương đối khó trong các phương pháp hàn nóng chảy; tuy nhiên nó đã được đưa ra đầy đủ và chi tiết trong bài báo này.

ISSN 2354-0575 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS DỰ ĐOÁN NHIỆT ĐỘ, BIẾN DẠNG VÀ ỨNG SUẤT KHI HÀN LIÊN KẾT GIÁP MỐI Thân Văn Thế1, Trần Ngọc Thành2, Ngô Thị Thảo2 Trường Đại học Feng Chia Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày soạn nhận báo: 17/07/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 10/08/2017 Ngày báo duyệt đăng: 20/08/2017 Tóm tắt: Bài báo trình bày ứng dụng phần mềm ANSYS để mô nhiệt độ, biến dạng ứng suất hàn liên kết giáp mối Liên kết hàn giáp mối giáp mối ốngbằng phương pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (GMAW) hàn hồ quang điện cực khơng nóng chảy mơi trường khí trơ bảo vệ (GTAW) trình bày nghiên cứu Việc tính tốn nguồn nhiệt hàn tương đối khó phương pháp hàn nóng chảy; nhiên đưa đầy đủ chi tiết báo Sau ANSYS dùng để xây dựng mơ hình liên kết hàn mơ q trình hàn GMAW GTAW Kết thu bao gồm nhiệt độ phân bố liên kết hàn, biến dạng ứng suất sau hàn Các kết nhận dùng chế độ hàn khác so sánh để đánh giá ảnh hưởng thông số chế độ hàn đến nhiệt độ, biến dạng ứng suất Kết nghiên cứu sở quan trọng cho việc tìm lựa chọn chế độ hàn hợp lý, giảm sai hỏng trình hàn hạn chế số lần hàn thực nghiệm, từ giảm chi phí hàn Từ khóa: GMAW; GTAW; ANSYS; Liên kết hàn giáp mối; Trường nhiệt độ Giới thiệu Hàn nóng chảy mơi trường khí bảo vệ sử dụng rộng rãi thực tế ưu điểm chúng Các q trình hàn hồ quang mơi trường khí bảo vệ đa dạng phân loại theo loại khí bảo vệ, đặc trưng bảo vệ khí, loại điện cực…[1] Mức độ tập trung cao nguồn nhiệt hàn đảm bảo vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp, khả biến dạng thấp, suất hàn cao, hiệu bảo vệ tốt, không cần sử dụng thuốc hàn vỏ bọc que hàn, dễ khí hóa tự động hóa ưu điểm trội phương pháp hàn Gần nhiều nghiên cứu q trình hàn cơng bố Dongqing Yang cộng báo cáo phân tích nhiệt hàn nhiều lớp phương pháp GMAW (Gas Metal Arc Welding) sử dụng thiết bị đo nhiệt hồng ngoại [2] Nguồn nhiệt hàn GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) mô thành công Francois Pichot cộng [3], sau nhóm tác giả tiến hành thực nghiệm để kiểm nghiệm kết Bài toán nghịch phương pháp enthalpy E.S Magalhães cộng sử dụng để tính tốn tỷ lệ truyền nhiệt nhôm 6065-T5 hàn phương pháp GTAW thông qua việc quan sát trường nhiệt độ lan truyền sau hàn [4] Tính tốn nguồn nhiệt hàn nóng chảy phức tạp chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Arshad AlamSYED [5] tiến hành mô Khoa học & Công nghệ - Số 15/Tháng - 2017 trình hàn GMAW sử dụng nguồn nhiệt thể tích Trong báo cáo này, phương pháp giải tích tính tốn nguồn nhiệt thể tích kép áp dụng cho liên kết hàn giáp mối Thực tế mô số ứng dụng nhiều công nghệ hàn, mục đích để tìm chế độ hàn tối ưu, sở để chọn chế độ hàn thực nghiệm, từ giảm số lần làm thực nghiệm, giảm giá thành Một công cụ để mô trình hàn phần mềm ANSYS Hiện nayANSYS ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp ANSYS sử dụng cho việc tối ưu hóa thông số hàn để tăng tuổi thọ kết cấu [6], mô ứng suất biến dạng phân bố hàn dày [7] Tuy nhiên, việc ứng dụng ANSYS WORKBENCH mô q trình hàn đặc biệt hàn nóng chảy hạn chế, chưa có nghiên cứu cơng bố Trong báo nhóm tác giả tính tốn nguồn nhiệt ứng dụng thành cơng ANSYS WORKBENCH để xây dựng mơ mơ trường nhiệt độ, từ xuất kết ứng suất biến dạng sau hàn cho liên kết giáp mối hai phương pháp hàn nóng chảy GMAW GTAW Từ kết phần đánh giá chất lượng liên kết hàn sở quan trọng để lựa chọn chế độ hàn thực nghiệm tiết kiệm số lần hàn thử, giảm chi phí hàn Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Tính tốn nguồn nhiệt hàn Sự phân tích truyền nhiệt biến thiên ba chiều thực để mơ q trình hàn hồ quang mơi trường khí bảo vệ với phương trình truyền nhiệt sau [5]: b 2T l d 2T n b 2T l o 2T 2x k 2x + 2y k 2y + 2z k 2z + Q = tC P 2t (1) Trong ρ, k CP tương ứng với mật độ, độ dẫn nhiệt nhiệt dung vật liệu phôi; t T biến thời gian nhiệt độ tương ứng Trong phương trình (1), thành phần Q̇ ghi nhận nhiệt hồ quang đầu vào theo nguồn nhiệt thể tích Các điều kiện biên tổng qt trình bày dạng: 2T kn 2x - q + h _T - T0 i + vf _T - T 04 i = (2) Trong n, kn , h, ε, σ T0 theo thứ tự thể hướng vuông góc với bề mặt, độ dẫn nhiệt, hệ số truyền nhiệt, hệ số xạ, số StefanBoltzmann nhiệt độ mơi trường Thành phần phương trình (2) gradient nhiệt độ pháp tuyến đến biên; thành phần thứ hai q mô tả nguồn nhiệt đặt vào thường tính nguồn nhiệt hồ quang Trong nghiên cứu này, lượng nhiệt hồ quang áp dụng nguồn nhiệt thể tích (Q̇ ) (phương trình (3)) thay cho nguồn nhiệt bề mặt (q) Thành phần thứ ba thứ tư phương trình (2) thể thất nhiệt trình đối lưu xạ nhiệt Hình trình bày cách giản thể miền tính tốn xét đến nghiên cứu Một phân tích đối xứng tiến hành với mặt phẳng đối xứng dọc theo rãnh đường hàn Trong Hình 1, E1, E2 E3 miêu tả vật liệu kết tinh, kết tinh kết tinh Hình Sơ đồ biểu diễn nguồn nhiệt thể tích kép [5] Hình cho thấy hai nguồn nhiệt bán elip xem xét nghiên cứu với bán elip nhỏ phía trước vị trí tâm hồ quang nửa khối elip lớn phía sau xem xét để tính tốn cho lượng nhiệt hồ quang bể hàn 10 Hình Sơ đồ trình bày nguồn nhiệt bán elip Các bán trục chính, trục nhỏ độ sâu phía trước phía sau bán elip mơ tả (a1, b, c) ( a2, b, c) Sự phân bố mật độ lượng phía trước nguồn nhiệt sau viết như: fi Ph 3x2 3y 3z2 (3) Qo = exp f - - - p r r bc b c Trong i đề cập đến số thứ tự tương ứng với phía trước Q̇ phía sau Q̇ nguồn nhiệt tổng Q̇ ; η hiệu suất trình nung nóng; P = αUI cơng suất hồ quang, α hữu ích hồ quang, I U tương ứng dòng điện áp hồ quang Các giá trị α η tương ứng 0.75 0.80, giá trị f1 f2 tương ứng 0.6 1.4 [5] Giả sử nguồn nhiệt có hình cầu, thể tích hình học cho là: (4) X = 2/3ra3 Trong a bán kính hình cầu Thể tích hình học đại diện cho nguồn nhiệt hồ quang coi khối lượng phơi nóng chảy cộng với khối lượng điện cực nóng chảy rãnh V Hình thể hình ảnh thiết kế sơ liên kết hàn Hình Hình ảnh thiết kế sơ liên kết hàn ban đầu Do vậy: Ph m ts 3= +