Đang tải... (xem toàn văn)
Bài nghiên cứu này sử dụng phần mềm ANSYS Workbench để tiến hành mô phỏng trường ứng suất dư sinh ra trên chi tiết thông qua quá trình nhiệt và sự thay đổi trường ứng suất dư bằng dao động (rung khử ứng suất dư). Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của bài viết này.
BÀI BÁO KHOA HỌC MÔ PHỎNG RUNG KHỬ ỨNG SUẤT DƯ VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TĂNG GIỚI HẠN MỎI CỦA PHƯƠNG PHÁP Đỗ Văn Sĩ1, Bùi Mạnh Cường1, Nguyễn Thị Hồng2 Tóm tắt: Bài báo sử dụng phần mềm ANSYS Workbench để tiến hành mô trường ứng suất dư sinh chi tiết thơng qua q trình nhiệt thay đổi trường ứng suất dư dao động (rung khử ứng suất dư) Trường ứng suất dư chi tiết trước sau rung khử đưa vào chương trình tính tốn để đánh giá khả tăng giới hạn mỏi phương pháp rung khử ứng suất dư Độ tin cậy mô tính tốn đánh giá so với kết thực nghiệm, qua cho thấy phương pháp mơ tính tốn hồn tồn phù hợp với thực tế Kết báo cho phép đánh giá khả cải thiện giới hạn mỏi chi tiết máy phương pháp rung khử ứng suất dư nhanh chóng, qua lựa chọn chế độ rung hợp lý để nâng cao chất lượng rung khử ứng suất dư Từ khóa: Ứng suất dư, giới hạn mỏi, rung khử ứng suất dư ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong chi tiết, có mặt ứng suất làm ảnh hưởng tới đặc tính học nó, đặc biệt ứng suất dư kéo có ảnh hưởng xấu tới đặc tính bền nói chung đặc tính bền mỏi nói riêng (J K Jacobus, 2000; Paul Colegrove, 2009) Thực tế cho thấy có nhiều phương pháp khử ứng suất dư tiến hành như: phương pháp nhiệt, phương pháp cơ… đem lại khả giảm ứng suất dư đáng kể, phương pháp rung khử ứng suất dư có khả làm giảm ứng suất dư tới 90% (R Dawnson, 1980; R T McGoldrick,1943; S M Y Munsi, 2001) Tuy nhiên song song với lợi ích giảm ứng suất dư đạt phương pháp ảnh hưởng khơng tới đặc tính bền mỏi chi tiết sau khử ứng suất dư Với nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, tài liệu (S M Y Munsi, 2001), phương pháp khử ứng suất dư nhiệt làm giảm giới hạn bền mỏi tới 43% sau áp dụng, phương pháp rung khử ứng suất dư làm tăng lên 17% Đối với phương pháp cơ, đặc biệt Bộ môn Cơ học máy - Khoa Cơ khí, Học viện KTQS Bộ mơn Đồ họa kỹ thuật - Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi phương pháp rung khử ứng suất dư, thực nghiệm nghiên cứu với phương pháp có khả vừa làm giảm ứng suất dư đồng thời cải thiện đặc tính bền mỏi chi tiết (Han Jun Gao, 2017; J Song, 2016) Việc nghiên cứu thực nghiệm để xác định đặc tính bền mỏi chi tiết phức tạp tốn nhiều thời gian, báo trình bày nghiên cứu khả tăng giới hạn mỏi chi tiết sở mơ tính tốn giúp khắc phục khó khăn thực nghiệm mà đảm bảo độ xác CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ứng suất dư trình nhiệt rung khử ứng suất dư Khi chi tiết chịu q trình nhiệt đột ngột, khơng chi tiết xuất trường ứng suất dư Trường ứng suất dư xác định thông qua hệ phương trình ma trận đề xuất theo tài liệu (Y Y Zhu and S.Cescotto, 1994): u K u F (1) C T KT Q Trong đó: K ma trận độ cứng chi tiết; K C 0 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 55 ma trận độ cứng nhiệt chi tiết; C ma trận cản chi tiết; C ma trận cản nhiệt chi tiết; F véc tơ tải nhiệt chi tiết; Q véc tơ tải lực chi tiết; u T chuyển vị nhiệt độ nút phần tử Quá trình rung khử ứng suất dư cho chi tiết trình tác dụng ngoại lực bắt chi tiết phải biến dạng, biến dạng vượt qua giới hạn chảy dẻo trường ứng suất dư phân bố lại (A.R Soto-Raga, 1983) Tác giả Агапов đưa phương trình chuyển động tổng quát chi tiết có ứng suất dư (B П Агапов, 2000) [M ]{u(t t)} [C]{u(t t)} [Ktt ] [K ]{u(t)} {Q}p (2) Trong đó: [ M ] ma trận khối lượng chi tiết; [C ] ma trận cản chi tiết; [ K tt ] ma {Q}n [ M ]{u(t )} [C ]{u (t )} trận độ cứng chi tiết khơng có ứng suất dư; [ K ] ma trận độ cứng chi tiết ứng suất dư; {Q} p véc tơ hiệu số ngoại lực tập trung ; 2.2 Đánh giá giới hạn mỏi chi tiết Theo tài liệu (B C Aнgpeй, 2004), giới hạn mỏi chi tiết tính thơng qua giới hạn mỏi mẫu tiêu chuẩn theo công thức: (3) Với KF,KV hệ số ảnh hưởng công nghệ gia cơng bề mặt, thay đổi kích thước chi tiết so với mẫu; mw tham số đặc trưng vật liệu , thể tích quy đổi mẫu chi tiết máy tính theo tài liệu (О B Репецкий, 2012) sau: (4) Trong số lượng phần tử hữu hạn sử dụng để mơ hình hóa mẫu chi tiết, thể tích qui đổi phần tử hữu hạn thứ m mẫu chi tiết, chúng tính theo cơng thức sau: {Q}n véc tơ hiệu số ngoại lực phân bố (5) Trong trọng số theo trục hệ trục tọa độ địa phương phần tử hữu hạn, - ma trận Jacobi Chỉ số “0” ứng với mẫu số “d” ứng với chi tiết, hàm số tính cho phần tử mẫu chi tiết theo cơng thức: (6) Trong hàm dạng phần tử hữu hạn ứng với nút thứ i, giá trị ứng suất nút thứ i phần tử hữu hạn, ứng suất lớn mẫu chi tiết, nod số lượng nút phần tử Để so sánh giới hạn mỏi chi tiết trước sau rung khử ứng suất dư ta coi giới hạn mỏi chi tiết sau rung khử Rd giới hạn mỏi chi tiết trước rung khử R , V0* ; Vd* thể tích quy đổi chi tiết trước sau rung khử ứng suất dư Đối với chi tiết có ứng suất dư, giới hạn 56 mỏi chi tiết hiệu chỉnh theo cơng thức Goodman (Goodman J, 1899).Vì khả tăng giới hạn mỏi chi tiết sau rung khử ứng suất dư tính theo công thức V * mw B du max sau F Rd KV KF 0* (7) R V B du max truoc d Trong đó: B giới hạn bền vật liệu, du max truoc du max sau ứng suất dư lớn lại vật thể trước sau rung khử KẾT QUẢ MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Mơ ứng suất dư rung khử ứng suất dư Hình dạng kích thước chi tiết dùng để mô ứng suất dư, mô rung khử ứng suất dư thiết kế, chế tạo sở tiêu chuẩn ASTM E466 phù hợp thiết bị thí nghiệm, Hình Nguồn nhiệt di động để tạo ứng suất dư chạy dọc theo đường A-A KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Hình Hình dạng kích thước chi tiết (dày 6mm) a) Trước rung khử ứng suất dư Sử dụng vật liệu có mơ hình biến cứng động học hai đường tuyến tính, tham số đặc trưng theo nhiệt độ lấy tài liệu (Lang Shi, 2018) Trường ứng suất dư chi tiết chưa rung khử sau rung khử ứng suất dư cho Hình Kết mơ cho thấy trường ứng suất dư sau rung khử có phân bố lại đồng Trên Hình cho thấy, ứng suất dư nhiệt sinh bề mặt lớn 230 MPa (Hình 2a), sau rung khử ứng suất dư đỉnh cực đại phân bố vào bên chi tiết 88 MPa (Hình 2b) Như Giá trị ứng suất cực đại giảm từ 230MPa xuống 88MPa (giảm khoảng 62%) phân bố vào bên lịng vật thể 3.2 Tính khả tăng giới hạn mỏi phương pháp rung khử ứng suất dư b) Sau rung khử với biên độ tải vượt 29% giới hạn chảy Hình Trường ứng suất dư mặt cắt A-A Bắt đầu Đưa vào mơ hình phần tử hữu hạn chi tiết, thông số vật liệu: mô đun đàn hồi E, hệ số poisson, giới hạn bền B , thông số mw, hệ số KF, KV, điều kiện biên tải trọng tác dụng lên chi tiết Giải tốn nhiệt để tìm phân bố nhiệt q trình hàn Giải tốn tĩnh để tìm ứng suất dư cho chi tiết maxdu truoc Giải tốn động để tìm phân bố ứng suất dư sau rung khử ứng suất dư, tìm maxdu sau Xác định hàm tọa độ không thứ nguyên fElm(x,y,z) chi tiết trước sau rung Xác định thể tích qui đổi chi tiết trước rung V0* , sau rung Vdd Xác định mức tăng giới hạn bền mỏi V * mw maxdu sau F Rd K F KV 0* B R Vd B max du truoc Kết thúc Hình Sơ đồ tính tốn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 57 Chương trình tính tốn lập MATLAB theo cơng thức (7), sử dụng chương trình để tính khả tăng tuổi thọ mỏi phương pháp rung khử ứng suất dư, đầu vào chương trình tính tốn trường ứng suất dư thu mơ ứng suất dư q trình nhiệt (chưa khử ứng suất dư) mô rung khử ứng suất dư Sơ đồ chương trình tính thể Hình Kết tính F = 1,164 Như vậy, mặt cắt khảo sát, với chế độ rung khử ứng suất có tải vượt 29% giới hạn chảy vật liệu giới hạn mỏi lên 16,4% Do khu vực mặt cắt khảo sát nơi bố trí có ứng suất dư nơi chịu tải trình rung khử ứng suất dư, vị trí khảo sát nơi nguy hiểm đặc tính mỏi tồn chi tiết mẫu, kết khảo sát đánh giá sát thực ảnh hưởng tải rung tới khả giảm ứng suất dư tuổi thọ toàn mẫu 3.3 Thực nghiệm rung khử ứng suất dư tìm giới hạn mỏi Mẫu vật liệu: Chi tiết chế tạo có kích thước Hình 1, vật liệu để chế tạo thép CT3 (tương đương ASTM A36), vật liệu xác định giới hạn chảy máy kéo vạn MTS-810 Landmark (Mỹ), đặc tính bền thể Hình bảng Hình Xác định đặc tính học mẫu Bảng Đặc tính học thép CT3 Giới hạn bền B 440 MPa Giới hạn chảy c 296 MPa Modul đàn hồi E 200 GPa Mẫu tạo ứng suất dư phương pháp nhiệt, dùng nguồn nhiệt Acetylen nung nóng vị trí A-A đến nhiệt độ khoảng a) Mẫu nung nóng Hệ số poisson 0,3 Độ dãn dài 20% 1000 C cho nguội nhanh nước Thiết bị đo nhiệt độ cầm tay hãng OMEGA, Hình b) Đo nhiệt độ mẫu Hình Tạo ứng suất dư cho mẫu 58 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) Đo ứng suất dư mẫu theo phương pháp khoan lỗ (Tiêu chuẩn ASTM E837-01), vị trí đo điểm đường A-A Hình 6, vị trí cho ứng suất dư lớn Kết ứng suất dư đo trước sau rung khử thể bảng Hình Đo ứng suất dư Bảng Giá trị đo ứng suất dư Ứng suất dư trước rung 216 MPa Ứng suất dư sau rung 58 MPa Mức giảm ứng suất 73,14% Khảo sát mối quan hệ biến dạng gia tốc rung: Tem đo biến dạng dán vị trí đường A-A Tiến hành cho mẫu dao động tần số cộng hưởng nó, biến dạng vị trí khảo sát đo thiết bị LMS (hãng LMS – Bỉ), biến dạng theo biên độ gia tốc rung thể Hình 7a Tương ứng với ứng suất vị trí khảo sát thể Hình 7b a) Biến dạng vị trí khảo sát b) Mối quan hệ gia tốc ứng suất Hình Khảo sát mối quan hệ biến dạng- gia tốc rung Rung khử ứng suất dư: Rung khử ứng suất dư cho chi tiết bàn rung máy tạo rung LDS (hãng Brüel & Kjær – Đan Mạch), tiến trình rung khử ứng suất dư thực theo bước đề xuất tài liệu (Stefan Lindqvist, 2007) Gia tốc rung 55m/s tần số cộng hưởng chi tiết Trên sở mối quan hệ gia tốc rung ứng suất động Hình 7b, ứng suất động vị trí khảo sát 163,14 MPa, với ứng suất dư 216 MPa (bảng 2) ứng suất tổng vượt qua giới hạn chảy khoảng 29% Tìm giới hạn mỏi: Tìm giới hạn mỏi theo phương pháp Staircase cải tiến máy tạo rung LDS, phương pháp trình bày cụ thể tài liệu (CIMAC WG4, 2009), bậc tăng ứng suất 10,4 MPa Tiến hành thí nghiệm tìm giới hạn mỏi cho mẫu chưa rung khử ứng suất dư mẫu rung khử ứng suất dư Dấu hiệu nhận biết mẫu phá hủy mỏi gãy Kết thí nghiệm thể Hình Kết xử lý số liệu để tính giới hạn mỏi độ lệch chuẩn cho trường hợp theo tài liệu (CIMAC WG4, 2009) Kết tính tốn thu giới hạn mỏi mẫu không rung khử ứng suất dư 136,1 Mpa, với độ lệch chuẩn 10,7 MPa Giới hạn mỏi mẫu rung khử ứng suất dư 154,82 MPa với độ lệch chuẩn 9,9 MPa Như vậy, với chế độ rung khảo sát, mức tăng giới hạn mỏi 13,7% KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 59 a) Không rung khử ứng suất dư b) Rung khử ứng suất dư Hình Kết thí nghiệm tìm giới hạn mỏi (X: Mẫu phá hủy; 0: Mẫu chưa phá hủy) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tồng hợp kết mơ tính toán thực nghiệm khả giảm ứng suất dư khả tăng giới hạn mỏi thể bảng Bảng So sánh kết mơ thí nghiệm Mức tăng giới hạn mỏi sau rung khử Mức giảm giá trị cực đại ứng suất dư sau rung khử Phương pháp rung khử ứng suất dư có khả giảm ứng suất dư cho chi tiết, chế độ rung khử mà báo khảo sát (ứng suất vượt 29% giới hạn chảy) ứng suất dư giảm khoảng 70% cho mơ thí nghiệm Kết phản ánh sát với nghiên cứu (R Dawnson, 1980) Sai khác mơ tính tốn thực nghiệm 11,14% Cả mơ phỏng, tính tốn thí nghiệm với chế độ rung mà báo nghiên cứu cho thấy giới hạn mỏi chi tiết làm thép CT3 cải thiện tăng lên khoảng 20%, kết tương đồng với kết nghiên 60 Mơ 16,4% 62% Thí nghiệm 13,7% 73,14% Sai lệch +2,7% -11,14% cứu công bố (S M Y Munsi, 2001) Sai khác mơ phỏng, tính tốn thí nghiệm 2,7% Sai khác kết mơ phỏng, tính tốn, thí nghiệm cơng bố khác hồn tồn tương đồng có độ xác chấp nhận được, điều cho thấy phương pháp mơ ứng suất dư, rung khử ứng suất dư tính giới hạn mỏi chi tiết hồn tồn áp dụng thực tế để đánh giá khả cải thiện đặc tính mỏi chi tiết làm thép CT3, làm sở khảo sát để lựa chọn chế độ rung khử ứng suất dư đạt hiệu cao thực tế KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) TÀI LIỆU THAM KHẢO J K Jacobus, R E DeVor (2000), “Machining Induced Residual Stress, Experimentation and Modeling”, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 122 p20-31 Paul Colegrove (2009), “The welding process iMPact on residual stress and distortion”, The Science and Technology of Welding and Joining, Vol 14 R Dawnson, D G Moffat (1980), “Vibratory stress relief and fundamental study of its effectiveness”, Journal of Engineering Materials and Technology 102(2):169-176 R T McGoldrick, H E Saunders (1943), “Some Experiments in Stress Relieving Castings and welded structuresby Vibration”, Journal of the American Society for Naval Engineers, Volume-55, (4), pp.589–609 S M Y Munsi, J Waddell, C Walker (2001), “The Influence of Vibratory Treatment on the Fatigue Life of Welds: A Comparison with Thermal Stress Relief”, Strain, 37, 141–149 Han Jun Gao (2017), “Experimental Investigation on the Fatigue Life of Ti-6Al-4V Treated by Vibratory Stress Relief”, Metals, 7, 158; doi:10.3390/met7050158 J Song, Y Zhang (2016), “Effect of vibratory stress relief on fatigue life of aluminumalloy 7075T651”, Adv Mech Eng, 8, 1–9 Y Y Zhu and S Cescotto (1994), "Transient Thermal and Thermomechanical Analysis by Mixed FEM", Computers and Structures, Vol 53 A.R Soto-Raga (1983), An Analysis of the Mechanism of Reduction of Residual Stresses by Vibration, PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, April B П Агапов (2000), Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленых конструкций, Издательство Ассоциаций строительных вузов, Москва B C Aнgpeй (2004), метод определения характеристик сопротивления усталости деталей сложной формы, транспорт урала О B Репецкий, Буй Мань Кыонг (2012), “Прогнозирование усталостной прочности рабочих лопаток турбомашин”, Дюссельдорф: Palmarium academic publishing Goodman, J (1899), Mechanics Applied to Engineering Longmans, Green & Com, London Lang Shi, Angie Hill Price, and Wayne Nguyen Hung (2018), use of contour method for welding residual stress assessment, Procedia Manufacturing 26, pp276–285 Stefan Lindqvist, Jonas Holmgren (2007) Alternative Methods for Heat Stress Relief; Master of science programme Mechanical Engineering; Luleå 14th Guidance for evaluation of Fatigue Tests, IACS UR M53, Appendix IV, CIMAC WG4, 16.10.2009 Abstract: SIMULATING AND EVALUATING THE ABILITY OF INCREASING THE FATIGUE LIMIT OF THE VIBRATORY STRESS RELIEF The paper uses ANSYS Workbench software to simulate residual stress field generated in the structures by the thermal process and the change of residual stress field by vibration (vibratory stress relief) Residual stress field before and after vibration are involved in the calculation program to evaluate the ability of increasing fatigue limit of the vibratory stress relief The reliability of the simulation and calculation is evaluated and compared with the experimental results, thereby showing that the simulation and calculation method is completely consistent with the reality The results of the paper allow to evaluate the ability of quickly improving structures’ the fatigue limit by the vibratory stress relief, so that the appropriate vibration mode can be selected to achieve high efficiency of the vibratory stress relief Keywords: Residual stress, Fatigue limite, Vibratory stress relief Ngày nhận bài: 18/2/2021 Ngày chấp nhận đăng: 20/5/2021 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 74 (6/2021) 61 ... trị cực đại ứng suất dư sau rung khử Phương pháp rung khử ứng suất dư có khả giảm ứng suất dư cho chi tiết, chế độ rung khử mà báo khảo sát (ứng suất vượt 29% giới hạn chảy) ứng suất dư giảm khoảng... cho ứng suất dư lớn Kết ứng suất dư đo trước sau rung khử thể bảng Hình Đo ứng suất dư Bảng Giá trị đo ứng suất dư Ứng suất dư trước rung 216 MPa Ứng suất dư sau rung 58 MPa Mức giảm ứng suất. .. sau ứng suất dư lớn lại vật thể trước sau rung khử KẾT QUẢ MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Mô ứng suất dư rung khử ứng suất dư Hình dạng kích thước chi tiết dùng để mô ứng suất dư, mô rung