a) Phương án thiết kế sơ bộ b) Phương án thiết kế số 10 (tối ưu)
3.4.4. Phân bố ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn hybrid nhô m– thép chữ T
chữ T
Phần mềm Sysweld không chỉ tính toán được trường nhiệt độ và chu trình nhiệt tại các nút trên mô hình nghiên cứu, mà còn tính toán được cả trường phân bố ứng suất (do tác động đồng thời của nhiệt và thay đổi thể tích khi chuyển biến pha trong kim loại) cũng như biến dạng và quá trình biến đổi tổ chức kim loại trong mô hình nghiên cứu.
Trên hình 3.35 là phân bố ứng suất tương đương (⌠e, equivalent stress) trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T sau khi hàn 150 giây (nguội đến 230oC). Kết quả tính toán cho thấy rằng ứng suất lớn chủ yếu tập trung ở tấm thép (giá trị lớn nhất là 189 MPa tại góc tấm thép). Các vùng còn lại có ứng suất tương đối nhỏ, trong đó tấm nhôm có ứng suất nhỏ hơn tấm thép rất nhiều do nhôm AA1100 là vật liệu có độ dẻo cao nên chúng sẽ bị biến dạng nhiều hơn.
Hình 3.35 Phân bố ứng suất trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T sau khi hàn 1 phía với năng lượng đường q = 680 J/mm
Hình 3.36 biểu diễn kết quả tính toán biến dạng theo phương Z do phần mềm Sysweld đưa ra khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với năng lượng đường 680 J/mm. Kết quả tính toán cho thấy rằng tại mép gá kẹp có biến dạng bằng 0, biến dạng nhiều nhất thuộc về tấm nhôm (vùng dưới mối hàn) và đạt giá trị lớn nhất trong trường hợp này chỉ là 0,42 mm. Dấu trừ (-) biểu thị chiều của biến dạng ngược với chiều của trục Z, nghĩa là liên kết bị cong xuống phía dưới (biên cụp vào vách). Kết quả này cũng mô tả giống như trong lý thuyết về kết cấu hàn và lý thuyết về ứng suất & biến dạng hàn.
Hình 3.36 Biến dạng sau khi hàn 1 phía liên kết hybrid nhôm – thép chữ T với năng lượng đường q = 680 J/mm
Do công trình nghiên cứu này sử dụng cặp vật liệu thép CCT38 và nhôm AA1100 là các vật liệu không có biến đổi tổ chức khi hàn, nên quá trình nghiên cứu sự biến đổi tổ chức kim loại khi hàn không được tiến hành trong phạm vi của bản luận án này.
3.5. Kết luận chương 3
Bằng các kết quả rất trực quan (bảng dữ liệu, đồ thị, hình ảnh và video), mô phỏng cho ta biết được tất cả các thông số nghiên cứu trong toàn miền khảo sát (cả trên biên lẫn trong lòng mô hình) và liên tục trong toàn bộ thời gian sự kiện xảy ra mà bằng các thí nghiệm rất khó mô tả, đôi khi rất khó hoặc không thể tiến hành thí nghiệm được hoặc nếu có thí nghiệm được thì lại rất tốn kém. Việc sử dụng máy tính điện tử cùng với phần mềm tin học xây dựng trên nền tảng của phương pháp toán số (điển hình là phương pháp PTHH) để tính toán và mô phỏng các bài toán thiết kế kết cấu hàn cũng như bài toán công nghệ hàn đã đem lại nhiều lợi ích to lớn về cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế do rút ngắn được thời gian nghiên cứu, đặc biệt là tiết kiệm được rất nhiều các chi phí thử nghiệm. Thông qua mô phỏng sẽ thu nhận được các dữ liệu cần thiết và có giá trị của vấn đề nghiên cứu để làm cơ sở cho việc khảo sát, đánh giá trong quá trình thực nghiệm.
Ở chương này, lần đầu tiên tại Việt Nam, tác giả đã ứng dụng thành công các lý thuyết về mô phỏng kết hợp với tính toán tối ưu thiết kế kết cấu; sử dụng thành thạo các phần mềm tính toán mô phỏng chuyên nghiệp là ANSYS và Sysweld áp dụng để giải quyết các bài toán cụ thể và đặc trưng do yêu cầu của luận án đề ra. Tác giả đã xây dựng được chương trình thiết kế tối ưu liên kết hàn có thể sử dụng để tính toán cho các dạng liên kết bất kỳ và có thể mở rộng để tính toán cho các kết cấu lớn và phức tạp với nhiều loại vật liệu sử dụng. Từ một lựa chọn sơ bộ bất kỳ, chương trình máy tính do tác giả xây dựng sẽ tự động tìm ra được kích thước hợp lý nhất (có thể tích bé nhất) ứng với dạng cấu trúc và điều kiện chịu tải cụ thể của kết cấu, trong khi đảm bảo được khả năng làm việc.
Thành tựu cơ bản và nổi bật của chương này là lần đầu tiên đã ứng dụng phần mềm Sysweld để tính toán mô phỏng bài toán phi truyền thống – đó là quá trình hàn TIG liên kết lai ghép giữa hai loại vật liệu khác nhau về chủng loại là nhôm AA1100 và thép CCT38 ở dạng chữ T. Tác giả đã tìm ra được góc nghiêng thích hợp (20o) của mỏ hàn đảm bảo cho tấm thép không bị quá nhiệt khi hàn hybrid như đã đề cập.
Đã xác định được chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán trên bề mặt tấm thép khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với các chế độ công nghệ hàn khác nhau. Đặc biệt là đã đề ra được giải pháp khoanh vùng và xác định chế độ công nghệ hàn một cách ít tốn kém nhất thông qua phương pháp tính toán mô phỏng số; trong đó, lần đầu tiên đã xác định được dải năng lượng đường tối ưu (680 – 720 J/mm) khi hàn liên kết hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng liên kết chữ T dày 5 mm. Chương trình mô phỏng xây dựng được có thể áp dụng đối với chiều dày bất kỳ của chi tiết hàn và có thể áp dụng cho bất kỳ cặp kim loại khác chủng loại nào (khi đó chỉ phải thay đổi các hàm thuộc tính của vật liệu).
Ngoài ra, cũng bằng kỹ thuật mô phỏng, tác giả đã tính toán được ứng suất và biến dạng của liên kết hàn ứng với chế độ công nghệ hàn cụ thể. Dữ liệu này cũng sẽ làm cơ sở để đề ra các biện pháp xử lý thích hợp trong quá trình thực nghiệm ở chương 4.
4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRIDNHÔM – THÉP DẠNG CHỮ T