Numeričko modeliranje zaostalih naprezanja i pukotina u zavarenim konstrukcijama

Perić, Mato (2015) Numeričko modeliranje zaostalih naprezanja i pukotina u zavarenim konstrukcijama. = Numerical modeling of residual stresses and cracks in welded structures. Doctoral thesis , Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, UNSPECIFIED. Mentor: Tonković, Zdenko.

[img]
Preview
Text
Peric_M_2015_Doktorat.pdf - Published Version Jezik dokumenta:Croatian

Download (4MB) | Preview

Abstract (Croatian)

Za modeliranje unosa topline prilikom zavarivanja i procjenu zaostalih naprezanja i deformiranja, uspješno se primjenjuje metoda konačnih elemenata čime se numeričkom simulacijom nastoji zamijeniti, odnosno nadopuniti skupi eksperiment. U tu svrhu je potrebno simulaciju provesti primjenom trodimenzijskog (3D) modela i tehnike rađanja elemenata. Međutim, takav model je često prezahtjevan za postojeće računalne resurse te skraćenje vremena trajanja simulacije postaje ključan izazov. U cilju povećanja učinkovitosti i točnosti numeričke simulacije procesa zavarivanja mehaničkih konstrukcija složenije geometrije, u radu je predložena metoda koja se temelji na kombinaciji 3D i ljuskastih konačnih elemenata. Verifikacija metode provedena je na primjerima zavarivanja dviju sučeono i T-spojenih čeličnih ploča. Istražen je utjecaj veličine zone kreirane 3D elementima na raspodjelu temperatura, zaostalih naprezanja i pomaka. Definiran je kriterij prijelaza s trodimenzijskih na ljuskaste elemente za dobivanje približno jednake točnosti rješenja, kao i pri korištenju potpunog 3D modela. Zaključeno je da je za konvergenciju temperatura, pomaka i naprezanja nužno da je veličina 3D zone jednaka barem trostrukoj debljini ploče. U cilju validacije numeričkog modela provedena su eksperimentalna istraživanja na primjeru zavarivanja nekoliko pločastih uzoraka potpuno automatiziranim procesom. Za mjerenje raspodjele pomaka, deformacija i temperature na vanjskim plohama ploča primijenjena je metoda korelacije digitalne slike i infracrvene termografije. Za razliku od postojećih postupaka, to je omogućilo usporedbu s rezultatima numeričkog modela na bilo kojem mjestu na konstrukciji. Osim toga, provedeno je mjerenje zaostalih naprezanja primjenom mjernih traka za mjerenje metodom zabušivanja rupica. Nadalje, provedena je numerička simulacija procesa zavarivanja na modelu s pojednostavljenim materijalnim svojstvima. U okviru istraživanja utjecaja toplinskih i mehaničkih svojstava ugljičnog čelika na tranzijentno polje temperatura i zavarivanjem prouzročenih zaostalih naprezanja i deformacija razmatrana su dva slučaja. U prvom slučaju sva svojstva materijala, izuzev granice tečenja, uzeta su konstantna na sobnoj temperaturi. U drugom slučaju, za procjenu svojstava materijala u ovisnosti o temperaturi korišteni su polinomi definirani ASCE manualom. Iz rezultata simulacije zaključeno je da u usporedbi s referentnim slučajem u kojem su korištena stvarna svojstva odabranog materijala S355JR, prvi slučaj je pogodniji za izračun progiba, dok je drugi slučaj pogodniji za izračun temperatura, veličine zone utjecaja topline i zaostalih naprezanja. U završnoj fazi istraživanja razmatran je utjecaj zaostalih naprezanja na koeficijent intenzivnosti naprezanja u slučaju hipotetske površinske polueliptičke pukotine. Korištena je tehnika podmodeliranja te je utvrđeno da je konvergencija rezultata prihvatljiva ako je veličina podmodela veća od pet duljina pukotine. Razmatran je i utjecaj pojednostavljenja materijala na modelu s pukotinom te je zaključeno da je za izračun koeficijenta intenzivnosti naprezanja drugi slučaj pojednostavljenja znatno pogodniji od spomenutog prvog slučaja.

Abstract

For heat flux modelling due to welding and residual stress and distorsion assesment, the finite element method has been succesfully used by which it is intended to avoid expensive experiments and replace or supplement it with a numerical simulation. For this purpose it is neded to carry out the numerical simulation using three-dimensional model and element birth and death technique. However, such a complex model can be computionally expensive or oversized for avalilable resources, so that the shorter time duration of the numerical simulations remains a substantial challenge. With the aim to increase the efficiency and accuracy of numerical simulation of the welding process of mechanical structures with a more complex geometry, an efficient method based on combining three-dimensional and shell finite elements is proposed in this dissertation. The method is verified on examples of butt and T-joint welding of two steel plates. The influence of the choice of the local 3D size on temperature, residual stress, and displacement was investigated. A minimal 3D zone size that had both appropriate convergence of the solution and accuracy is defined. It was concluded that the convergence of temperature, displacement and stress is obtained if the size of the 3D zone is equal to at least three plate thickness. To validate the numerical model, a series of experiments using a fully automated welding process are conducted. A thermographic camera and an optical measurement system are used to measure the temperature and displacement distributions. Hole drilling strain gauge method is used to measure residual stress distributions. Furthermore, a three-dimensional numerical simulation of a T-joint fillet welding of two plates is performed using simplified material properties. To investigate the influence of the temperature dependent thermo-mechanical properties of carbon steel on the transient temperature distributions on weld-induced stresses and deformations, two different cases are considered. In the first case, all the material properties, except the yield stress, are taken as constant at room temperature. In the second case, to calculate the temperaturedependent material properties, the polynomials defined by the ASCE manual are used. From the simulation results, it was concluded that, compared with the reference case that uses the thrue properties of the chosen material S355JR, the first case of simplification is more suitable for prediction of plate deflections, while the second case is more favorable for the assesment of thermal fields, heat affected zones and residual stress fields. In the investigation final phase, the influence of residual stresses on the stress intensity factors in the case of a hypothetical semi-elliptical surface crack is investigated. Here, the submodeling technique is used and it was concluded that the convergence of the results is attained if the submodel size is equal to five length of the crack. The influence of material simplification on the stress intensity factor calculation is also investigated and it is concluded that the second case of simplification is more appropriate for this purpose than the first one.

Item Type: Thesis (Doctoral thesis)
Uncontrolled Keywords: Zavarivanje; zaostala naprezanja; infracrvena termografija; korelacija digitalne slike, termoparovi, metoda zabušivanja rupica, analiza metodom konačnih elemenata; podmodeliranje; koeficijent intenzivnosti naprezanja
Keywords (Croatian): Welding; residual stresses; infrared thermography; digital image correlation; thermocouples; hole drilling strain gauge method; finite element analysis; submodeling; stress intensity factor
Subjects: TECHNICAL SCIENCE > Mechanical Engineering
Divisions: 200 Department of Engineering Mechanics > 210 Chair of Mechanics and Strength of Materials
Date Deposited: 10 Mar 2016 12:34
Last Modified: 10 Mar 2016 12:38
URI: http://repozitorij.fsb.hr/id/eprint/5232

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year

Nema podataka za dohvacanje citata