Πειραματική και αριθμητική ανάλυση συγκόλλησης τόξου κατασκευαστικού χάλυβα

Σκάρος, Θεοδόσιος

Experimental study and numerical simulation of structural steel arc welding

Διπλωματική εργασία

Author

Σκάρος, Θεοδόσιος

Date

2022-10-14

Advisor

Μουρλάς, Αθανάσιος

mec_47748.pdf (3.460Mb)

Keywords

Συγκολλήσεις τόξου ; Αριθμητική ανάλυση ; Χάλυβας ; Ιδιότητες χαλύβων ; Παραμένουσες τάσεις ; Παραμορφώσεις ; Μέθοδος πεπερασµένων στοιχείων

Abstract

Οι παραμορφώσεις αποτελούν ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα των συγκολλητών κατασκευών και, συνήθως, ο έλεγχός τους γίνεται με εμπειρικούς τρόπους, ωστόσο αυτοί μπορούν να οδηγήσουν στην αλλοίωση των ανοχών των διαστάσεων των τελικών κατασκευών, με αποτέλεσμα την ανάγκη για μεγάλου κόστους επιδιορθώσεις και πιθανές καθυστερήσεις στην γραμμή παραγωγής ή, σε χειρότερες περιπτώσεις, η κατασκευή να κρίνεται ακατάλληλη προς χρήση. Ακόμη, οι παραμένουσες τάσεις μπορούν να επηρεάσουν την αντοχή σε κόπωση και σε λυγισμό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να κρίνονται εξαιρετικά σημαντικές η κατανόηση και ο έλεγχος της ανάπτυξης των παραμορφώσεων και των παραμενουσών τάσεων λόγω συγκολλήσεων. Οι προσομοιώσεις των συγκολλήσεων βοηθούν στην βελτιστοποίηση των διαφόρων παραμέτρων μιας κατασκευής, σε αρχικό στάδιο, με αποτέλεσμα την αποφυγή σφαλμάτων που μπορεί να προκύψουν αργότερα. Με την ανάπτυξη της αριθμητικής ανάλυσης, η Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method, FEM) έχει αξιοποιηθεί σε πληθώρα μελετών για την πρόβλεψη των παραμορφώσεων και των παραμενουσών τάσεων των συγκολλήσεων, με τις περισσότερες εξ’ αυτών να αναφέρονται κατά κύριο λόγο στις θερμοκρασιακές κατανομές και τις παραμένουσες τάσεις τόσο των χαλύβων όσο και άλλων υλικών. Ωστόσο, δεν υπάρχει κάποια μελέτη που να συγκρίνει τις παραμένουσες τάσεις και παραμορφώσεις ως αποτελέσματα προσομοιώσεων συγκόλλησης για διαφορετικές ποιότητες χαλύβων ώστε να γίνει κατανοητό πως επηρεάζουν οι ιδιότητες αυτών την συμπεριφορά τους, τόσο κατά τη διάρκεια όσο και μετά τη συγκόλληση. Καθώς κρίνεται αναγκαίο να καλυφθεί το συγκεκριμένο βιβλιογραφικό κενό, δημιουργώντας το κίνητρο για την έρευνα αυτής της επίδρασης, το αντικείμενο της παρούσας εργασίας αφορά στην επίδραση των θερμομηχανικών ιδιοτήτων διαφόρων ποιότητας κατασκευαστικών χαλύβων, στις, λόγω συγκόλλησης τόξου, παραμένουσες τάσεις και παραμορφώσεις, μέσω αριθμητικής και πειραματικής ανάλυσης.

Abstract

Distortions are one of the greatest issues that weldments face and, usually, their quality control happens through means of empirical knowledge that may lead to out of specification tolerances. This may lead to expensive repairs, possible production line downtimes or, in the worst-case scenario, a weldment that is unusable. Furthermore, residual stresses might affect the weldments fatigue and buckling strength. Due to the aforementioned, understanding and controlling the growth of distortions and residual stresses are of high importance. Welding simulations may aid the production of a weldment while it is on the early stages by optimizing all the involved parameters to avoid any possible complications that may occur. With the development of numerical analysis, Finite Element Methods (FEM) is being utilized in a plethora of different researches considering the prediction of residual stresses and distortions. While most of them mainly consider temperature profiles and residual stresses of steel and other materials, there is none that compares the simulation results of different steel grades in order to analyze how their properties affect residual stresses and distortions during and after welding. All the above contributed to the need for writing this very thesis, creating a motive to research these properties effects. The specific subject of the thesis lies in the research of the properties effects of different steel grades on residual stresses and distortions after arc welding, in both numerical and experimental analysis.