نحوه شبیه سازی جوش

[arsham_333]

مقدمه

اکنون قصد داریم نکاتی را در زمینه روش و نحوه شبیه سازی فرآیند جوشکاری در کامپیوتر مطرح سازیم . مطالب این بخش به صورت کاملا کلی بیان شده اند به گونه ای که امکان بکارگیری آنها در هر نرم افزار المان محدود وجود دارد .
نکته دیگر آنکه مطالب این بخش کلیاتی در مورد نحوه شبیه سازی جوش در کامپیوتر است اما بدیهی است که جهت مدلسازی جوش در یک نرم افزار المان محدود علاوه بر تسلط کامل بر آن نرم افزار ، نیار به تمرین و حل مثالهای متعدد در زمینه مزبور است . علاوه بر این با توجه به در دسترس نبودن هیچ کتاب و یا جزوه ای که به طور خاص مدلسازی جوش در کامپیوتر را آموزش داده باشد ، بهره گیری از یک استاد توانا که با این پروسه آشنایی کامل داشته باشد ضروری است و مطالب این بخش و مطالب مشابه در کتب و مقالات علمی تنها اشاراتی به کلیات مدلسازی جوش دارد .

روش مدلسازی


در مدلسازی فرایند جوشكاری تقابل بین دو حوزه از علوم مهندسی یعنی حرارت و مكانیك وجود دارد. در روش المان محدود دو روش مشخص و مجزا برای تحلیل چنین فرایندهایی وجود دارد: روش غیر مستقیم یا Uncouple و روش مستقیم یا Couple.
در روش غیر مستقیم، تحلیل در دو مرحله انجام می‌شود كه هر تحلیل مربوط به یك حوزه است.ارتباط این دو تحلیل به این صورت است كه نتایج تحلیل اول به عنوان بارگذاری برای تحلیل دوم محسوب می‌شود . به عنوان مثال برای تحلیل تنشهای حرارتی، دمای گره‌ها که در تحلیل حرارتی محاسبه شده اند ، به عنوان Body Load در تحلیل تنش كه بعد از آن انجام می‌شود مورد استفاده قرار می‌گیردند .
روش مستقیم معمولاً فقط شامل یك تحلیل است . در تحلیل المان محدود به روش مستقیم از المانهایی استفاده می‌شود كه تمام درجات آزادی مورد نیاز برای تحلیل را داشته باشد. در این روش ماتریسهای المانها و بردارهای نیرو شامل تمامی ترمهای مورد نیاز هستند. به عنوان مثال در تحلیل تنشهای حرارتی با این روش نیاز به دو تحلیل مجزای حرارتی و مكانیكی نیست بلكه همزمان هر دو تحلیل با هم انجام می‌شود.
برای فرایندهای یك طرفه كه در آنها حل حوزهA بر روی حل حوزه B تأثیر می‌گذارد ولی عكس آن صادق نیست،‌ تحلیل غیرمستقیم روش بهتری است. این روش انعطاف پذیری بیشتری نسبت به روش مستقیم دارد زیرا دو تحلیل می‌توانند به صورت مستقل از هم انجام شوند، در نتیجه انعطاف پذیری بیشتری در تحلیل هریك از این حوزه ها وجود خواهد داشت.
به دلیل این كه روش مستقیم تنها شامل یك تحلیل است، این نوع تحلیل برای فرایندهای دو طرفه ایده‌آل است. در فرایند تحلیل دو طرفه حل حوزه A برروی حل حوزه B تأثیر می‌گذارد و متقابلا B هم بر روی حل حوزه A اثر می‌گذارد. به عنوان مثال در تحلیل تغییر شكلهای پلاستیك حرارتی، حرارت باعث تغییر شكل و تغییر خواص مكانیكی می‌شود و همچنین تغییر شكل‌های پلاستیك گرما تولید می‌كند.
در مدلسازی فرایند جوشكاری، حرارت باعث تغییرات متالورژیكی می‌شود كه آن هم به نوبه خود بر روی حوزه‌های حرارتی و مكانیكی تأثیر می‌گذارد. همچنین حوزه‌های حرارتی و مكانیكی نیز خود بر روی هم تأثیر می‌گذارند؛ این اثرات را می‌توان به صورت زیر بیان كرد:
- خواص حرارتی و مكانیكی با تغییرات در ریز ساختار تغییر می‌كنند.
- تنشها و كرنشهای حرارتی از تغییرات حجمی ناشی از تغییرات فازی تأثیر می‌پذیرند.
- تغییرات پلاستیك گرما تولید می‌كنند.
- تنش برروی تغییرات فازی اثر می‌گذارد.
مدلسازی المان محدود فرایند جوشكاری به روش كوپلینگ غیر مستقیم (Uncouple ) دارای دو مرحله است؛ در مرحله اول كه تحلیل حرارتی مدل می‌باشد، با استفاده از مدلسازی حرارتی یك تحلیل گذرای حرارتی صورت می‌گیرد، نتایج این تحلیل در مرحله بعدی برای تحلیل مكانیكی مدل مورد استفاده قرار می‌گیرد.
روند كلی آنالیز به روش كوپل غیر مستقیم به دو قسمت مجزای تحلیل حرارتی و تحلیل مكانیكی تقسیم شده است.
در بخش تحلیل حرارتی مدل، ورودیهای اصلی معادلات حاكم به سیستم و شرایط مرزی هستند؛ با اعمال این معادلات، معادلات حاكم مدل المان محدود به دست می‌آید كه با حل این معادلات میدان دمایی مدل محاسبه می‌گردد. خروجی این آنالیز، دمای گره‌های مدل می‌باشد كه به عنوان یكی از ورودیهای مرحلة بعدی (آنالیز مكانیكی) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در بخش آنالیز مكانیكی نیز از معادلات پایه‌ای پلاستیسیته برای تشكیل معادلات ماتریسی المان محدود استفاده می‌گردد. پس از حل معادلات المان محدود حاصله، مقادیر تنش و جابجایی نودها محاسبه می‌گردد كه با اعمال معادلات شكل المانها (Shape Function ) مقادیر تنش و جابجایی برای نقاط مختلف مدل به دست می‌آید. در طول هر پاس جوشكاری تنشهای حرارتی از توزیع دمای به‌دست آمده از مدل حرارتی در هرمرحله بارگذاری حرارتی (Load Step) محاسبه می‌گردد. تنشهای پسماند در هر مرحله به نودها اضافه می‌گردد تا رفتار مدل قبل از مرحلة دمایی بعدی به‌روز شود.
در تحلیل مكانیكی،‌ تاریخچه دمایی كه از تحلیل حرارتی به‌دست آمده است، به معادلات تحلیل مكانیكی به عنوان بارگذاری حرارتی وارد می‌شود. تنش و كرنش حرارتی در هر مرحله زمانی (Time Incriment) محاسبه می‌گردد و حالت نهایی تنش پسماند با انباشته شدن تنشها و كرنشهای حرارتی ایجاد می‌شود به این صورت كه در طول هر پاس جوشكاری، تنشهای حرارتی با اعمال توزیع حرارت به‌دست آمده از تحلیل حرارتی محاسبه گشته و تنشهای حرارتی در هر مرحلة زمانی، به مقادیر آن در مراحل قبل اضافه می‌گردد تا رفتار مدل را قبل از مراحل بارگذاری بعدی به روز كند

 

[arsham_333]

خواص مواد​

مدلسازی خواص مواد همواره یکی از بخشهای سخت و بحرانی در شبیه سازی جوش به شمار می آید . چرا که اساسا در جوشکاری با توجه به اینکه با رنج دمایی بسیار گسترده ای روبرو هستیم (دمای بالای 1500 درجه حوضچه مذاب تا دمای نقاط بسیار دور از حوضچه که با دمای اتاق یکی هستند ) لذا ناچاریم خواص مواد را در دماهای مختلف به نرم افزار ارائه دهیم . اما مشکل این است که برای بسیاری از مواد جداول کاملی از خواص وابسته به دمای آنها بویژه در دماهای بالا (که مورد نظر جوشکاری است ) موجود نیست و در صورت نیاز به جداول دقیق هیچ چاره ای جز انجام آزمایش و کار تجربی جهت استخراج این جداول وجود ندارد . اما کار مرسومی که در این زمینه انجام می شود استفاده از جداولیست که پژوهشگران دیگر آنها را استخراج کرده و در مقالات مختلف به چاپ رسانیده اند .
اما از آنجایی که برای بسیاری از مواد اینکار انجام نشده و تعداد مقالات مزبور نیز محدود است ، لذا معمولا ناچار می شویم برای ماده مورد نظر خود با توجه به ترکیب شیمیایی آن ، شبیه ترین ماده ای که خواص آن در مقالات موجود است را انتخاب کنیم .
خواص مهمی از ماده که دانستن آنها برای شبیه سازی حرارتی فرآیند جوشکاری لازم است عبارتند از : گرمای ویژه(C) ، ضریب هدایت حرارتی ماده(K) ، چگالی(

 

[arsham_333]

به طور کلی بهتر است حتی الامکان از تعداد جوش کمتر با اندازه کوچکتر برای دست یابی به استحکام خاص استفاده شود ، چون علاوه بر صرفه جویی هزینه تولید ، میزان پیچیدگی و تغییر ابعاد هم کمتر می شود . غالبا مسئله پیچیدگی باکاهش ضخامت قطعه کار افزایش می یابد . تشدید حرارت و تمرکز آن و ازدیاد سرعت جوشکاری ، بالا بودن ضخامت کار ، یکسانی حرارت در دو طرف کار حول محور خنثی ، طرح مناسب لبه مورد اتصال ، ترتیب صحیح رسوب پاسها ، بکار بردن گیره ، بست و نگهدارنده برای مهار کردن انبساط و انقباضهای ناخواسته در قطعه و پیش بینی پیچیدگی و تغییر ابعاد در سوار کردن اجزا قبل از جوشکاری ، تدابیر مختلفی است برای جلوگیری یا کاهش وقوع تغییرشکلهای جوشی است که در ادامه به برخی از آنها اشاره خواهد شد .
اصولا دو روش کلی وجود دارد که می توان قطعه جوش داده شده را بدون پیچیدگی و با ابعاد صحیح تولید کرد :
الف) تدابیر قبل از جوشکاری : در طراحی و ساخت آنچنان تدابیری اتخاذ شود تا قطعه ساخته شده نهایی بدون پیچیدگی باشد . برای مثال استفاده از قید و بند (Jig & Fixture) از حرکت قطعه در حین و بعد از جوشکاری ممانعت به عمل می آورد اما همانطور که قبلا نیز گفته شد این روش به شدت تنشهای پسماند جوشی را بالا می برد و می تواند منجر به تسلیم شدن قطعه شود علاوه بر این روش مزبور نیاز به صرفه هزینه و زمان بسیار برای طراحی ، ساخت و نصب قید و بندها دارد . روش دیگر استفاده از ترتیب مناسب جوشکاری به نحوی است که توزیع حرارت متقارن شود و در نتیجه حداقل تغییرشکل ایجاد شود . از نظر علم مهندسی این روش بسیار مطلوبتر از روش قید و بند است اما انتخاب ترتیب مناسب به خصوص برای سازه هایی با شکل هندسی پیچیده ، بسیار سخت و بعضا غیر ممکن است و حتی برای هندسه های ساده نیز این روش نیاز به سعی و خطا و صرف هزینه های بسیار دارد .
ب) تدابیر بعد از جوشکاری : در این روش اندازه ابعاد را کمی بزرگتر انتخاب کرده و اجازه داده می شود تا قطعات آزادانه دچار تغییر ابعاد و پیچیدگی شوند و سپس بعد از خاتمه جوشکاری عملیاتی خاص نظیر ماشین کاری ، حرارت دادن موضعی و یا پرس کاری برای بر طرف کردن تاب برداشتن و تصحیح ابعاد انجام می گیرد . معایب این روش پرت مواد زیاد، هزینه بالا ، زمان زیاد تولید و غیرممکن بودن ماشین کاری یا پرسکاری برای سازه های بزرگ می باشد .
در صنعت هر دو تدبیر و یا ترکیبی از آنها متناسب با تعداد کار و شدت این مشکل بکار گرفته می شود اما همانطور که گفته شد هر دو روش معایب بسیاری دارند . بهترین راه حل شبیه سازی جوش در کامپیوتر و انجام سعی و خطا و بهینه کردن پارامترهای جوشکاری در کامپیوتر می باشد .