Javítóhegesztés szimulációja, kialakuló feszültségállapot (maradó feszültségek) meghatározására Készítette: Bézi Zoltán Előadó: Jónás Szabolcs
Feladat ismertetése Alapanyag: Esshete 1250 ausztenites acél Hegesztő hozaganyag: Esshete 1250 MMA Elkészítés lépései: Cső durva esztergálás, hőkezelés, majd finom esztergálás Spirálhegesztés Javítóhegesztés helyének kimunkálása Javítóhegesztés Cél: A megmunkálás és a termikus hatások miatt kialakuló feszültségállapot meghatározása
Spirálhegesztés lépései Javítóhegesztés lépései
Spirálhegesztés hegesztési paraméterek Run process Wire /elec dia Layer Voltage Current Electrical Power Torch speed Heat input Interpass temperat ure (mm) (V) (A) (W) (mm/s) (kj/mm) ( C) 1 TIG 2.4 root 9.5 75 713 0.51 1.40 NR 2 TIG 2.4 1 9.5 77.5 736 0.85 0.87 NR 3 MMA 3.2 2 23.4 136 3182 1.82 1.75 19 4 MMA 3.2 2 22.9 136 3114 1.56 2.00 31 5 MMA 4 3 23.1 172 3973 2.45 1.63 45 6 MMA 4 3 23.9 168 4015 1.78 2.25 107 7 MMA 4 4 23.2 170 3944 1.86 2.13 73 8 MMA 4 4 22.8 172 3922 1.74 2.25 92 9 MMA 4 5 23.6 170 4012 1.60 2.50 91 10 MMA 4 5 23.2 171 3967 1.67 2.38 98 11 MMA 4 6 23.4 171 4001 1.88 2.13 18 12 MMA 4 6 23.2 172 3990 1.88 2.13 63 13 MMA 4 7 22 172 3784 1.68 2.25 66 14 MMA 4 7 24.2 167 4041 1.90 2.13 69 15 MMA 5 8 24 215 5160 2.58 2.00 75 16 MMA 5 8 23.1 218 5036 2.12 2.38 119 17 MMA 5 9 23.6 217 5121 2.05 2.50 117 18 MMA 5 9 22.9 220 5038 2.12 2.38 103 19 MMA 5 10 22.7 218 4949 2.47 2.00 114 20 MMA 5 10 23.8 216 5141 2.16 2.38 109 21 22 23 MMA (cap) MMA (cap) MMA (cap) 4 11 23.1 171 3950 1.66 2.38 117 4 11 23.8 168 3998 1.78 2.25 141 4 12 23.6 170 4012 1.89 2.13 147
RUN Javítóhegesztési paraméterek WELD TYPE WIRE /ELEC DIA LAYER VOLTS AMPS POWER RUN OUT LENGTH INTER- PASS TEMP TWI HI WELD SPEED HEAT INPUT (mm) (V) (A) (W) (mm) (deg C) (kj/mm) (mm/s) (kj/mm) 1 MMA 3.2 1 25.2 133 3352 40 14.1 1.32 2.03 1.65 2 MMA 4 2 24.2 153 3703 70 38.3 1.6 1.85 2.00 3 MMA 4 3 25 150 3750 80 44.1 1.07 2.80 1.34 4 MMA 4 3 24.2 153 3703 80 49.2 0.92 3.22 1.15 5 MMA 4 4 24.9 150 3735 90 50.7 0.98 3.05 1.23 6 MMA 4 4 25.1 151 3790 90 83.8 1.12 2.71 1.40 7 MMA 4 5 24.1 152 3663 90 83.6 1.19 2.46 1.49 8 MMA 4 5 25.4 150 3810 90 90.4 1.13 2.70 1.41 9 MMA 4 6 24.3 150 3645 90 35.7 0.89 3.28 1.11 10 MMA 4 6 24.1 150 3615 90 45.3 1.27 2.28 1.59 11 MMA 4 7 25 147 3675 100 61 1.03 2.85 1.29 12 MMA 5 7 23.5 169 3972 100 63.2 1.07 2.97 1.34 13 MMA 5 8 23.3 169 3938 100 79.5 0.94 3.35 1.18 14 MMA 5 8 23.3 166 3868 100 68.5 1.2 2.58 1.50 15 MMA 5 9 24.1 166 4001 80 85.2 0.84 3.81 1.05 16 MMA (cap) 4 10 23.4 148 3463 120 81.1 0.96 2.89 1.20 17 MMA (cap) 4 10 23.3 152 3542 120 85.4 0.98 2.89 1.23 18 MMA (cap) 4 10 22.9 154 3527 120 113.8 0.86 3.28 1.08
kj kg C mm o mm C W o m o C Szerkezeti és hőtani anyagparaméterek Temp. Specific Heat a Conductivity Thermal Expansion b 10-6 Parent Young's Modulus Weld Young's Modulus d Poisson's Ratio O C kj/kg O C W/m O C mm/mm O C GPa GPa - 20 0.490 12.69 15.44 204.5 157.8 0.294 100 0.508 13.93 16.01 196.7 151.5 0.294 200 0.532 15.48 16.67 188.1 144.4 0.294 300 0.555 17.03 17.29 180.2 137.8 0.294 400 0.580 18.58 17.87 172.5 131.4 0.294 500 0.603 20.13 18.41 164.6 124.8 0.294 600 0.627 21.68 18.91 156.0 117.7 0.294 700 0.650 23.23 19.37 146.1 109.8 0.294 800 0.650 24.78 19.78 134.6 100.6 0.294 900 0.650 26.33 20.16 120.8 89.9 0.294 1000 0.650 27.88 20.49 104.4 77.4 0.294 1100 0.650 29.43 20.78 84.8 62.6 0.294 1200 0.650 30.98 21.03 61.5 45.3 0.294 1300 0.650 32.53 21.24 34.1 25.0 0.294 1400 0.650 34.08 21.41 2.0 1.6 0.294
Alapanyag Lemaitre-Chaboche anyagparaméterek Esshete 1250-re Parameter Lemaitre-Chaboche Parameters 20 C 200 C 400 C 600 C 700 C 850 C 1000 C 1100 C 1200 C 1400 C C (MPa) 18258.0 17896.0 15836.0 12726.0 8712.0 2000.0 0.0 0.0 0.0 0.0 g 92.0 92.0 92.0 92.0 92.0 92.0 92.0 92.0 92.0 92.0 Q (MPa) 75.39 84.58 120.15 140.41 55.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 b 21.99 18.01 12.56 16.7 26.44 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 0% Proof Stress (MPa) 230.0 151.3 137.9 141.4 148.1 135.1 47.2 36.1 24.9 2.7 Hozaganyag Parameter Lemaitre-Chaboche Parameters 20 C 200 C 400 C 600 C 700 C 850 C 1000 C 1100 C 1200 C 1400 C C (MPa) 22324.0 21106.0 25769.0 18377.0 14433.0 4000.0 0.0 0.0 0.0 0.0 g 176.0 176.0 176.0 176.0 176.0 176.0 176.0 176.0 176.0 176.0 Q (MPa) 137.0 132.0 93.0 119.4 104.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 B 26.3 22.9 15.9 10.5 13.7 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0% Proof Stress (MPa) 287.0 217.0 190.0 189.0 189.0 159.0 115.0 32.5 22.8 3.2
Spirálhegesztés
Peremfeltételek - megfogás
Peremfeltételek volume weld flux (18.réteg) 5038 0,8 Goldak-féle hőforrás modell 0,0145 0,0027 0,002 0,013 0,00212
Peremfeltételek face film 20 25 6000 0,25
Modell adatok MSC.Marc 2011.1.0 Elemek száma: 30816 Csomópontok száma: 46441 46 Loadcase 23 hegesztő 23 hűtő, protokoll szerint Tárolt eredmények: Stress tensor Total strain tensor Plastic strain tensor Equivalent Von Mises stress Temperature Futási idő: 31,4 óra (2300 időlépés)
Eredmények szobahőméréskleten Tengelyirányú feszültségeloszlás a varrat környezetében Egyenértékű feszültség eloszlás
Javítóhegesztés
A végeselemes háló konvertálása Új háló generálása Patran-nal A javítóhegesztés helyének testé konvertálása Javítóhegesztés geometriájának előkészítése
Tények: Eredmények átvitele HEX8-ról TET4-re Az eredmények minden esetben átvihetőek diszkrét HEX8 hálóra TET4 elemekre csak véletlen háló generáltatható az eredmény átvitelével HEX8 TET4 HEX8 HEX8 Ötlet: HEX8 TET4 Hazudjuk azt a TET hálóra, hogy HEX (egy csomópont duplikált) Vigyük át így az eredményeket így (elemközéppontra kiíratva, hisz az azonos alakú HEX és TET elem esetén egybeesik) Cseréljük ki az eredményfájlban az elemtípushoz rendelt eredményeket
Használt szoftver : sfformingsfm 9.0 Lépések: 1.A deformált háló geometriává konvertálása 2.A geometria újrahálózása TET4 elemekkel 3.A TET4 elemek látszólagos HEX8-á konvertálás ( egyszerűen change class) 4.Az új háló fájlba íratása (solid meshing menü) 5. Az eredmények beolvasása az eredeti HEX hálóra 6. Trimming loadcase létrehozása az újrahálózáshoz (nincs számítás csak átvitel) 7. t.19 eredményfájl, elemközépponti eredményekkel 8. Üres t.19 létrehozása TET elemekkel 9. A t.19 fájl látszólagos HEX középponti eredményének másolása az üres TET t.19-be 10. Visszaolvasás a TET hálóra
Eredmények átvitele Az eredmények átvitele manuálisan, szövegszerkesztőben elvégezhető.
Az ideális elemszám meghatározása Minden konvertálás eredményvesztéssel jár. Minimalizálni kell! A konvertálandó hálón egy elemen belül ne legyenek nagy feszültségugrások Törekedni kell arra, hogy az új csomópontok minél közelebb legyenek a régiekhez. Felületen ez könnyen biztosítható. (outline edge) Autofrettage mintapélda: 1000 db HEX8 elem 1331 db csomópont
Az ideális elemszám meghatározása 8532 db TET4 elem 11923 db TET4 elem 24000 db TET4 elem
Egyenértékű feszültség [Mpa] Az ideális elemszám meghatározása A mintapélda alapján egy 24 szeres sűrítés már kellően jó eredményt ad 700 600 HEX 8 (1000 db) TET 4 (8532 db) 500 400 TET 4 (24000 db) TET 4 (145000db) 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 Falvastagság [mm]
A javítóhegesztés helyének kimunkálása 1876 db HEX 8 elem 2400 db csomópont 39403 db TET 4 elem 7927 db csomópont
A javítóhegesztés helyének kimunkálása A spirálhegesztés eredményének átadása az új vegyes hálóra A kimunkálás helyén található elemek deaktiválása
A javítóhegesztés helyének kimunkálása 100 x def.
Javítóhegesztés modell Háló Patranban, összeillesztve a HEX hálóval Újrahálózott szegmensből új kontakt test Glue kontakt került beállításra Megfogás kísérletnek megfelelően Hegesztési utak beállítása
MSC.Marc 2011.1.0 Modell adatok Elemek száma: 68055 28652 HEX8 39403 TET4 Csomópontok száma: 41530 36 Loadcase 18 hegesztő 18 hűtő, protokoll szerint Tárolt eredmények Stress tensor Total strain tensor Plastic strain tensor Equivalent Von Mises stress Temperature Futási idő: 30,26 óra (1704 időlépés)
Javítóhegesztés modell eredmények Egyenértékű maradó feszültség szobahőmérsékleten
Residual Stress [MPa] 500 Mért és szimulált tengelyirányú feszültség 400 300 BZF FEM 200 100 0 Linear (BZF FEM) -100 55 60 65 70 75 80 85 90 Radius [mm]
Hőmérséklet[ C] Hőmérsékletek a különböző hegesztési lépésekben 70 1. sor 60 50 40 30 20 channel 5 FEM 10 0 0 50 100 150 Idő[s]
Hőmérséklet[ C] Hőmérséklet [ C] Hőmérsékletek a különböző hegesztési lépésekben 250 200 150 100 50 0 7. sor channel 5 FEM 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 200 Time [s] 18. sor 0 50 100 150 200 250 Idő[s]
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! www.bayzoltan.hu