8/16/2019 Madar Kharab

1/6

 مقاالت

 مکانيمليکنفرانمجموعه

 مهندسي

 زمينه

 در

 روز

 هاي

 فناوري

 با

 آشنايي

 

۴

–ايران ۳۸۹اسفندما

 شيرا شيرا

 واحد

 اسالمي

 آزاد

 دانشگاه

 

های پسماند حاصل از جوش در دو اتصالبررسی پارامتریک عوامل مؤثر بر عمر خستگی در حضور تنش

Lددع لیلحت زا هدافتسا اب بل هب بل و لکش 

افسانه رضوی1

فاطمه حافظ 12

 غالمحسین فرهی3

 

1 تهران

 واحد

 اسالمی

 آزاد

 دانشگاه

 تکمیلی

 تحصیالت

 واحد

 مکانیک

 مهندسی

 ارشد

 Afsanehrazavi@yahoo.comجنوبکارشناس

2 شریف

 صنعتی

 جهاددانشگاهی

 باال

 خأل

 فناوری

 مرکز

 Hafezi_22@yahoo.comکارشناس

 دانشگاه صنعتی شریف 3  دانشکده مهندسی مکانیک  Farrahi@sharif.eduاستاد

چکیده

 

هدر شبیه مـه ریثأـت هـک یلدـم هـئارا یراکشوج دنیآرف یزاس

 بسـیارشرایط جوشکاری ر ا بر عمر خستگی سـازه بیـان کنـد

هـایچرا که عوامل مختلفی از جمله وجود تن.مشکل است

 عیوب جوشکاری و  بر روی عمر سازه تـأثیر...پسماند جوشی

 دو پـارامتر مقـدار نیـروی نوسـانی.گذارنمی در این تحقیـق

خارجی و جنس اتصال به عنوان عوامل مـؤثر انتخـاب و تـأثیر 

کلLلـب وبـهروی عمر خستگی دو نوع اتصال لآنها بر شـ

عمر ارائـه و-بررسی و نتایج حاصله به صورت نمودارهای تنش

گرفته

 قرار

 بحث

 انمورد

.تن

 میدان

 خستگی

 آنالیز

 هایبرای

پسماند فرآیند جوشکاری قوسـی بـا گـاز محـافظ 1ک  مـک هـب

بیضـوی بـرتعیین و سپس یـک تـرک نـیمANSYSافزارنرم

ر خسـتگی هـر دو.سازی شده اسی گرده جوش مدرو مـع

هـای معـادل ایجـاد شـده درنوع اتصال بر اساس مقدار تـنش 

هایهای بحرانی روی گرده جوش و به کمک منحنمحل گره

 .عمر فلزات پایه محاسبه گردی-تنش

کلید

 کلمات

 المـانتنش پسـماند جوشـییعمر خست:

نیمحدود

 مؤثپارامتبیضوترک

 های

 

مقدمه

 

انجام فرآیند جوشکاری ذوبی جهت اتصال قطعات بـه یکـدیگر

هایی خواهد بود که در اکثـردارای یک سری عیوب و ناخالصی

هـایتـنش.های جوشکاری ذوبی غیر قابل اجتناب اسروش

ی حاصـل از جوشـکاری و تـنش  شـشک دنامسپی شـشک یاـه

ی نوسانی قـرارنوسانی اعمالی در اتصاالتی که در معرض بارها

 باعث رشد سـریع تـرک  هـای ایجـاد شـده در طـیمی گیرند

تگی جدیـدزنـی تـرکجوشکاری و یا باعـث جوانـه  سـخ یاـه

 1 -Gas Metal Arc Welding (GMAW)

از آنجا که شکست ناشی از خستگی بسیار ناگهانی.خواهد شد

ر خسـتگی سـازهاتفاق می مـع رـب رثؤم لماوع یسررب دتفااـه

هـایوروزافـزونتوسـعبـا.بسـیار حـائز اهمیـت اسـت

  امروزه در سراسر جهان اسـتفادهمحاسباتی به کمک کامپیوتر

از روش المان محدود برای بررسی عوامل مؤثر بر عمر خستگی 

.استبدیل شدامحقبرانیرومندابزاسازه جوشی به 

 بر اسـاس تحلیـلبرای تخمین عمر سازه های جوشکاری شده

.ت مختلف استفاده نموتوان از چندین رهیااجزاء محدود می

 رایـج  تـرین رهیافـتبرای اتصاالت جوشـی بـا هندسـه سـاده

منحنی

 تنبکارگیری

 های

-اس

 اسمی

 تنش

 حسب

 بر

 عمر

.

 دو پـارامتر مقـدار نیـروی نوسـانی خـارجی و  در این تحقیـق

انتخاب و تأثیر آنها بر رویجنس اتصال به عنوان عوامل مؤثر

شـکلLشـی لـب بـه لـب وعمر خستگی دو نوع اتصـال جو 

عمر ارائه و-بررسی و نتایج حاصله به صورت نمودارهای تنش

در آنـالیز خسـتگی پـس از تعیـین.انـدمورد بحث قرار گرفته

بیضوی بـر روییک ترک نیهای پسماند جوشیمیدان تنش

 مدل سازیگرده جوش که بحرانی ترین قسمت اتصاالت است

دو

 هر

 خستگی

 عمر

 سپس

 و

 مقـدارشده

 اسـاس

 بر

 اتصال

 نوع

ل گـرهتنش حـم رد هدش داجیا لداعم یاهیور یـنارحب یاـه

عمـر فلـزات پایـه-هـای تـنشگرده جوش و به کمک منحنی

 .محاسبه گردیده است

 بر عمر خستگیجوشیهای پسماندتأثیر تنش

های پسماند جوشـکاری از نـوعدر اتصاالت جوشی اغلب تنش

از نقطه.باشلیم فلز پایه ممخرب کششی و در حد تنش تس

 تنش های پسماند کششی عمر خسـتگینظر مکانیک شکست

 مـی

 خسـتگی کاهش

 تـرک

 رشـد

 نرخ

 افزایش

 با

 را

 دهـدسازه

.

های کششی ترک را باز نگه داشته و مانع از بسـته شـدنتنش

8/16/2019 Madar Kharab

2/6

مکانيملکنفرانس

 مهندسي

 زمينه

 در

 روز

 هاي

 فناوري

 با

  آشنايي

های فشـاری بـا افـزایش بسـتهکه تندر حال.گردآن می

 نرخ رشد ترک خستگ بـر].]2دهنی را کاهش مشدن ترک

 مهـم  تـرین عامـل شکسـت قطعـاتاساس مدارک ارائه شـده

 پدیده خستگی در سازه می با توجـه بـه.باشجوشکاری شده

 مـی

 رخ

 ناگهـانی

 بسیار

 خستگی

 فرآیند

 که

 شـناختاین

 دهـد

.ها بسیار مهم و ضروری اسعوامل مؤثر بر عمر خستگی سازه

نی در زمینه تخمین عمر خستگیبه این منظور تحقیقات فراوا

هـای اخیـردر سـال.های جوشـی در حـال انجـام اسـتسازه

 تحلیلی و المان محدود فراوانی در حال انجـام  تحقیقات عملی

ی.نمایناست که هر کدام نتایج بسیار با ارزشی را ارائه می لـو

ی حرارتـیاز آنجا که جوشکاری یـک فرآینـد بسـیار پیچیـده 

ه شـرایطمکانیکی و متا مـه ریثأت هک یلدم هئارا تسا یکیژرول

جوشکاری را بر عمر خستگی سازه بیـان کنـد بسـیار مشـکل 

است

.تن

 وجود

 جمله

 از

 مختلفی

 عوامل

 که

 پسـماندچرا

 های

 هندسـه عضـو و   تنش میانگین  عیوب جوشکاری . . .جوشی

 ].]1 4باشنگذار مبر روی عمر خستگی سازه تأثیر

مادوکس

1های پسـماند را درتأثیر حضور تن1970الدر 

عمـر مـورد-قطعات جوشکاری شـده بـر روی منحنـی تـنش 

نتایج نشان دهنده آن بـود کـه شـیب نمـودار.بررسی قرار داد

های پسماند و مقـدارعمر بستگی زیادی به حضور تن-تنش

 .نسبت تنش دارد

هاشکل

12تن

 تأثیر

 و

 مادوکس

 تحقیق

 پسمنتایج

 ندهای

 ].]2دهعمر نشان م-کششی را بر منحنی تنش

]]2عم-تأثیر تنش پسماند کششی بر منحنی تن-1شکل

 

1 - Maddox

شکل

2-تن

 منحنی

 بر

 فشاری

 پسماند

 تنش

 تأثیر

-عم

]2[ 

عمروش

 تخمین

 های

 

 بر اساس تحلیل اجـزاءتخمین عمر سازه های جوشکاری شده

می

 چندینمحدود

 طریق

 از

 دقـتتواند

 مقادیر

 با

 مختلف

 روش

 متفاوت انجام شود تبسن.زاس یاربو یگنوـگچ  های پیچیـده

 نـوع المـاناندازه مـش   شـرایط مـرزی و تاریخچـهبنـدی هـا

چهـار روش].]2گـذاردبارگذاری به شدت بر نتایج تـأثیر مـی 

اصلی و متـداول در تخمـین عمـر خسـتگی اتصـاالت جوشـی 

 :عبارتند از 

ر برای اتصاالت جوشی ویژه بـر حسـبع-منحنی تن.1

 تنش اسمی

عمر برای اتصاالت جوشی بر حسب تـنش-منحنی تن.2

متمرکز در یک ناحیه بحرانی2

 

 های موضعی ناچعمر نسبت به تن-منحنی تن.3

 محاسـبه نـرخ.4 رهیافت مکانیک شکست االستیک خطـی

 رشد ترک نسبت به ضریب شدت تنش

ای

 در

 خستگی

 انجام نالیز

 تحقیمراحل

 ن

 

 توجه به اینکه حضور میدان های تنش پسماند جوشی یکیبا

   است  اتصال  خستگی  عمر  تخمین  در  عوامل  مؤثرترین از

تنش

 میدان

 ابتدا

 در

 تا

 است

 الزم

 حاصلبنابراین

 پسماند

 های

شکل تعیین شده سپسLلب وباز جوش در دو اتصال لب

ه منظور بررسی.آنالیز خستگی بر روی دو قطعه انجام پذیرد

 پارامتر   دو  اتصاالت  خستگی  عمر  بر  مؤثر  عوامل پارامتریک

 جنس اتصال به عنوان عوامل   نیروی اعمالی خارجی و مقدار

 نوع   دو  هر  خستگی  عمر  روی  بر  آنها  تأثیر  و  انتخاب مؤثر

 است  شده  ارائه  حاصله  نتایج  و  بررسی هایجن.اتصال

با تنشSAE1020دانتخاب شده برای بررسی به ترتیب فوال

 تسلیم

109فوالد

 مگاپاسکال

ASTM A36

تسلیم

 تنش

  با

2 -Hot-Spot stress

8/16/2019 Madar Kharab

3/6

مکانيملکنفرانس

 مهندسي

 زمينه

 در

 روز

 هاي

 فناوري

 با

  آشنايي

 فوالد377  و  تسلیمST37مگاپاسکال  تنش 237با

 می  شبی.باشمگاپاسکال  شدهاتصاالت  فوالدهابسازی این

 تحت بارگذاری قرار گرفتهدر شرایط یکسان بعد از جوشکاری

 در این بخشو نمودارهای مربوط به عمرهای خستگی ح اصل

است

 شده

 آورده

.تن

 منحنی

-از

 شده

 استخراج

 عمر

 3هایدر شکبه ترتیباستانداردها برای این سه نوع فوالد 

 .ارائه شده اس5و4

شکل

3-تنش

 نمودار

 – نا

 ورق

 برای

 ناعمر

 بدون

 و

 دار

]SAE1020]5از فوالد 

 

] ASTM A36 ]6عمر فوال–نمودار تنش-4شکل

 

]ST37 )S235 JR] (7عمر فوال – نمودار تنش-5شکل

 

های تنش پسمانتعیین میدان

 کمک قابلیت ماکرونویسی نرم  یک رویهANSYSافزاربا  از

سازیپالستیک برای شبی-محاسباتی المان محدود االستیک

 تنش  و  دمایی  میدان  آوردن  بدست  ازو  ناشی  پسماند های

جوش

 اسفرآیند

 شده

 استفاده

 اتصال

 دو

 هر

 در

 کاری

.رفتار

ترمومکانیکی بر اساس روش کوپلینگ متوالی محاسبه شده 

در مرحله تحلیل مکانیکی بر اساس تاریخچه دمایی ایجاد شده 

 انجام   مکانیکی  آنالیز  حرارتی  بارگذاری  اثر  در  گره  هر در

 دم].]8شومی  به  وابسته  ترموفیزیکی  تماخواص یبرای

در تحلیل حرارتی و مکانیکی مورد استفاده قرار گرفتفوالدها 

در هر دو اتصال جنس فلز پایه و فلز جوش یکسان].]9است

 است  شده  نظر گرفته  ورق به ابعادباتصال ل.در  دو لب از

شکل بهVسازی شده و یک پخمتر شبیمیل6×100×300

 است  شده  لحاظ  جوش  گرده  ایجاد اتصال.)6شکل(منظور

Lمتر تشکیلمیل100×100×5از دو ورق به ابعادنیشک

   اضالع  با  الساقینی  متساوی  مثلث  و  بهمیل5شده متری

 شده   گرفته  نظر  در  جوش  ماده  دهنده  تشکیل  حجم عنوان

 .)7شکل(است

 ابعاد و هندسه اتصال لب به ل-6شکل

 شکLابعاد و هندسه اتصال-7شکل

8/16/2019 Madar Kharab

4/6

مکانيملکنفرانس

 مهندسي

 زمينه

 در

 روز

 هاي

 فناوري

 با

  آشنايي

 از آنالیزهاتوزیع تنش پسماند طولی و عرضی حاصل شده

8در شک) Zراستا(مکانیکی در راستای موازی خط جوش 

برای اتصال9در شکلST37لب از جنسببرای اتصال لب

Lسنج   از  اسSAE1020شکل  شده همچنین.آوزده

تنش

 این

 توزیع

 به

 مربوط

 خطهنمودار

 بر

 عمود

 راستای

 در

لب وبلبرای اتصابه ترتیب11و10هاجوش در شکل

 ترسیمLاتصال   اسششکل  نمودارهای.ه  در  که همانطور

 شبیه  از  حاصل  پسماند  مشاهدهتنش  جوشی  اتصاالت سازی

 بحرانمی  حداکثرگردد  برگیرنده  در  که  قسمت ترین

 گرده جوش متنش  .باشهای پسماند نیز است

وزیع تنش پسماند طولی و عرضی در راستای خط جو-8شکل

 ل لب به لدر اتصا

توزیع تنش پسماند طولی و عرضی در راستای خط جو-9شکل

 شکLلدر اتصا

 خط جوعمود بتوزیع تنش پسماند طولی و عرضی در راستای-10شکل

 لب به للدر اتصا

 عرضی در راستای عمود بر خط جوتوزیع تنش پسماند طولی -11شکل

 شکLاتصالدر

نالیز خستگی

 اتصاالت  از  هریک  خستگی  آنالیز  انجام  برای  تحقیق  این در

 دو نمونه شبیه بر.سازی مورد بررسی قرار گرفته اسجوشی

سازی شده وشبیGMAWروی نمونه اول فرآیند جوشکاری 

.صل از جوش اسهای پسماند حاین نمونه دربرگیرنده تنش

 ترک

 یک

 جوشکاری

 فرآیند

 اعمال

 از

 بعد

 دوم

 نمونه

 روی

 بر

 مدنیم  جوش  گرده  روی  بر  اسبیضوی  شده سازی

نسبت منظر ترک برای اتصال لب به لب).13و12هاشک(

33.09

3==

c

a67.0شکLو برای اتصال 

5.7

5.2==

c

a 

 نcوaکه(باشدمی  ترتیب  بزرگبه  و  کوچک  اقطار ف

 میلنیم  حسب  بر  ترک  مبیضوی  نمونه).باشنمتر  دو هر

 داده   قرار  شونده  معکوس  کامال  و  یکسان  بارگذاری تحت

 بحران.انشده  اینکه  به  توجه  برایبا  بارگذاری  نوع ترین

 بنابراین بر روی اینLاتصال   بارگذاری خمشی است شکل

8/16/2019 Madar Kharab

5/6

مکانيملکنفرانس

 مهندسي

 زمينه

 در

 روز

 هاي

 فناوري

 با

  آشنايي

 کامال  خمشی  بارگذاری  شوندهاتصال با))R= -1معکوس

لب نیزبدر مورد اتصال ل.دامنه تنش ثابت اعمال گردید

با دامنه تنش))R= -1بارگذاری کششی کامال معکوس شونده 

 مقادیر متفاوت برتن.ثابت اعمال شده است های اعمالی با

نمونه

 بارگذاریروی

 مرتبه

 هر

 در

 ترتیب

 این

 به

 شده

 اعمال

 ها

 عمر خستگی برای هر دو نمونه شبییمقابا  سازیمتفاوت

 صورت   به  نتایج تیاهن    و  آمده  بدست  اتصاالت  از شده

 تنش  قرار-نمودارهای  بررسی  و  بحث  مورد  و  ارائه عمر

هدف از اعمال بارگذاری خستگی بر روی دو نمونه با.انگرفته

 تنش  تأثیر  بررسی  مختلف  پسمانشرایط  وهای جوشی

 خستگیزیان  عمر  روی  بر  ترک  یعنی  جوشی  عیب ورترین

 .باشاتصاالت جوشی می

دابه لب تربندی شده متقارن اتصال لمدل الما-12شکل

 

داشکل ترLدی شده اتصابمدل الما-13شکل

 نمونه  هندسه  اینکه  به  توجه  رهیافتبا  از  نیست  پیچیده ها

در.عمر خستگی استفاده شعمر برای بدست آورد-تنش

 گره  خستگی  درآنالیز  اتصال  نوع  دو  هر  برای  بحرانی های

دارهای ترنمونه بدون ترک بر روی گرده جوش و در نمونه

مقدار.انانتخاب شد)و در موقعیت مشاب(های ترکدر لبه

گره

 روی

 بر

 شده

 ایجاد

 معادل

 اعمالتنش

 از

 بعد

 منتخب

 های

 از  اسمی  کمکتنش  با  سپس  و  شده  فراخوانی  مدل  دو هر

 خستگی نمونه محاسبه-های تنمنحنی  عمر  موجود عمر

شودمشاهده م15و14هاشکدرکهمانطو.شده است

 نمونه  که  حالتی  ترکدر  بدون  و  پسماند  تنش  دارای ها

 اتصال

 در

 هستند

Lتن

 در

 باالیشکل

 کاری

 های

250

های کاریدر تنوST37فوالدمگاپاسکال نمونه از جنس 

   جنس  از  نمونه  مقدار  این  راSAE1020زیر  عمر بیشترین

 داراست  دیگر  نمونه  دو  به  ل.نسبت  اتصال  دربدر  نیز لب

 باالیتنش  کاری  فوالد160های  جنس  از  نمونه مگاپاسکال

ASTMA36ونت   ازدر  نمونه  مقدار  این  زیر  کاری های

داردر اتصاالت تر.رین عمر هستندارای بیشST37جنس 

آورده شده17و16هانیز همانطور که در نمودارهای شکل

 بیشترین تأثیر ترک بر روی اتصال فوالدی  SAE1020است

می

 شودیده

. 

عمر در حضور تنش پسماند در مقیاس-های تنمقایسه منحن-14شکل

 لگاریتمی اتصال لب به لب

عمر در حضور تنش پسماند در مقیاس-های تنمقایسه منحن-15شکل

 شکLلگاریتمی اتصال 

8/16/2019 Madar Kharab

6/6

مکانيملکنفرانس

 مهندسي

 زمينه

 در

 روز

 هاي

 فناوري

 با

  آشنايي

داهای ترعمر نمون-های تنمقایسه منحن-16شکل

لب

 به

 لب

 اتصال

 لگاریتمی

 مقیاس

 در

 پسماند

 تنش

 حضور

 در

 

داهای ترعمر نمون-های تنمقایسه منحن-17شکل

 شکLپسماند در مقیاس لگاریتمی اتصالدر حضور تنش

گیرنتیجه

 

 :نتایج تحلیل خستگی اتصاالت جوشی حاکی از آن است که

های پسماند کششی بر عمر خستگی اتصاالتمیدان تن.1

.شوجوشی تأثیرگذار بوده و باعث کاهش عمر قطعه می

هـایحضور عیوب جوشی نظیـر تـرک در میـدان تـنش.2

.دهعمر خستگی سازه را کاهش مپسماند جوشی به شدت 

تگیدر.3 ـ سـخ ر ـ مـع ر ـ بـ ؤثر  ـ مـ ل ـ مـاوع ک ـ یـرتماراپ یـسررب

که اتصاالت جوشی از فوالدهـای مختلـف رفتـارمشخص شد

های کاری یکسان نشان داده ومتفاوتی را در برابر اعمال تنش

.دهنعمرهای خستگی متفاوتی را نتیجه می

گی توزیـعجنس ماده مورد اسـتفاده بـر بزرگـی و چگـو.4

های پسماند جوشی نقش مهمی داشته و در نهایت تأثیرتنش

 .مستقیمی بر عمر خستگی اتصال دارد

مراجع

 ترجم-1  نرمن  غفوریدالینگ  حمیدرضا  جاهدمطلق ی

   کاظمی بهنام  رضا  موا"آهنگر  مکانیکی  ویرایش"رفتار

 انتشارات دانشگاه علم و صنعت  تهران ).)1385دوم

2- 

Z. Barsoum, 2008, “Residual stressanalysis and fatigue assessment of welded

steel structures”, Department of aeronautical

and vehicle engineering, school of

engineering sciences, KTH, Stockholm,

Sweden.

3- H. Chien-Yuan, 2008, “Fatigue Analysis of

Welded Joints with The Aid of Real Three-

Dimensional Weld Toe Geometry”,

International Journal of Fatigue, Vol. 29,

 pp.772-785.

4- C.H. Lee, K. H. Chang, 2008, “Three-

dimensional finite element simulation of

residual stresses in circumferential welds of

steel pipe including pipe diameter effects”,

Materials Science and Engineering, Vol.

A487, pp. 210-218.

5- R. Stephens, A. Fatemi, H. Fuchs, 2000,

“Metal fatigue in engineering”, Second

Edition, A Wiley-Inter Science Publication.

6- 

Y. A. Husk, D. Prascher, 2005, “Tower

design load verification on a 1-KW wind

turbine”, 43rd AIAA Aerospace Science

Conference.

7- P. Dinko, 2008, “Comparative assessment

of mechanical properties of thermal sprayed

coatings”, International Conference of

Advanced Manufacturing Operations.

8- 

D. Deng, H. Murakawa, and W. Liang,

2008, “Numerical and experimentalinvestigations on welding residual stress in

multi-pass butt-welded austenitic stainless

steel pipe”, Computational Materials Science,

Vol. 42, pp. 234-244.

9- D. Deng, H. Murakawa, 2006, “Numerical

simulation of temperature field and residual

stress in multi-pass welds in stainless steel

 pipe and comparison with experimental

measurements”, Computational Materials

Science, Vol. 37, pp. 269-277.