- 2006-10-05
- 474
- 211
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
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