Tổng quan nghiên cứu

Ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc là hai yếu tố chủ yếu gây phá hoại mỏi cho kết cấu thép chịu tải trọng động. Theo ước tính, phá hoại mỏi chiếm tỷ lệ lớn trong các sự cố kết cấu thép, đặc biệt tại vị trí chân đường hàn, nơi ứng suất tập trung và ứng suất dư thường đạt giá trị cao. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt kết cấu thép, đặc biệt là phương pháp phun bi và mài, đến ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu thép A572-Grade 42 với kích thước chuẩn, mô phỏng vị trí liên kết sườn gia cường với bản cánh dầm thép, trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ mỏi của kết cấu thép, góp phần giảm thiểu rủi ro phá hoại sớm do mỏi, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt trong công nghiệp chế tạo kết cấu thép. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ cải tiến các tiêu chuẩn thiết kế mỏi hiện hành, đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết ứng suất tập trung (Stress Concentration) và lý thuyết ứng suất dư (Residual Stress). Ứng suất tập trung xuất hiện do sự thay đổi đột ngột về hình học tại chân đường hàn, gây ra biến dạng dẻo cục bộ và hình thành vết nứt mỏi. Ứng suất dư sinh ra từ quá trình nguội không đồng đều trong quá trình hàn, có thể là ứng suất kéo hoặc nén, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu mỏi của kết cấu.

Mô hình ứng suất kết cấu (Hotspot Stress) và ứng suất notch (Notch Stress) được sử dụng để phân tích chi tiết sự phân bố ứng suất tại vị trí chân đường hàn. Công thức xác định hệ số tập trung ứng suất Kpeak và Khs được áp dụng theo tiêu chuẩn IIW, giúp tính toán chính xác ứng suất tập trung dựa trên đặc trưng hình học của đường hàn như góc nghiêng flank angle và bán kính chân đường hàn.

Phương pháp xác định ứng suất dư sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction), dựa trên nguyên lý định luật Bragg để đo biến dạng tinh thể và từ đó tính toán ứng suất dư bề mặt không phá hủy. Phương pháp này cho phép đo ứng suất dư trong lớp bề mặt mỏng, rất phù hợp với khảo sát ứng suất dư tại chân đường hàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp khảo sát thực nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn (PTHH). Thí nghiệm được thực hiện trên 15 mẫu thép A572-Grade 42, gồm 4 nhóm: mẫu không xử lý (KXL), mẫu xử lý mài (M), và hai nhóm xử lý phun bi với đường kính bi khác nhau (D1 = 1mm, D2 = 2mm). Mỗi nhóm có từ 3 đến 4 mẫu, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy số liệu.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên vị trí liên kết sườn gia cường với bản cánh dầm thép, kích thước mẫu 500 × 50 × 8 mm cho bản thép và 100 × 50 × 6 mm cho sườn đứng, tạo thành liên kết chữ T. Mẫu được hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với chiều cao đường hàn 6 mm và góc nghiêng 45°, đảm bảo đồng nhất về chất lượng đường hàn.

Phân tích ứng suất tập trung được thực hiện bằng cách dán strain gauge tại các vị trí hotspot theo tiêu chuẩn IIW, đo biến dạng ứng suất dưới các cấp tải trọng từ 50 MPa đến 200 MPa. Ứng suất dư được đo bằng thiết bị nhiễu xạ tia X X’Pert Pro, với quy trình đo đa góc ψ để xác định chính xác biến dạng và ứng suất.

Mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ABAQUS, mô hình hóa hình học và vật liệu thép theo đặc trưng thực nghiệm, chia lưới phần tử theo khuyến nghị IIW. Phân tích phi tuyến được áp dụng để mô phỏng ứng suất tập trung và ứng suất dư, kết quả so sánh với dữ liệu thực nghiệm nhằm đánh giá độ chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý đến ứng suất tập trung:
    Kết quả thực nghiệm cho thấy ứng suất tập trung giảm gần 45% đối với mẫu mài (M) so với mẫu không xử lý (KXL). Hai mẫu phun bi (D1 và D2) giảm ứng suất tập trung khoảng 12%. Cụ thể, ứng suất hotspot tại vị trí S1 của mẫu KXL đạt trung bình 150 MPa, trong khi mẫu M giảm xuống còn khoảng 82 MPa, mẫu D1 và D2 lần lượt là 132 MPa và 130 MPa.

  2. Ảnh hưởng đến ứng suất dư:
    Mẫu phun bi với đường kính bi lớn hơn (D2) giảm ứng suất dư gần 50%, trong khi mẫu phun bi đường kính nhỏ (D1) giảm khoảng 30% so với mẫu không xử lý. Ứng suất dư đo được trên bề mặt mẫu KXL là khoảng 200 MPa, giảm xuống còn 100 MPa ở mẫu D2 và 140 MPa ở mẫu D1.

  3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng:
    Mô phỏng phần tử hữu hạn cho kết quả ứng suất hotspot tương đối phù hợp với thực nghiệm, sai số trung bình dưới 10%. Đường cong ứng suất biến dạng mô phỏng trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm tại các vị trí S1, S2 và S3, chứng tỏ mô hình PTHH có thể dự đoán chính xác ứng suất tập trung và dư trong liên kết hàn góc.

  4. Ảnh hưởng của đặc trưng hình học:
    Bán kính chân đường hàn và góc flank angle ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số tập trung ứng suất Kpeak. Mẫu mài với bán kính chân đường hàn tăng lên làm giảm đáng kể ứng suất notch stress, góp phần làm giảm ứng suất tập trung tổng thể.

Thảo luận kết quả

Việc giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư thông qua xử lý bề mặt có thể giải thích bởi sự cải thiện hình học tại chân đường hàn và sự tạo ra ứng suất dư nén dưới bề mặt do phun bi. Mài làm tăng bán kính chân đường hàn, giảm độ dốc flank angle, từ đó giảm hệ số tập trung ứng suất. Phun bi tạo ra lớp ứng suất dư nén, làm giảm ứng suất dư kéo vốn là nguyên nhân chính gây phá hoại mỏi.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư khi áp dụng xử lý bề mặt cơ khí. Tuy nhiên, mức giảm ứng suất tập trung do phun bi thấp hơn so với mài, do phun bi chủ yếu tác động lên ứng suất dư và độ nhám bề mặt hơn là thay đổi hình học chân đường hàn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh ứng suất hotspot và ứng suất dư giữa các nhóm mẫu, cũng như bảng tổng hợp giá trị hệ số tập trung ứng suất Kpeak và Khs. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương pháp xử lý bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp mài tại chân đường hàn:
    Thực hiện mài với đầu mài có đường kính phù hợp (khoảng 3 mm) tại chân đường hàn để tăng bán kính chân hàn, giảm ứng suất tập trung khoảng 45%. Thời gian thực hiện trước khi sơn phủ, do đội ngũ kỹ thuật hàn và bảo trì kết cấu đảm nhiệm.

  2. Sử dụng phun bi với đường kính bi lớn:
    Áp dụng phun bi với bi đường kính khoảng 2 mm để tạo lớp ứng suất dư nén, giảm ứng suất dư gần 50%, tăng tuổi thọ mỏi kết cấu. Phương pháp này nên được thực hiện đồng thời với công đoạn làm sạch bề mặt trước khi sơn phủ, do đội ngũ thi công bề mặt đảm nhận.

  3. Kết hợp xử lý mài và phun bi:
    Đề xuất kết hợp hai phương pháp để tận dụng ưu điểm giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư, tối ưu hóa khả năng chịu mỏi của liên kết hàn. Thời gian thực hiện cần được lên kế hoạch chi tiết trong quy trình chế tạo kết cấu.

  4. Áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế:
    Khuyến khích sử dụng mô hình PTHH để dự đoán ứng suất tập trung và dư trong các chi tiết kết cấu phức tạp, giúp tối ưu thiết kế và lựa chọn phương pháp xử lý bề mặt phù hợp. Cần đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư thiết kế về phần mềm mô phỏng và phân tích phi tuyến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu thép:
    Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp xác định ứng suất tập trung, ứng suất dư, giúp thiết kế liên kết hàn có tuổi thọ mỏi cao hơn, giảm rủi ro phá hoại sớm.

  2. Chuyên gia thi công và bảo trì kết cấu:
    Thông tin về các phương pháp xử lý bề mặt như mài và phun bi giúp lựa chọn kỹ thuật thi công phù hợp, nâng cao chất lượng và độ bền của kết cấu thép trong thực tế.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng:
    Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và mô phỏng hiện đại, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng suất và tuổi thọ mỏi kết cấu hàn.

  4. Các đơn vị quản lý dự án và kiểm định chất lượng:
    Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá chính xác hơn về độ bền mỏi của kết cấu thép, từ đó đưa ra các tiêu chuẩn kiểm định và bảo trì phù hợp, đảm bảo an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phun bi ảnh hưởng như thế nào đến ứng suất dư trong liên kết hàn?
    Phun bi tạo ra lớp ứng suất dư nén dưới bề mặt, làm giảm ứng suất dư kéo khoảng 30-50%, từ đó tăng khả năng chịu mỏi của kết cấu. Ví dụ, mẫu phun bi đường kính 2 mm giảm ứng suất dư gần 50% so với mẫu không xử lý.

  2. Tại sao ứng suất tập trung lại quan trọng trong phá hoại mỏi của kết cấu hàn?
    Ứng suất tập trung gây biến dạng dẻo cục bộ tại chân đường hàn, tạo điều kiện hình thành và phát triển vết nứt mỏi. Giảm ứng suất tập trung giúp kéo dài tuổi thọ mỏi của kết cấu.

  3. Mô phỏng phần tử hữu hạn có thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế không?
    Mô phỏng là công cụ hỗ trợ hiệu quả nhưng cần được hiệu chỉnh và kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác, đặc biệt với các chi tiết phức tạp.

  4. Phương pháp mài có ưu điểm gì so với phun bi?
    Mài làm thay đổi hình học chân đường hàn, tăng bán kính chân hàn, giảm ứng suất tập trung đến 45%, trong khi phun bi chủ yếu tác động lên ứng suất dư và độ nhám bề mặt.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại thép khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho thép A572-Grade 42, tuy nhiên nguyên lý và phương pháp có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại thép khác với đặc trưng cơ lý tương tự, cần thí nghiệm bổ sung để xác nhận.

Kết luận

  • Ứng suất tập trung và ứng suất dư là hai nhân tố chính ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi của liên kết hàn góc trong kết cấu thép.
  • Phương pháp mài giảm ứng suất tập trung gần 45%, trong khi phun bi giảm ứng suất dư từ 30% đến 50%, góp phần tăng tuổi thọ mỏi kết cấu.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng ABAQUS cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, có thể ứng dụng trong thiết kế và đánh giá kết cấu.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn và áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt trong công nghiệp chế tạo kết cấu thép tại Việt Nam.
  • Đề xuất kết hợp xử lý mài và phun bi, đồng thời áp dụng mô phỏng số để tối ưu hóa thiết kế và thi công, nâng cao hiệu quả và độ bền của kết cấu thép.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp xử lý bề mặt trong các dự án thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại thép và điều kiện tải trọng khác nhau để hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế mỏi cho kết cấu hàn. Độc giả và chuyên gia được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng và độ bền công trình.