Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành cơ khí chế tạo máy và xây dựng kết cấu kim loại, công nghệ hàn hồ quang giữ vai trò then chốt trong việc tạo ra các liên kết liền khối không thể tháo rời. Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật hàn đã mở rộng từ hàn hồ quang tay truyền thống sang hơn 130 phương pháp hàn khác nhau, tiêu biểu là các công nghệ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (Gas Shielded Arc Welding - GSAW) như hàn MIG/MAG và TIG. Tuy nhiên, bản chất của quá trình hàn nóng chảy là sự cung cấp nguồn nhiệt cục bộ với mật độ công suất lớn, dẫn đến sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong vật hàn. Hiện tượng giãn nở nhiệt khi đốt nóng và co ngót khi kết tinh, làm nguội - trong điều kiện bị ràng buộc bởi độ cứng vững của kết cấu và đồ gá - tất yếu làm phát sinh ứng suất nhiệt, ứng suất dư và biến dạng hình học của sản phẩm.
Đối với các kết cấu dạng hộp, biến dạng hàn (bao gồm biến dạng co dọc, co ngang và biến dạng góc) làm sai lệch kích thước hình học, gây khó khăn cho quá trình lắp ráp tiếp theo, làm giảm khả năng chịu tải và làm tăng chi phí gia công nắn chỉnh sửa chữa. Trước thời điểm nghiên cứu, các công trình trong và ngoài nước chủ yếu tập trung khảo sát biến dạng trên các mẫu thử dạng tấm phẳng giáp mí, liên kết chữ T hoặc kết cấu ống tròn đơn giản; chưa có công trình nào đi sâu mô phỏng trường nhiệt và biến dạng nhiệt trên sản phẩm kết cấu không gian dạng hộp dưới tác động của các trình tự hàn hồ quang bán tự động khác nhau.
Đồ án tốt nghiệp "Mô phỏng biến dạng sản phẩm dạng hộp trong quá trình hàn hồ quang bán tự động" do sinh viên Nguyễn Thành Nhân và Văn Nguyễn Thịnh Phát thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Bá Tân tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khoá 2013 - 2017) được triển khai nhằm giải quyết vấn đề kỹ thuật này.
Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Hỗ trợ quá trình thiết kế quy trình công nghệ hàn đạt được hiệu quả kỹ thuật cao hơn.
- Dự báo trước các biến dạng bất lợi trên kết cấu dạng hộp, từ đó điều chỉnh trình tự và thông số hàn ngay trong giai đoạn thiết kế nhằm giảm thiểu phế phẩm, nâng cao năng suất và giá trị kinh tế.
- Thiết lập quy trình mô phỏng số và dữ liệu đối chuẩn làm cơ sở tiếp tục phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn.
Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn hồ quang điện trong môi trường khí bảo vệ.
- Xây dựng quy trình mô phỏng số dự báo biến dạng cho các liên kết hàn.
- Thực hiện mô phỏng quá trình hàn trên sản phẩm dạng hộp, thu nhận dữ liệu và phân tích trường nhiệt, ứng suất, biến dạng.
- Tiến hành thực nghiệm hàn mẫu thực tế, so sánh kết quả biến dạng thực nghiệm với kết quả mô phỏng số để rút ra kết luận lựa chọn phương án tối ưu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng phân bố nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng hình học của liên kết hàn góc vuông trên sản phẩm dạng hộp.
- Không gian và kích thước kết cấu: Sản phẩm dạng hộp kích thước chiều dài 300 mm, chiều rộng 170 mm, chiều cao 100 mm, chiều dày thành vỏ 5 mm.
- Vật liệu nghiên cứu: Thép tấm cacbon thấp CT3 chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 1651-85.
- Công nghệ áp dụng: Hàn hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MIG); công cụ tính toán số là phần mềm ANSYS Workbench 16.0 (sử dụng hai phân hệ liên kết Transient Thermal và Static Structural).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học quá trình hàn, lý thuyết truyền nhiệt phi tuyến, cơ học môi trường liên tục và lý thuyết biến dạng đàn - dẻo:
- Quá trình phát nhiệt hồ quang tuân theo định luật Joule - Lenz: $Q = 0{,}24 \cdot R \cdot I^2 \cdot t$, trong đó nhiệt lượng sinh ra tại vùng đoản mạch ban đầu kích hoạt hiện tượng phát xạ điện tử và ion hóa chất khí bảo vệ.
- Phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier trong vật thể rắn: $q = -k \nabla T$.
- Phương trình truyền nhiệt phi tuyến phụ thuộc thời gian (bài toán nhiệt quá độ):
$$\rho c_p \frac{\partial T}{\partial t} - \nabla \cdot (k \nabla T) = Q + R$$
- Lý thuyết chảy dẻo kim loại: Tiêu chuẩn dẻo von Mises với hàm mặt dẻo $\Phi(\sigma) = \sigma_v^2 - \sigma_y^2 = 0$. Mối quan hệ giữa biến dạng toàn phần, biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo: $\varepsilon = \varepsilon^{el} + \varepsilon^{pl}$. Định luật Hooke tổng quát cho vật liệu đẳng hướng xác định qua ma trận độ cứng bậc bốn $C_4$: $\dot{\sigma} = C_4 \cdot \dot{\varepsilon}^{pl}$.
- Mô hình nguồn nhiệt di động: Sử dụng mô hình nguồn nhiệt elip kép của Goldak (Goldak's double ellipsoid model) - mô hình tiêu chuẩn cho hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW). Nguồn nhiệt phân chia thành hai nửa elip phía trước và phía sau với các tham số hình học $a_f$ (chiều dài nguồn nhiệt phía trước), $a_r$ (chiều dài nguồn nhiệt phía sau), $b$ (chiều rộng nguồn nhiệt), $d$ (chiều sâu nguồn nhiệt), kết hợp các hệ số phân bố nhiệt lượng $f_f$ và $f_r$:
$$f_f = \frac{2}{1 + \frac{a_r}{a_f}}, \quad f_r = \frac{2}{1 + \frac{a_f}{a_r}}$$
Nhiệt lượng đưa vào vũng hàn được xác định từ các thông số hàn: $Q = \eta \cdot \frac{U \cdot I}{S}$, trong đó hiệu suất truyền nhiệt $\eta$ được chọn là 60% (dựa trên công trình nghiên cứu của M. Seyyedian Choobi và M. Sedighi, 2010).
Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:
- Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Khảo cứu các tiêu chuẩn kỹ thuật hàn, tiêu chuẩn que hàn và điện cực Vonfram (AWS A5.12-80), que hàn phụ (ISO/R564), tiêu chuẩn chế tạo ống chịu áp lực (ASME-IX, LiLAMA 2-08) và vật liệu thép kết cấu (TCVN 1651-85).
- Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) ghép cặp nhiệt - cơ gián tiếp:
- Phân hệ Transient Thermal: Phân chia bước thời gian thành 60 bước (tương đương 60 giây), nạp 20 phần tử nguồn nhiệt Heat Flux di chuyển tuần tự theo quỹ đạo đường hàn để giải trường nhiệt độ biến thiên theo thời gian.
- Phân hệ Static Structural: Nhận kết quả trường nhiệt độ từ Transient Thermal làm tải trọng nhiệt đầu vào (Imported Load) để tính toán phản ứng cơ học, xác định độ dịch chuyển nút, biến dạng tổng (Total Deformation) và trường ứng suất von Mises.
- Phương pháp phân tích, so sánh: Đánh giá tương quan kết quả giữa các phương án phân bố thứ tự đường hàn, so sánh đối chứng giữa kết quả tính toán mô phỏng và số liệu thực nghiệm đo đạc độ biến dạng hình học.
Nguồn dữ liệu và đặc tính vật liệu:
- Vật liệu thép CT3 (TCVN 1651-85): Giới hạn chảy $\sigma_y = 355\text{ MPa}$; mô đun đàn hồi Young $E = 210\text{ GPa}$ (tại 20°C); hệ số Poisson $\nu = 0{,}33$; nhiệt độ nóng chảy $1505^\circ\text{C}$; hàm lượng cacbon ghi nhận trong văn bản là 0,65%.
- Chế độ công nghệ hàn GMAW bán tự động: Dòng điện hàn $I = 50 - 90\text{ A}$, điện áp hồ quang $U = 80\text{ V}$.
| Thông số vật lý / công nghệ |
Giá trị / Ký hiệu quy chuẩn |
Đơn vị đo |
| Chiều dài x Chiều rộng x Chiều cao hộp |
300 x 170 x 100 |
mm |
| Chiều dày thành hộp |
5 |
mm |
| Vật liệu chế tạo |
Thép cacbon CT3 (TCVN 1651-85) |
- |
| Giới hạn chảy ($\sigma_y$) |
355 |
MPa |
| Mô đun đàn hồi Young ($E$) tại 20°C |
210 |
GPa |
| Hệ số Poisson ($\nu$) |
0,33 |
- |
| Nhiệt độ nóng chảy của thép |
1505 |
°C |
| Cường độ dòng điện hàn ($I$) |
50 - 90 |
A |
| Điện áp hồ quang ($U$) |
80 |
V |
| Hiệu suất nhiệt của nguồn hàn ($\eta$) |
60 |
% |
| Thời gian mô phỏng nhiệt |
60 (chia làm 60 bước thời gian) |
giây |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa lý thuyết tổng quan về kỹ thuật hàn hồ quang điện nóng chảy, nguyên lý ion hóa chất khí tạo hồ quang điện và vị trí của công nghệ hàn trong môi trường khí bảo vệ (GSAW). Tác giả tiến hành lược khảo các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan trực tiếp đến ứng suất dư và biến dạng hàn:
| Tác giả / Năm công bố |
Cơ quan / Xuất bản |
Phương pháp nghiên cứu |
Đối tượng & Phạm vi |
Kết quả & Phát hiện chính |
| Phạm Văn Điều (2004) |
ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM |
Thực nghiệm công nghệ hàn |
Hàn MIG/MAG trên thép |
Xác định ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tổ chức kim loại và cơ tính mối hàn; tối ưu hóa thông số hàn. |
| Nguyễn Văn Tường (2011) |
ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM |
Thực nghiệm nhiễu xạ tia X |
Ống thép chịu áp A106-GrB (OD = 114 mm, t = 8,56 mm) |
Đo đạc ứng suất dư mối hàn TIG lót phủ điện theo LiLAMA 2-08 và ASME-IX; kiểm tra kết cấu ống nhà máy nhiệt điện. |
| Nguyễn Thị Kim Uyên (2011) |
ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM |
Phương pháp đo Omega tia X |
Hàn ma sát hợp kim nhôm 1060 |
Ứng suất dư biến thiên từ -31 đến 0,99 MPa; độ thay đổi ứng suất trước và sau hàn đạt khoảng 31% tại vùng ảnh hưởng nhiệt. |
| Mohd Shahar Sulaiman và cộng sự (2011) |
Công bố quốc tế |
Mô phỏng Weld Planner & thực nghiệm |
Mối hàn giáp mí và góc chữ T (150 x 50 x 4 mm) |
Đánh giá độ chính xác của phần mềm chuyên dụng Weld Planner đối với biến dạng hàn tấm mỏng. |
| Andrea Capriccioli & Paolo Frosi (2009) |
Công bố quốc tế |
Phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS |
Hàn TIG và hàn laser |
Phát triển quy trình ANSYS FE phân tích trường nhiệt độ và biến dạng cơ nhiệt đa chức năng. |
| T. Spelleken (2012) |
Công bố quốc tế |
Mô hình toán & mô phỏng số |
Hàn laser ghép mí tấm thép mỏng (75 x 50 x 1,8 mm) |
Giải bài toán trường nhiệt và ứng suất nhiệt; phân tích khuếch tán hydro, không đi sâu vào biến dạng hình học. |
Từ kết quả tổng quan, chương 1 khẳng định khoảng trống khoa học: chưa có nghiên cứu nào tập trung mô phỏng biến dạng và phân bố ứng suất nhiệt trên sản phẩm dạng hộp liên kết hàn hồ quang, từ đó xác lập mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi giới hạn của đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 trình bày chi tiết hai phân nhóm công nghệ hàn hồ quang trong khí bảo vệ:
- Hàn điện cực nóng chảy (GMAW): Bao gồm hàn MIG (sử dụng khí trơ Ar, He) và hàn MAG (sử dụng khí hoạt tính $CO_2$, hỗn hợp $CO_2 + O_2$). Đặc điểm vận hành cấp dây tự động với tốc độ không đổi ($V_e = const$), nguồn điện hàn một chiều (DC) cấp đường đặc tính Volt - Ampe dốc. Khí $CO_2$ yêu cầu độ sạch trên 99,5%, áp suất bình 50 - 60 at; đường kính dây hàn dao động từ 0,8 đến 2,4 mm.
- Hàn điện cực không nóng chảy (GTAW/TIG): Sử dụng điện cực Vonfram (chịu nhiệt độ nóng chảy $3410^\circ\text{C}$, nhiệt độ hồ quang vượt quá $6100^\circ\text{C}$). Tiêu chuẩn điện cực Vonfram theo AWS A5.12-80 được phân loại chi tiết (EWP, EWTh-1, EWTh-2, EWTh-3, EWZr) với các hàm lượng phụ gia Thori (Th) và Zircon (Zr) nhằm cải thiện khả năng phát xạ điện tử và ổn định hồ quang. Que hàn phụ tuân theo tiêu chuẩn kích thước ISO/R564 (chiều dài 500 - 1000 mm, đường kính 1,2 đến 3,2 mm).
- Cơ chế hình thành vũng hàn và dịch chuyển giọt kim loại lỏng: Cấu trúc vùng hàn được chia làm ba khu vực: kim loại mối hàn nóng chảy kết tinh, vùng tiệm cận mối hàn (vùng ảnh hưởng nhiệt - HAZ, chịu nung nóng từ $100^\circ\text{C}$ đến sát điểm nóng chảy) và kim loại cơ bản không chịu tác động nhiệt. Kim loại lỏng từ que hàn dịch chuyển vào bể hàn dưới tác động tổng hợp của bốn lực: trọng lực giọt lỏng, lực căng bề mặt kéo giọt lỏng thành hình cầu, áp lực khí quá nhiệt và lực điện từ trường sinh ra hiệu ứng thắt tiết diện dòng điện.
- Cơ chế sinh biến dạng và ứng suất hàn: Được chứng minh qua hai thí nghiệm nung nóng thanh kim loại dài 200 mm lên $400^\circ\text{C}$: khi một đầu tự do, thanh giãn nở 1 mm và co về kích thước ban đầu sau khi nguội; khi cố định cả hai đầu, lực cản trở giãn nở sinh ra nội lực nén $P$ dọc trục, chuyển hóa thành biến dạng dẻo và ứng suất dư vĩnh viễn. Ứng suất được phân loại theo nguyên nhân (nhiệt, cấu trúc), thời gian (tạm thời, dư), tính chất hoạt động (chủ động, phản ứng) và trạng thái không gian (đường, mặt phẳng, khối). Biến dạng hàn được phân loại thành biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo/dư, biểu hiện qua biến dạng co dọc, biến dạng co ngang và biến dạng góc.
Chương 3: Mô phỏng biến dạng sản phẩm dạng hộp trong quá trình hàn hồ quang bán tự động
Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết lập bài toán số và kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS Workbench 16.0:
- Xây dựng mô hình hình học: Mô hình hóa chi tiết hộp 3D kích thước 300 x 170 x 100 mm, thành dày 5 mm, xuất tệp dữ liệu trung gian chuẩn
.IGS.
- Quy trình mô phỏng 6 bước:
- Khởi động môi trường phân tích trong ANSYS Workbench.
- Nạp module Transient Thermal để chuẩn bị giải bài toán truyền nhiệt theo thời gian.
- Nhập mô hình hình học
.IGS thông qua tính năng Import External Geometry File và chuyển đổi đơn vị đo sang milimét (mm).
- Thực hiện chia lưới phần tử hữu hạn (Generate Mesh) đảm bảo mật độ lưới tại vùng đường hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt.
- Cài đặt các tham số phân tích nhiệt (Transient Thermal Setup): Thiết lập thời gian phân tích gồm 60 bước (tương đương 60 giây); tạo lập 20 nguồn thông lượng nhiệt (Heat Flux) gán năng lượng tương đương mô hình nguồn nhiệt Goldak để mô phỏng sự chuyển động của mỏ hàn; giải tìm trường phân bố nhiệt độ (Temperature Solution).
- Ghép nối cơ học (Static Structural): Kéo phân hệ Static Structural kết nối trực tiếp với kết quả Solution của Transient Thermal; nạp trường nhiệt độ quá độ qua công cụ Imported Load; kích hoạt các chỉ số đầu ra gồm độ biến dạng tổng (Total Deformation) và ứng suất tương đương von Mises (Equivalent Stress); tiến hành chạy giải thuật.
Tác giả thiết lập khảo sát 8 trường hợp thứ tự đường hàn trên sản phẩm hộp. Dữ liệu số trích xuất trực tiếp từ văn bản cho hai trường hợp điển hình:
- Trường hợp hàn lần lượt theo thứ tự 1 - 2 - 3 - 4:
- Trường nhiệt độ: Nhiệt độ cực đại $T_{max} = 1969{,}8^\circ\text{C}$; nhiệt độ cực tiểu $T_{min} = 27{,}56^\circ\text{C}$.
- Biến dạng hình học: Biến dạng cực đại đạt $0{,}47\text{ mm}$; biến dạng cực tiểu đạt $0{,}056\text{ mm}$. Tổng độ biến dạng thực tế của kết cấu hộp là: $0{,}47 - 0{,}056 = 0{,}414\text{ mm}$.
- Trường ứng suất von Mises: Ứng suất tập trung cao nhất tại vùng kim loại đường hàn đạt $537{,}68\text{ MPa}$; ứng suất thấp nhất ở các vùng rìa xa đạt $1{,}46\text{ MPa}$.
- Trường hợp hàn lần lượt theo thứ tự 1 - 3 - 2 - 4:
- Trường nhiệt độ: Nhiệt độ cực đại $T_{max} = 1985{,}6^\circ\text{C}$; nhiệt độ cực tiểu $T_{min} = 39{,}162^\circ\text{C}$.
Kết quả và đóng góp
Kết quả mô phỏng số trích xuất từ văn bản đồ án được tổng hợp định lượng trong bảng sau:
| Thông số theo dõi |
Trình tự đường hàn 1 - 2 - 3 - 4 |
Trình tự đường hàn 1 - 3 - 2 - 4 |
| Nhiệt độ cao nhất ($T_{max}$) |
1969,8 °C |
1985,6 °C |
| Nhiệt độ thấp nhất ($T_{min}$) |
27,56 °C |
39,162 °C |
| Biến dạng cực đại ($Deformation_{max}$) |
0,47 mm |
Chưa công bố đầy đủ số liệu cơ |
| Biến dạng cực tiểu ($Deformation_{min}$) |
0,056 mm |
Chưa công bố đầy đủ số liệu cơ |
| Biến dạng tổng thể của hộp ($\Delta L$) |
0,414 mm |
Chưa công bố đầy đủ số liệu cơ |
| Ứng suất von Mises cao nhất ($\sigma_{max}$) |
537,68 MPa |
Chưa công bố đầy đủ số liệu cơ |
| Ứng suất von Mises thấp nhất ($\sigma_{min}$) |
1,46 MPa |
Chưa công bố đầy đủ số liệu cơ |
Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:
- Cần tính toán điều chỉnh trình tự đi các đường hàn đối xứng thay vì hàn liên tiếp vòng quanh để cân bằng trường nhiệt độ và triệt tiêu biến dạng góc giữa các tấm kim loại.
- Kiểm soát chặt chẽ chiều dài nhô ra của điện cực hàn (khoảng 6 đến 13 mm đối với chuyển dịch đoản mạch và 13 đến 25 mm đối với các dạng chuyển dịch khác) cùng tốc độ dịch chuyển mỏ hàn nhằm ổn định lượng nhiệt đưa vào (Heat Input), tránh hiện tượng quá nhiệt gây cháy thủng hoặc thiếu ngấu.
- Áp dụng quy trình mô phỏng số nhiệt - cơ gián tiếp trên ANSYS Workbench như một bước bắt buộc trong thiết kế công nghệ trước khi tiến hành gá đặt và gia công hàn kết cấu hộp trong sản xuất thực tế.
Đóng góp của đồ án:
- Về mặt học thuật: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán số ghép cặp trường nhiệt quá độ và trường cơ học tĩnh trên kết cấu không gian dạng hộp 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn, ứng dụng nguồn nhiệt Goldak's double ellipsoid và hệ số hiệu suất nhiệt thực tế $\eta = 60%$.
- So với các nghiên cứu trước: Vượt ra ngoài phạm vi các nghiên cứu truyền thống vốn chỉ giới hạn trên các tấm phẳng đơn lẻ (tấm $150 \times 50 \times 4\text{ mm}$ của Mohd Shahar Sulaiman, tấm $75 \times 50 \times 1{,}8\text{ mm}$ của T. Spelleken) hoặc liên kết ống trụ (công trình của Nguyễn Văn Tường), đồ án giải quyết trực tiếp bài toán biến dạng không gian phức tạp của sản phẩm dạng hộp có tính liên kết góc đa chiều.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài theo phạm vi công bố trong văn bản:
- Phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn trên kết cấu hộp có kích thước cố định ($300 \times 170 \times 100\text{ mm}$, chiều dày 5 mm) với dạng liên kết hàn góc vuông.
- Vật liệu nghiên cứu duy nhất là thép tấm cacbon thấp CT3, chưa tiến hành mở rộng trên các dòng thép hợp kim hoặc kim loại màu có tính dẫn nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt phức tạp.
- Chế độ công nghệ chỉ khảo sát cho phương pháp hàn hồ quang bán tự động GMAW với dải thông số dòng điện 50 - 90 A và điện áp 80 V.
- Trong trích đoạn văn bản, kết quả mô phỏng cơ học (ứng suất và biến dạng) mới chỉ thể hiện chi tiết cho trình tự hàn 1 - 2 - 3 - 4; các số liệu cơ học của các trình tự còn lại (trong tổng số 8 kịch bản) và kết quả đo kiểm thực nghiệm đối chứng chi tiết chưa được thể hiện đầy đủ.
Hướng nghiên cứu mở rộng được tác giả đề xuất:
- Tiếp tục sử dụng toàn bộ quy trình mô phỏng số và các bước thiết lập thí nghiệm đã xây dựng để phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn về công nghệ hàn kết cấu.
- Mở rộng phân tích mô phỏng cho các loại liên kết hàn khác nhau và tối ưu hóa hệ thống đồ gá kẹp chặt nhằm khống chế biến dạng dư hiệu quả hơn trong sản xuất công nghiệp.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo cho các đối tượng và mục đích học thuật sau:
- Sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Hàn, Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các đề tài nghiên cứu về mô phỏng số kết cấu hàn.
- Kỹ sư công nghệ hàn và kỹ sư thiết kế kết cấu kim loại tại các nhà máy cơ khí, chế tạo nồi hơi, bồn bể, khung vỏ hộp chịu áp lực trong việc lựa chọn trình tự đường hàn hợp lý để giảm thiểu biến dạng cong vênh và nứt xé mối ghép.
- Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án:
- Bản mô tả quy trình thực hành chi tiết 6 bước tích hợp phân hệ Transient Thermal sang Static Structural trên phần mềm ANSYS Workbench 16.0.
- Cách thiết lập mô hình nguồn nhiệt di động Goldak thông qua chia nhỏ 20 phân đoạn thông lượng nhiệt Heat Flux phụ thuộc thời gian.
- Hệ thống dữ liệu tổng hợp về tiêu chuẩn điện cực Vonfram (AWS A5.12-80), que hàn phụ (ISO/R564) và các phương trình giải tích truyền nhiệt cơ bản.
Câu hỏi thường gặp
1. Đồ án sử dụng mô hình nguồn nhiệt nào và hiệu suất nhiệt được xác định là bao nhiêu?
Đồ án sử dụng mô hình nguồn nhiệt elip kép của Goldak (Goldak's double ellipsoid model) - mô hình tiêu chuẩn để mô phỏng quá trình hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW). Hiệu suất truyền nhiệt $\eta$ được chọn là 60%, lấy theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng của M. Seyyedian Choobi và M. Sedighi (2010).
2. Kích thước hình học và đặc tính cơ lý của vật liệu làm hộp được thiết lập như thế nào?
Vật hàn là sản phẩm dạng hộp có kích thước chiều dài 300 mm, chiều rộng 170 mm, chiều cao 100 mm và chiều dày 5 mm. Vật liệu sử dụng là thép tấm cacbon thấp CT3 chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 1651-85, có mô đun đàn hồi Young $E = 210\text{ GPa}$ (tại nhiệt độ $20^\circ\text{C}$), giới hạn chảy $\sigma_y = 355\text{ MPa}$, hệ số Poisson $\nu = 0{,}33$, nhiệt độ nóng chảy $1505^\circ\text{C}$ và hàm lượng cacbon ghi nhận là 0,65%.
3. Quy trình liên kết giữa hai phân hệ Transient Thermal và Static Structural trong ANSYS 16.0 được thực hiện ra sao?
Quy trình thực hiện tuần tự qua phương pháp phân tích nhiệt - cơ gián tiếp: Phân hệ Transient Thermal được nạp mô hình hình học .IGS, chia lưới và cài đặt 60 bước thời gian (tương ứng 60 giây) với 20 nguồn nhiệt Heat Flux di động để giải bài toán phân bố nhiệt độ. Sau khi có kết quả trường nhiệt độ, phân hệ Static Structural được liên kết vào ô Solution của Transient Thermal, nhập toàn bộ lịch sử nhiệt độ làm tải trọng tác động (Imported Load) để giải bài toán biến dạng cơ học tổng và phân bố ứng suất tương đương von Mises.
4. Kết quả mô phỏng nhiệt độ, biến dạng và ứng suất của trình tự hàn 1 - 2 - 3 - 4 đạt các giá trị cụ thể nào?
Tại trình tự hàn 1 - 2 - 3 - 4, nhiệt độ cực đại đạt $1969{,}8^\circ\text{C}$, nhiệt độ cực tiểu đạt $27{,}56^\circ\text{C}$. Độ biến dạng cực đại của kết cấu là $0{,}47\text{ mm}$, cực tiểu là $0{,}056\text{ mm}$, dẫn đến độ biến dạng tổng thể của hộp là $0{,}414\text{ mm}$. Trường ứng suất von Mises đạt giá trị cao nhất tại vùng đường hàn là $537{,}68\text{ MPa}$ và giá trị thấp nhất tại các vùng biên xa là $1{,}46\text{ MPa}$.
5. Sự khác biệt về kết quả nhiệt độ giữa trình tự hàn 1 - 2 - 3 - 4 và 1 - 3 - 2 - 4 là gì?
Khi chuyển đổi thứ tự hàn từ 1 - 2 - 3 - 4 sang 1 - 3 - 2 - 4, nhiệt độ cực đại tăng từ $1969{,}8^\circ\text{C}$ lên $1985{,}6^\circ\text{C}$ (tăng $15{,}8^\circ\text{C}$) và nhiệt độ cực tiểu tăng từ $27{,}56^\circ\text{C}$ lên $39{,}162^\circ\text{C}$ (tăng $11{,}602^\circ\text{C}$), phản ánh sự tích tụ và phân bố nhiệt lượng thay đổi rõ rệt khi đảo vị trí các đường hàn đối xứng.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Nguyễn Thành Nhân và Văn Nguyễn Thịnh Phát đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng số bài toán ghép cặp nhiệt - cơ trên phần mềm ANSYS Workbench 16.0 nhằm dự báo trường nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng của kết cấu sản phẩm dạng hộp bằng thép CT3 trong quá trình hàn hồ quang bán tự động. Bằng việc ứng dụng mô hình nguồn nhiệt di động Goldak kết hợp phân tích phân hệ Transient Thermal và Static Structural, nghiên cứu đã lượng hóa được giá trị biến dạng tổng thể đạt 0,414 mm và ứng suất tập trung cực đại đạt 537,68 MPa đối với trình tự hàn khảo sát. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận rõ ràng hỗ trợ các kỹ sư công nghệ tối ưu hóa quy trình hàn, hạn chế cong vênh kết cấu và nâng cao chất lượng chế tạo cơ khí.
