Nghiên Cứu Ứng Suất Dư Trong Liên Kết Hàn Nút Giàn Dạng Ống

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Mục đích nghiên cứu

1.2. Đối tượng nghiên cứu

1.3. Phạm vi nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

1.6. Các đóng góp mới của luận án

1.7. Kết cấu của luận án

2. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

2.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

2.3. Kết luận chương

2.4. Giàn hàn và giàn hàn dạng ống

2.4.1. Kết cấu giàn

2.4.2. Giàn có tiết diện dạng rỗng

2.4.3. Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng

2.5. Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn

2.5.1. Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ

2.5.1.1. Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn

2.5.1.2. Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn

2.6. Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn

2.6.1. Tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K

2.6.2. Sự hình thành ứng suất dư khi hàn

2.7. Các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn

2.7.1. Giới thiệu chung

2.7.2. Các phương pháp xác định ứng suất dư

2.8. Kết luận chương

3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K

3.1. Mô phỏng tính toán bài toán cơ - nhiệt trong liên kết hàn

3.2. Mô phỏng tính toán quá trình chuyển biến pha trong liên kết hàn

3.3. Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

3.3.1. Tính toán mô phỏng bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo bằng phương pháp phần tử hữu hạn

3.3.2. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng tính toán liên kết hàn

3.4. Mô hình hóa và mô phỏng số liên kết nút giàn dạng ống chữ K

3.4.1. Mô hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K

3.4.2. Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW

3.4.3. Các thông số của vật liệu

3.4.4. Các điều kiện biên và điều kiện đầu

3.5. Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K

3.5.1. Tính toán xác định chế độ hàn sơ bộ

3.5.2. Thông số chế độ hàn mô phỏng

3.5.3. Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt

3.6. Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K

3.6.1. Các trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K

3.6.2. Thời gian hàn và thời gian làm nguội khi hàn các đường

3.7. Kết quả tính toán mô phỏng

3.7.1. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K

3.7.2. Trường ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K

3.7.3. Chuyển biến pha của kim loại mối hàn

3.8. Kết luận chương

4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K

4.1.1. Thiết bị hàn

4.1.2. Vật liệu hàn

4.1.3. Chuẩn bị mẫu hàn

4.1.4. Quy trình thực nghiệm

4.1.5. Kiểm tra ngoại dạng liên kết hàn

4.2. Xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng kỹ thuật khoan lỗ

4.2.1. Các bước tiến hành

4.3. Kết luận chương

5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

5.1. Kích thước vũng hàn

5.2. Ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tại một số vị trí khảo sát

5.2.1. Tại vị trí 1

5.2.2. Tại vị trí 2

5.2.3. Tại vị trí 3

5.2.4. Tại vị trí 4

5.3. Kiểm chứng kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết nút giàn dạng ống chữ K

5.3.1. Tại vị trí 1

5.3.2. Tại vị trí 2

5.3.3. Tại vị trí 3

5.3.4. Tại vị trí 4

5.4. Đề xuất các biện pháp làm giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K

5.4.1. Các biện pháp kết cấu

5.4.2. Các biện pháp công nghệ

5.5. Kết luận chương

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Suất Dư Liên Kết Hàn Ống

Kết cấu giàn dạng ống ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng chịu lực tốt, tiết kiệm vật liệu và chịu tải trọng động tốt. So với các kết cấu kim loại khác, giàn dạng ống có độ cứng vững và ổn định cao hơn, đặc biệt là khả năng chịu nén. Trước đây, các kết cấu giàn thường được chế tạo bằng ghép bu lông hoặc đinh tán, tốn nhiều vật liệu và thời gian. Ngày nay, công nghệ hàn đã trở thành phương pháp chủ lực, mang lại tính thẩm mỹ, độ bền cao, tiết kiệm vật liệu và giảm chi phí thi công. Tuy nhiên, ứng suất dư là một nhược điểm lớn của công nghệ hàn, có thể gây nứt và phá hủy kết cấu khi chịu tải trọng động. Việc kiểm soát ứng suất dư trong liên kết hàn là cực kỳ quan trọng để đảm bảo khả năng làm việc và tuổi thọ của công trình. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định và giảm thiểu ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống.

1.1. Ưu Điểm Của Giàn Dạng Ống Trong Xây Dựng

Kết cấu giàn dạng ống có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại kết cấu khác. Tiết diện ống có bán kính quán tính lớn, giúp tăng độ cứng vững và ổn định, đặc biệt là khả năng chịu nén. Điều này làm cho giàn dạng ống trở thành lựa chọn lý tưởng cho các công trình chịu tải trọng lớn và phức tạp. Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu chế tạo ống cũng góp phần giảm trọng lượng kết cấu, tiết kiệm chi phí và thời gian thi công.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Liên Kết Hàn Trong Chế Tạo Giàn

Công nghệ hàn đóng vai trò then chốt trong việc chế tạo các kết cấu giàn dạng ống hiện đại. So với phương pháp ghép bu lông hoặc đinh tán truyền thống, liên kết hàn mang lại độ bền cao hơn, tính thẩm mỹ tốt hơn và khả năng chịu tải trọng động vượt trội. Tuy nhiên, quá trình hàn cũng tạo ra ứng suất dư, có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và độ an toàn của công trình. Do đó, việc nghiên cứu và kiểm soát ứng suất dư trong liên kết hàn là vô cùng quan trọng.

II. Vấn Đề Ứng Suất Dư Trong Liên Kết Hàn Nút Giàn

Trong quá trình hàn, sự nung nóng và làm nguội không đều tạo ra ứng suất nhiệt, dẫn đến ứng suất dư trong liên kết hàn. Ứng suất dư có thể là ứng suất dư kéo hoặc ứng suất dư nén, ảnh hưởng đến độ bền mỏi và tuổi thọ của kết cấu. Đặc biệt, ứng suất dư kéo có thể gây ra nứt và phá hủy kết cấu khi chịu tải trọng động. Việc xác định và kiểm soát ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống là một thách thức lớn, đòi hỏi các phương pháp nghiên cứu và phân tích chính xác. Các công ty chế tạo kết cấu giàn của Việt Nam đang triển khai nghiên cứu các biện pháp giảm ứng suất dư khi hàn các kết cấu có tiết diện dạng ống rỗng.

2.1. Ảnh Hưởng Của Ứng Suất Dư Đến Độ Bền Mỏi

Ứng suất dư có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền mỏi của liên kết hàn. Ứng suất dư kéo làm giảm khả năng chịu tải trọng lặp đi lặp lại của vật liệu, dẫn đến sự hình thành và phát triển của các vết nứt mỏi. Ngược lại, ứng suất dư nén có thể cải thiện độ bền mỏi bằng cách làm chậm quá trình hình thành vết nứt. Do đó, việc hiểu rõ sự phân bố và mức độ của ứng suất dư là rất quan trọng để đánh giá tuổi thọ công trình.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Sự Hình Thành Ứng Suất Dư

Sự hình thành ứng suất dư trong liên kết hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm quy trình hàn, vật liệu hàn, biến dạng hàn, và ứng suất nhiệt. Quy trình hàn không hợp lý có thể tạo ra sự phân bố nhiệt không đều, dẫn đến ứng suất dư cao. Vật liệu hàn có tính chất cơ học khác nhau cũng ảnh hưởng đến mức độ ứng suất dư. Ngoài ra, biến dạng hàn và ứng suất nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành ứng suất dư.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ứng Suất Dư Trong Hàn Ống

Việc xác định ứng suất dư trong liên kết hàn là rất phức tạp, đặc biệt đối với các kết cấu lớn với nhiều đường hàn. Các phương pháp đo đạc truyền thống gặp nhiều khó khăn, đôi khi không thực hiện được. Hiện nay, nhờ sự phát triển của máy tính và các phần mềm mô phỏng, việc xác định ứng suất dư trở nên thuận lợi và đạt độ chính xác cao. Các phương pháp chính bao gồm phân tích phần tử hữu hạn FEA, kiểm tra không phá hủy NDT (như kỹ thuật khoan lỗ) và các phương pháp thực nghiệm khác. Nghiên cứu này sử dụng kết hợp các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống.

3.1. Mô Phỏng Ứng Suất Dư Bằng Phần Mềm FEA

Phân tích phần tử hữu hạn FEA là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và dự đoán ứng suất dư trong liên kết hàn. Phần mềm FEA cho phép mô hình hóa quá trình hàn, bao gồm sự phân bố nhiệt, biến dạng và ứng suất. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về sự phân bố ứng suất dư trong kết cấu, giúp các kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa quy trình hàn.

3.2. Thực Nghiệm Đo Ứng Suất Dư Bằng Kỹ Thuật Khoan Lỗ

Kỹ thuật khoan lỗ là một phương pháp kiểm tra không phá hủy NDT được sử dụng rộng rãi để đo ứng suất dư trong vật liệu. Phương pháp này dựa trên việc khoan một lỗ nhỏ vào vật liệu và đo sự thay đổi biến dạng xung quanh lỗ. Từ đó, có thể tính toán được ứng suất dư ban đầu. Kỹ thuật khoan lỗ cung cấp kết quả đo trực tiếp và có thể được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng.

IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Giảm Ứng Suất Dư Hàn Nút Giàn

Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để xác định ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Mục tiêu là tìm ra chế độ hàn hợp lý và quy trình hàn tối ưu để giảm thiểu ứng suất dư và cải thiện độ bền mỏi của kết cấu. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng để áp dụng trong chế tạo các kết cấu giàn kim loại, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dầu khí và xây dựng.

4.1. Xác Định Chế Độ Hàn Phù Hợp Cho Liên Kết Ống

Việc lựa chọn chế độ hàn phù hợp là rất quan trọng để giảm thiểu ứng suất dư trong liên kết hàn. Các thông số như dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn và loại khí bảo vệ cần được điều chỉnh để đạt được sự phân bố nhiệt đều và giảm thiểu biến dạng. Nghiên cứu này sử dụng mô phỏng FEA để đánh giá ảnh hưởng của các thông số hàn đến ứng suất dư và tìm ra chế độ hàn tối ưu.

4.2. Đề Xuất Biện Pháp Giảm Ứng Suất Dư Trong Hàn

Ngoài việc tối ưu hóa chế độ hàn, có nhiều giải pháp giảm ứng suất dư khác có thể được áp dụng. Các biện pháp này bao gồm biện pháp kết cấu (như thiết kế mối hàn hợp lý), biện pháp công nghệ (như hàn phân đoạn, hàn đối xứng) và biện pháp nhiệt luyện (như ủ giảm ứng suất). Nghiên cứu này đề xuất các biện pháp giảm ứng suất dư phù hợp với liên kết hàn nút giàn dạng ống.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Bàn Luận Về Ứng Suất Dư

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm về ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Phân tích kích thước vũng hàn, phân bố ứng suất tại các vị trí khảo sát cho thấy sự tương đồng. Nghiên cứu cũng đề xuất các biện pháp làm giảm ứng suất dư hiệu quả, bao gồm các biện pháp kết cấu và biện pháp công nghệ. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình hàn và nâng cao độ bền của kết cấu.

5.1. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm Ứng Suất

Việc so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm là rất quan trọng để đánh giá độ tin cậy của mô hình và phương pháp nghiên cứu. Nghiên cứu này cho thấy sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng FEA và kết quả đo bằng kỹ thuật khoan lỗ, chứng tỏ tính chính xác của mô hình và phương pháp mô phỏng. Sự khác biệt nhỏ giữa hai kết quả có thể do các yếu tố như sai số đo lường và sự đơn giản hóa trong mô hình.

5.2. Đánh Giá Hiệu Quả Các Biện Pháp Giảm Ứng Suất Dư

Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của các biện pháp giảm ứng suất dư thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy các biện pháp kết cấu và biện pháp công nghệ có thể giảm đáng kể ứng suất dư trong liên kết hàn. Việc lựa chọn biện pháp phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của kết cấu và yêu cầu kỹ thuật của công trình.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Về Ứng Suất Dư Hàn

Nghiên cứu đã thành công trong việc xác định và phân tích ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống. Các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm đã được kết hợp một cách hiệu quả để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố hàn đến ứng suất dư. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng để tối ưu hóa quy trình hàn và nâng cao độ bền của kết cấu. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp giảm ứng suất dư tiên tiến hơn và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Về Ứng Suất

Nghiên cứu đã xác định được sự phân bố ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng cả phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy ứng suất dư tập trung tại các vị trí mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu quả của các biện pháp giảm ứng suất dư và đề xuất các giải pháp tối ưu.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Hàn Ống

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp giảm ứng suất dư tiên tiến hơn, như sử dụng các kỹ thuật hàn mới (ví dụ: hàn laser, hàn ma sát khuấy) hoặc áp dụng các phương pháp xử lý sau hàn (ví dụ: phun bi, rung động). Ngoài ra, cần nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của ứng suất dư đến độ bền mỏi và tuổi thọ của kết cấu trong điều kiện làm việc thực tế.

Nghiên Cứu Trạng Thái Ứng Suất Dư Trong Liên Kết Hàn Nút Giàn Dạng Ống