تحلیل تمرکز تنش بر روی زائدهای اضافی ناشی از جوش صفحه داغ قطعات پلی اتیلنی و تاثیر آن در کاهش استحکام خط جوش

محمد شیشه ساز : استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران

بابک مهدی‌پور : دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز

ارائه شده در همین کنفرانس مهندسی ساخت و تولید ایران , 12-10 اسفند ماه 1388 , دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
چکیده : 
در این مقاله اندازه ی تمرکز تنش در اتصال جوشی که از روش صفحه داغ در لوله پلی اتیلن حاصل میشود به کمک روش اجزای محدود و با استفاده از نرم افزار انسیس بررسی شده است. تمرکز تنش در برآمدگی جوش و ابعادی که در هندسه آن بدین ترتیب حاصل می شود، از طریق تغییر شعاع زائده بوجود آمده در جوش، و تغییر زاویه جوش، مورد ارزیابی قرار گرفته است. هندسه ی موجود در این نوع جوش لوله، بر اساس استاندارد جوش صفحه داغ در لوله‌های پلی اتیلنی است. نمونه‌ی مورد تحلیل بر اساس استاندارد D638 مدل سازی شده است. نتایج بدست آمده نشان میدهند که در پلاستیکها، انجام عملیات پس جوش و ماشینکاری آنها، همانند فلزات، جهت کنترل تمرکز تنش بسیار لازم و ضروری است.

جوش صفحه داغ – تمرکز تنش – نرم افزار انسیس, لوله پلی اتیلن

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
امروزه جوشکاری پلاستیکها با توجه به کاربردهای گسترده این مواد در صنایع مختلف، لزوم تحقیقات بیشتری را می طلبد. استفاده از پلاستیکها در مهندسی ملزوم وجود روش اتصال مناسب در آنها میباشد. یک نمونه از این اتصالات استفاده از روش صفحه داغ ( جوش بات فیوژن یا جوش لب به لب ) است که به دلیل سادگی و ارزان بودن از روشهای پرکاربرد جوشکاری در پلاستیکها به شمار میرود. این نوع اتصال با ایجاد حرارت و فشار باعث ادغام دو قطعه در هم میشود که بر اثر این فشار زائده های اضافی نیز در طرفین قطعه‌ها ایجاد خواهد شد. این زائده اضافی باعث بوجود آمدن تمرکز تنش به هنگام استفاده از قطعه جوش خورده میشود، که ممکن است منجر به شکست زود هنگام قطعه و خرابی پیش از موعد آن گردد. تحلیل تاثیر پارامترهای جوش در طول چند دهه اخیر مورد توجه بسیاری از محققین بوده است. از جمله کارهای مشابه که البته همگی در زمینه جوش کاری قطعات فلزی شن می‌باشد، اره به مقاله برگ در مورد تاثیر ضخامت ورق در شکست جوش و مارتین فریا در مورد تاثیر شعاع زائده جوش در مقاومت شکست جوشهای دارای پخ و یا نگوین در مورد تاثیر پارامترهای هندسه جوش در عمر شکست و همچنین تاثیر تنشهای پسماند و هندسه جوش در بهبود عمر شکست اشاره کرد. البته یادآور می شویم که در مورد جوش پلاستیکها تاکنون تحقیقی دراین زمینه انجام نشده و کار موجود در این مورد کاملا جدید میباشد.
در این مقاله، با استفاده از روش المان محدود و به کمک نرم افزار انسیس تمرکز تنش در زائده های اضافی بوجود آمده در اثر فشار وارد شده، در هنگام عملیات جوش دو لوله پلی اتیلنی، بررسی نمونه میشود.مورد نظر بر اساس استاندارد D638 مدل سازی انداز شده و افزایش تنش، ناشی از تمرکز تنش که در اثر تغییر جوشکل محلش حاصل میشود و تاثیر آن بر استحکام نمونه‌ی مورد نظر بررسی شده است.    
در سراسر این تحقیق فرض شده:
– جوش بدون هیچگونه نقصی انجام شده منطقه جوش عاری از هیچگونه ترک میباشد.
– از تنشهای پسماند در جوش صرف نظر شده است.

روش تحقیق
در این مقاله با استفاده از روش المان محدود و به کمک نرم افزار انسیس، افزایش یا کاهش تنش در قطعه نمونه به ازای تغییرات ایجاد شده در هندسه جوش را مورد بررسی قرار می‌دهیم. بدین منظور، نمونه‌ی مورد نظر را در نرم افزار انسیس مدل‌ سازی نموده و پس از شبکه بندی دقیق و قرار دادن بار کششی 5 مگا پاسکال به تحلیل آن پرداخته میشود.

مدل قطعه
به منظور بررسی تمرکز تنش، نمونه استاندارد D638 از محل اتصال در لوله پلی اتیلن چگالی بالا HDPE که با استفاده از جوش صفحه داغ به هم متصل شده‌اند، مانند آنچه که در شکل نشان داده شده تهیه شده است. همچنین با توجه به شرایط استاندارد اندازه برآمدگی جوش صفحه داغ لوله مقادیر مناسب این برآمدگی در شکل نشان داده شده. در این مورد از لوله با قطر 75 میلیمتر و ضخامت 3 میلیمتر استفاده شده است. ابعاد نمونهD638 نیز در شکل3 بطور کامل نشان داده شده است. همچنین در شکل شعاع زائده جوش و زاویه جوش نیز نمایش داده شده اند .

مدل المان محدود
در مدل سازی نمونه‌ی مورد نظر، از المان 20 گرهای 95 که کلیه‌ی گره های آن دارای سه درجه آزادی میباشند، استفاده شده است. شکل  نمونه‌ی شبکه بندی شده‌ی این مدل را نشان دلیل میدهد. به حساس بودن اندازه ی تنش در محل اتصال، نقاط اطراف گره جوش مجدداً با المانهای ریزتر شبکه بندی شده‌اند.

نتایج و بحث
در شکل زیر توزیع تنش در نقاط مختلف قطعه مشخص شده است. با توجه به این شکل مشخص است که مقدار تنش در زاویه برآمدگی جوش به حداکثر مقدار خود میرسد، که در بخش‌های زیر به تفصیل در مورد تاثیر هر پارامتر بر تنش در این نقطه بحث شده است.

تاثیر زاویه جوش بر ضریب تمرکز تنش
با توجه به نمودار رسم شده در شکل 6 مشخص است که با افزایش زاویه جوش ضریب شدت تنش نیز افزایش می یابد. این افزایش به ازای افزایش زاویه از 45 درجه تا 135 درجه فقط حدود 0/3 است.

تاثیر ضخامت ورق
تأثیر ضخامت ورق نیز بر روی مقدار تمرکز تنش در صورت ثابت ماندن بقیه پارامترها بررسی گردید. نتایج حاصل حاکی از آن بود که با افزایش ضخامت ورق تمرکز تنش نیز به مقدار کمی افزایش مییابد. بر اساس نتایج بدست آمده چنین استنباط میشود که به طور کلی، تأثیر ضخامت ورق در اندازه‌های پایین (زیر 20 میلیمتر) بر تمرکز تنش بسیار اندک و قابل صرف نظر کردن است.

نتیجه‌گیری
1- تغییر شکل ایجاد شده در جوش صفحه داغ پلاستیکها میتواند باعث بوجود آمدن تمرکز تنش زیادی در قطعه شود.
2- برای برطرف کردن تمرکز تنش میتوان از عملیات سایش یا پس جوش برای افزایش شعاع زائده جوش که باعث کاهش تمرکز تنش میشود استفاده کرد.
3 – تغییر زاویه جوش و ضخامت قطعه تاثیر کمی بر تمرکز تنش ایجاد شده در جوش دارد.

مراجع
1- Berge S."On the effect of plate thickness in fatigue of welds",Eng. Fract Mech., 1985;21(2):423–35. 2- Martins Ferreira JA, Moura Branco CA. "Influence of the radius of curvature at the weld toe in the fatigue
strength of fillet welded joints". Int. J. Fatigue 1989; 11(1):29–36. 3- Nguyen TN, Wahab MA. A., "theoretical study of the effect of weld geometry parameters on fatigue crack
propagation life", Engng Fract Mech., 1995; 51(1):1 –18. 4- Nguyen T.N, Wahab M.A., "The effect of residual stresses and weld geometry on the improvement of fatigue
life", J.Mater Process Technol, 1995;48:581 –8.
5-Astm standard:D638 Standard test method for tensile properties of plastics.
6-The Plastic Pipe Institute, Handbook of Polyethylene Pipe, Washington DC, 2006.

 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید