SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZAVOD ZA ZRAKOPLOVSTVO

KATEDRA ZA AERODINAMIKU

PROJEKT KRP

Utjecaj zaostalih naprezanja uslijed zavarivanja na rast zamornih pukotina

dr.sc. Željko Božić

Toni Begović

0035164782

Zagreb,

I

SadržajPopis slika............................................................................................................................................. III

1. Uvod..............................................................................................................................................1

2. Zaostala naprezanja.......................................................................................................................1

2.1. Vrste zaostalih naprezanja.....................................................................................................1

2.2. Nepovoljni utjecaji zaostalih naprezanja...............................................................................2

2.3. Mjere za smanjenje zaostalih naprezanja..............................................................................2

2.4. Raspodjela zaostalih naprezanja............................................................................................3

3. Model............................................................................................................................................4

4. Rezultati.........................................................................................................................................5

Popis slikaSlika 1: Zaostala naprezanja unutar orebrenog panela..........................................................................3Slika 2: Orebreni panel u meshiranom nedeformiranom stanju............................................................4Slika 3: Rezultati analize faktora intenzivnosti naprezanja s povećanjem pukotine..............................5

1. UvodU ovom radu proučavano je ponašanje faktora intenzivnosti naprezanja tijekom iniciranja i

propagacije pukotine na modelnoj ploči s ukrutama. Naglasak je na utjecaju zaostalih naprezanja na faktor intenzivnosti naprezanja. Simulacija je modelirana i provedena u programskom paketu ANSYS 14.

2. Zaostala naprezanjaZa vrijeme i nakon zavarivanja, termičkog rezanja ili žlijebljenja javljaju se zaostala

naprezanja i deformacije. Zbog pojmovnog razlikovanja zaostala naprezanja od zavarivanja nazivaju se i zaostale napetosti.

Uzrok zaostalih naprezanja je lokalno unošenje topline. Kada se pri zagrijavanju ili hlađenju javljaju naprezanja u bilo kojoj zoni preko Re (granice razvlačenja) dolazi do trajnih deformacija, tada će se nakon potpunog hlađenja u tom dijelu javiti zaostala naprezanja. Zaostala naprezanja se javljaju i u hladno deformiranim predmetima, pri toplinskim obradama u odljevcima i otkovcima, pri svakom lokalnom grijanju na temperature kada materijal prelazi u plastično stanje. I brušenje sa jakim lokalnim zagrijavanjem rezultirat će vlačnim zaostalim naprezanjima.

2.1.Vrste zaostalih naprezanjaZaostala naprezanja mogu se podijeliti prema dimenzijama u kojima ih se promatra:

I. vrsteo Makro dimenzije.o Područja preko 1 mm.

II. vrsteo Mikro dimenzije.o Područja od 1 do 0,01 mm.o Unutar kristalnih zrna, između lamela Fe3C lamela ferita u strukturi perlita

(uslijed različitih koeficijenata linearnog toplinskog rastezanja javljaju se naprezanja).

III. vrste o Submikroskopske dimenzije.o 10-2 do 10-6 mm.o Javljaju se uslijed nepravilnosti kristalne rešetke.

Također, ova naprezanja se mogu podijeliti i prema smjeru svog djelovanja:

σx (u smjeru osi zavara) σy (poprečno na smjer zavara) σz (okomito na debljinu zavara, u smjeru debljine lima)

1

2.2.Nepovoljni utjecaji zaostalih naprezanja Zbrajanjem radnih i zaostalih naprezanja smanjuje se nosivost konstrukcije.

Kod debelostjenih konstrukcija zaostale napetosti su troosne što povećava sklonost krhkom lomu i olakšava inicijaciju i propagaciju pukotina. Posebno nepovoljne su vlačne zaostale napetosti.

Visoka razina vlačnih ZN i zbroj radnih i ZN povećava sklonost pojavi pukotina zbog korozije uz naprezanje kao i drugim vrstama korozije. Bitno se smanjuje i dinamička nosivost pri visokim vlačnim naprezanjima.

Deformacije, koje predstavljaju odstupanja od teorijskog oblika (pravac, ravnina, kružnica, valjak, kugla) uzrokuju dodatna naprezanja na savijanje, smanjuju stabilnost konstrukcije, pa je pouzdanost deformiranih elemenata smanjena. Stezanja i deformacije se ne mogu izbjeći, ali se mogu spriječiti prevelika odstupanja od teorijskog oblika.

2.3.Mjere za smanjenje zaostalih naprezanjaNije moguće potpuno spriječiti odnosno otkloniti zaostale napetosti, ali postoje razne mjere

za smanjenje njihovog iznosa. Mjere koje se koriste za smanjenje zaostalih deformacija, ali ujedno smanjuju i razinu zaostalih naprezanja su:

Smanjenje količine depozitao Dakle, presjeka i debljine zavara, dužine i broja zavara, broja prolaza i unosa topline.

Ove mjere smanjuju količinu lokalno unešene topline. Korištenje steznih naprava

o Ako se učvrste limovi onemogućuje se slobodno stezanje, što će bitno smanjiti kutne deformacije.

Stavljanje izvan pravog položajao Kada se zna kolika su stezanja ili kutne deformacije nakon zavarivanja, sklop se može

postaviti za tu vrijednost izvan pravog položaja, da bi deformacije dovele nakon zavarivanja predmete u željeni položaj.

Predsavijanjeo Moguće je u suprotnom smjeru od kutnih deformacija deformirati - predsaviti npr.

lamele I nosača prije zavarivanja. Slijed zavarivanja

o Zavarivanje od jednog kraja predmeta do drugog kraja je najjednostavnije, ali daje najveća naprezanja i deformacije na kraju zavara. Zato se primjenjuju različite tehnike pri polaganju pojedinih prolaza:

- u jednom smjeru (nepovoljno),- povratni korak (rakov korak),- na preskok,- u blokovima,- kaskadno.

2

2.4.Raspodjela zaostalih naprezanjaUtvrđivanje faktora intenzivnosti naprezanja iz rezultata konačnih elemenata je jedan od

osnovnih zadataka u numeričkoj mehanici loma. U ovom radu je računat samo faktor intenziteta naprezanja povezan s prvim načinom otvaranja pukotine, KI.

U ovom radu pretpostavlja se pravokutna raspodjela zaostalih naprezanja, gdje je maksimum funkcije upravo jednak vlačnoj čvrstoći materijala, dok u minimumu pada u iznosu koji zadovoljava uvjet međusobnog uravnoteženja unutar materijala. Raspodjelu zaostalih naprezanja po y-osi prikazuje SLIKA 1 .

Slika 1: Zaostala naprezanja unutar orebrenog panela

3

3. ModelModelna ploča predstavlja jednu četvrtinu orebrenog panela dimenzija 300x120 mm, te

rebrima duljine 20 mm po cijeloj visini ploče. Model prikazuje SLIKA 2 . Na linijama (i površinama) koje leže na simetralama cijele ploče primijenjen je uvjet simetričnosti (naredba DL u ANSYS v.14).

Slika 2: Orebreni panel u meshiranom nedeformiranom stanju

4

4. RezultatiSimulacija je provedena na 80 točaka koje predstavljaju rast pukotine, od 4 do 70 mm

veličine pukotine.

0

5

10

15

20

25

30

35 KI

KIapp

KItot

KItot - korigi-rano

Slika 3: Rezultati analize faktora intenzivnosti naprezanja s povećanjem pukotine

Zelena linija predstavlja faktor intenzivnosti naprezanja u slučaju izmijenjenih vrijednosti naprezanja unutar rebara panela. Razlikuje se od osnovnih rezultata na razini 0,01 razlike.

5