Zarys wykorzystania symulacji MES w analizie oddziaływania niezgodności spawalniczych na cechy eksploatacyjne konstrukcji spawanych

Niezgodności spawalnicze występują zawsze w złączach spawanych i obniżając ich wytrzymałość, decydują o bezpieczeństwie użytkowania konstrukcji. Niezgodności spawalnicze powodują znaczne zwiększenie naprężeń lokalnych. W normach stosowanych do obliczeń wytrzymałościowych, dotyczących na przykład rurociągów, zjawisko to nie jest bezpośrednio ujęte. Jedynym stosowanym podejściem jest używanie kilkunastoprocentowych współczynników bezpieczeństwa, zależnych między innymi od typu spoiny. Zakładanie na etapie projektowania wymaganego poziomu jakości spoin także nie odpowiada współczesnym wymogom bezpieczeństwa, ponieważ służy jedynie do kontroli jakości procesu spawalniczego. W normach stosowanych do projektowania nie ujęto związku pomiędzy poziomem jakości spoiny a zalecanym współczynnikiem bezpieczeństwa. Obecnie, mając do dyspozycji symulacje MES, możliwa jest analiza wartości naprężenia lokalnego. Podstawowym celem pracy jest zbadanie i przedstawienie wpływu dodatkowych czynników na rozkład pola naprężenia w złączu spawanym zawierającym 10 różnego typu niezgodności. Do realizacji tego zadania użyto programów modelujących skomplikowane kształty przestrzenne oraz algorytmów symulacyjnych pracujących w oparciu o metodę elementów skończonych (MES). Wybór tej metody wynika z faktu, że w ciągu ostatniej dekady miał miejsce znaczący rozwój zarówno możliwości obliczeniowych komputerów, jak i jakości komercyjnych programów symulacyjnych pracujących w oparciu o tę metodę. Tekst poszczególnych rozdziałów uzupełniony został o rysunki, schematy i tabele, jak również wzory i przykładowe wyliczenia określonych wartości związanych z omawianymi zagadnieniami.

1 WSTĘP 2 NIEZGODNOŚCI SPAWALNICZE I ICH WPŁYW NA WYTRZYMAŁOŚĆ ZŁĄCZY SPAWANYCH 3 WPROWADZENIE DO METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH 3.1 ZASADY DYSKRETYZACJI 3.1.1 Warunki brzegowe 3.1.2 Zasady doboru elementu skończonego 3.2 KONCENTRACJA NAPRĘŻENIA 3.3 OSOBLIWOŚCI NAPRĘŻENIA A ZASADA DE SAINT – VENANTA 3.4 PODSTAWOWE RÓWNANIA ROZWIĄZYWANE W SYMULACJI 3.5 PRZYKŁAD UŻYCIA METODY MES W OBLICZENIACH STATYCZNYCH 3.5.1 Podział obiektu na elementy skończone 3.5.2 Ogólny opis metody rozwiązania 3.5.3 Budowa równań dla pojedynczego elementu 3.5.4 Połączenie elementów skończonych i równań w obiekt wejściowy 3.5.5 Zastosowanie obciążeń oraz warunków brzegowych 3.5.6 Rozwiązanie układu równań 4 PODSUMOWANIE PRZEGLĄDU LITERATURY DOTYCZĄCEJ OMAWIANEGO ZAGADNIENIA 5 ZAKRES OPRACOWANIA 6 METODYKA BADAŃ 6.1 WALIDACJA SYMULACJI 6.2 KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ STATYCZNYCH 6.3 KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ ZMĘCZENIOWYCH 6.4 ELEMENTY MECHANIKI PĘKANIA 6.5 WERYFIKACJA PROGRAMU ZA POMOCĄ ROZWIĄZANIA ZAGADNIENIA PĘKANIA 7 BADANIE ZŁĄCZY 7.1.1 Statyczna próba rozciągania materiału rodzimego i dodatkowego 7.1.2 Wykonanie spawanych złączy próbnych z niezgodnościami 7.1.3 Statyczna próba rozciągania złączy spawanych 7.1.4 Metalograficzne badania mikroskopowe 7.1.5 Metalograficzne badania makroskopowe 8 SYMULACJE 8.1 ODWZOROWANIE SWC SPOINY W SYMULACJACH MES 8.2 SYMULACJA NIEZGODNOŚCI GRUPY 100 – PĘKNIĘCIA 8.2.1 Badanie istnienia osobliwości naprężenia 8.2.2 Omówienie wyników symulacji 8.2.3 Zastosowanie mechaniki pękania w ocenie niezgodności 8.2.4 Współczynnik KI w niezgodności pęknięć 8.2.5 Analiza zmęczeniowa niezgodności nr 1014 i 617 8.2.6 Przykład nr 2: wyznaczenie wytrzymałości zmęczeniowej 8.2.7 Koncepcja wady równoważnej w aspekcie niezgodności nr 1014 8.2.8 Ocena zapisów normy Eurokod EN 1993 w świetle symulacji 8.3 SYMULACJA NIEZGODNOŚCI 2011 – POROWATOŚĆ 8.3.1 Badanie istnienia osobliwości naprężenia 8.3.2 Omówienie wyników symulacji 8.3.3 Zastosowanie mechaniki pękania w ocenie niezgodności nr 2011 8.3.4 Symulacje zmęczeniowe w ocenie niezgodności nr 2011 8.4 SYMULACJA NIEZGODNOŚCI NR 2013 – GRUPA POROWATOŚCI 8.5 SYMULACJA NIEZGODNOŚCI 4011 – PRZYKLEJENIE 8.5.1 Badanie istnienia osobliwości naprężenia 8.5.2 Omówienie wyników symulacji 8.5.3 Wyznaczenie współczynników KI niezgodności nr 4011 8.5.4 Analiza zmęczeniowa niezgodności nr 4011 8.6 SYMULACJA NIEZGODNOŚCI NR 4021 – BRAK PRZETOPU 8.6.1 Badanie istnienia osobliwości naprężenia 8.6.2 Omówienie wyników symulacji 8.6.3 Analiza zmęczeniowa 8.7 ANALIZA WPŁYWU NIEZGODNOŚCI NA CZĘSTOTLIWOŚĆ DRGAŃ WŁASNYCH 9 WNIOSKI 10 PRAKTYCZNE WYKORZYSTANIE SYMULACJI 10.1 PRZYPADEK NR 1 – ANALIZA NIEZGODNOŚCI 507 10.1.1 Symulacja naprężenia w złączu 10.1.2 Wyniki symulacji 10.2 PRZYPADEK NR 2 – ANALIZA PĘKNIĘCIA ZŁĄCZA 10.2.1 Symulacja MES złącza 10.2.2 Kombinacja obciążenia 10.2.3 Wyniki symulacji 10.2.4 Wnioski 10.3 PRZYKŁAD 3 – UTRATA ZAPASU BEZPIECZEŃSTWA ŚCIANY SZCZELNEJ WSKUTEK OBECNOŚCI NIEZGODNOŚCI SPAWALNICZYCH 10.3.1 Badania mikroskopowe 10.3.2 Symulacja MES ZAKOŃCZENIE LITERATURA STRESZCZENIE SUMMARY