The FEM-based numerical analysis of welding distortions in spatial-flat elements of large-sized welded structures

• Autorzy: Pikuła Janusz , Pfeifer Tomasz , Niagaj Jerzy

Identyfikatory

DOI

10.17729/ebis.2019.4/2

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna MES odkształceń spawalniczych elementów przestrzenno-płaskich stosowanych w wielkogabarytowych konstrukcjach spawanych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The issue of welding distortions concerns both large welded structures such as bridges, storage tanks and elements of welded building structures as well as small and precise elements. Particularly susceptible to welding distortions are thin-walled structures, in which hard-to-predict welding distortions are responsible for serious technical problems. This paper presents the results concerning the welding of spatial and flat elements used in large-sized welded structures in terms of welding distortions. Due to their geometry, large welded structures may be the source of complex welding distortions, e.g. corrugations. The research-related works discussed in the article were carried out using the finite element method (FEM). The validation of FEM model of the welding process was performed using an optical system measuring welding distortions of an actual structure.

PL

Problem odkształceń spawalniczych dotyczy zarówno dużych konstrukcji spawanych takich, jak konstrukcje mostowe, zbiorniki magazynowe i elementy spawanych konstrukcji budowlanych, jak również niewielkich, precyzyjnych elementów. Szczególnie podatne na odkształcenia spawalnicze są konstrukcje cienkościenne, w których trudno przewidywalne odkształcenia spawalnicze powodują poważne problemy techniczne. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań spawania elementów przestrzenno-płaskich stosowanych w wielkogabarytowych konstrukcjach spawanych w aspekcie odkształceń spawalniczych, w których, ze względu na ich geometrię, istnieje możliwość powstania złożonych odkształceń spawalniczych (np. pofałdowań). Badania przeprowadzono przy użyciu metody elementów skończonych (MES), a walidację modelu numerycznego MES spawania przeprowadzono przy użyciu pomiaru systemem optycznym spawalniczych odkształceń rzeczywistej konstrukcji.

Słowa kluczowe

EN

welding strains; numerical modelling; FEM; Finite Element Method; reduction of welding strains; welded structures

PL

odkształcenia spawalnicze; modelowanie numeryczne; MES; metoda elementów skończonych; redukcja odkształceń spawalniczych; konstrukcje spawane

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 63, No. 4
• Strony: 15--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Pikuła Janusz

• Łukasiewicz – Instytut Spawalnictwa, Testing of Materials Weldability and Welded Constructions Department

autor

Pfeifer Tomasz

• Professor at Łukasiewicz – Instytut Spawalnictwa, Welding Technologies Department

autor

Niagaj Jerzy

• Professor at Łukasiewicz – Instytut Spawalnictwa, Welding Technologies Department

Bibliografia

• [1] Mizerski J.: Spawanie. Wiadomości podstawowe. Wyd. REA, Warszawa, 2005.
• [2] PN-EN 1090-2:2018-09 Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych - Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych. http://pspaw.pl/index.php/pspaw/article/view/228
• [3] Pilarczyk J., Pilarczyk J.: Spawanie i napawanie elektryczne metali. Wyd. Śląsk Sp. z o.o., Katowice, 1996.
• [4] Badanie wpływu warunków spawania wysokowytrzymałych stopów aluminium i lutospawania stali metodą MIG na własności połączeń i ich jakość. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa, Gliwice, 2004.
• [5] Kiszka A., Pfeifer T.: Spawanie cienkich blach stalowych z powłokami ochronnymi metodą MAG prądem o zmiennej biegunowości. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2012, no. 2. http://bulletin.is.gliwice.pl/article/braze-welding-zinc-coated-steel-sheets
• [6] Gawrysiuk W., Pfeifer T., Winiowski A.: Charakterystyka technologii lutospawania łukowego MIG/MAG. Przegląd Spawalnictwa, 2005, no. 2-3.
• [7] Bruckner J.: Metoda CMT - rewolucja w technologii spawania. Przegląd Spawalnictwa, 2009, no. 7-8.
• [8] Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie - Skurcze i inne odkształcenia spawalnicze. www.konstrukcjeinzynierskie.pl/internauci/123-na-zyczenie-internautow-2014/1172-skurcze-i-inne-odksztalcenia-spawalnicze (accessed on 25.01.2018).
• [9] Distortion Control - Prevention by fabrication techniques - Job Knowledge 36. www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/distortion-control-prevention-by-fabrication-techniques-036.aspx (accessed on 21.01.2019).
• [10] Kelly S.M., Martukanitz R.P., Reutzel E.W.: Minimizing buckling distortion in welding by hybrid laser-arc welding. Minimization of Welding Distortion and Buckling - 9. Modelling and Implementation, Woodhead Publishing Series in Welding and Other Joining Technologies, 2011. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845696627500096?via%3Dihub
• [11] Mazar Atabaki M., Nikodinovski M., Chenier P., Ma J., Liu W., Kovacevic R.: Experimental and numerical investigations of hybrid laser arc welding of aluminum alloys in the thick T-joint configuration. Optics & Laser Technology, 2014, vol. 59. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399213004581?via%3Dihub
• [12] Kokot G., John A., Górka J.: Wspomaganie procesu spawania z wykorzystaniem MES. Przegląd Mechaniczny, 2008, no. 5.
• [13] Kelly S.M., Martukanitz R.P.: Minimizing buckling distortion in welding by hybrid laser-arc welding. Minimization of Welding Distortion and Buckling. Modelling and Implementation, Woodhead Publishing, 2011. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845696627500096?via%3Dihub
• [14] Jiang W., Yahiaoui K.: Effect of welding sequence on residual stress distribution in a multipass welded piping branch junction. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2012, vol. 95. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308016112000610?via%3Dihub
• [15] Wang J., Yuan H., Ma N., Murakawa H.: Recent research on welding distortion prediction in thin sheet fabrication by means of elastic FE computation. Marine Structures, 2016, vol. 47. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0951833916000095?via%3Dihub
• [16] Hübner A., Teng J.G., Saal H.: Buckling behaviour of large steel cylinders with patterned welds. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2006, vol. 83. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308016105001298?via%3Dihub
• [17] Heinze C., Schwenk C., Rethmeier M.: The effect of tack welding on numerically calculated welding-induced distortion. Journal of Materials Processing Technology, 2012, vol. 212, no. 1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013611002755?via%3Dihub
• [18] Li Y., Wang K., Jin Y., Xu M., Lu H.: Prediction of welding deformation in stiffened structure by introducing thermo-mechanical interface element. Journal of Materials Processing Technology, 2015, vol. 216 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013614003793?via%3Dihub.
• [19] Fricke W., Zacke S.: Application of welding simulation to block joints in shipbuilding and assessment of welding-induced residual stresses and distortions. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2014, vol. 6, 2014. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2092678216303144?via%3Dihub
• [20] Barsoum Z., Bhatti A.A., Balawi S.: Computational Weld Mechanics – Towards a Simplified and Cost Effective Approach for Large Welded Structures. Procedia Engineering, 2015, vol. 114. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705815016793?via%3Dihub
• [21] Fu G., Lourenço M.I., Duan M., Estefen S.F.: Influence of the welding sequence on residual stress and distortion of fillet welded structures. Marine Structures, 2016, vol. 46, 2016. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0951833915001021?via%3Dihub
• [22] Zhou Q., Wang Y., Choi S-K, Cao L., Gao Z.: Robust optimization for reducing welding-induced angular distortion in fiber laser keyhole welding under process parameter uncertainty. Applied Thermal Engineering, 2018, vol. 129 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431117338371?via%3Dihub.
• [23] Park J., An G.: Prediction of the welding distortion of large steel structure with mechanical restraint using equivalent load methods. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2017, vol. 9. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209267821630512X?via%3Dihub
• [24] Wang H., Wang Z., Bai P., Hu S., Zhang Y., Wang R.: Optimized segmented heat source for the numerical simulation of welding-induced deformation in large structures. Advances in Engineering Software, 2018, vol. 117. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0965997817307354?via%3Dihub
• [25] RFEM - Wielofunkcyjny, łatwy i intuicyjny, www.dlubal.com/pl/produkty/rfem/podstawowe-informacje (accessed on 21.01.2019)
• [26] Giętka T., Ciechacki K., Chudziński M.: Kryteria wyboru technologii spawania zbiornika magazynowego. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2012, no. 5.
• [27] Kowalski D.: Wpływ imperfekcji wykonawczych na stan naprężeń w płaszczu stalowego zbiornika walcowego o osi pionowej. Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej, Katedra Konstrukcji Metalowych, 2004. https://search.crossref.org/references
• [28] PN-EN 1993-1-3:2008 Eurokod 3 - Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 1-3: Reguły ogólne - Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno
• [29] Ziółko J.: Imperfekcje stalowych zbiorników walcowych, przyczyny ich powstawania, metody ograniczania. Materiały konferencyjne “Problemy Eksploatacyjne Baz Magazynowych Produktów Naftowych”, Poznań, 11-12.05.1999.
• [30] Myśliwiec M.: Spawalnictwo okrętowe. Wydawnictwo Morskie, Gdynia, 1966.
• [31] Doerffer J.: Technologia budowy kadłubów okrętowych. Wydawnictwo Morskie, Gdynia, 1967.
• [32] Analiza numeryczna MES spawania hybrydowego (HLAW) w aspekcie odkształceń spawalniczych łączonych elementów. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa, Gliwice, 2017.
• [33] ASTM International, ASTM A131 / A131M - 14. Specification for Structural Steel for Ships.

Uwagi

PL

Wersja polska artykułu w wydaniu papierowym s. 38-45.