Numerical simulation and the improved welding of storage tank heads with respect to minimised welding strains

• Autorzy: Czech Robert , Mróz Marek , Pikuła Janusz , Spólnik Marcin , Kupiec Bogdan , Dec Andrzej , Węglowski Marek

Identyfikatory

DOI

10.32730/mswt.2023.67.5-6.6

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie symulacji numerycznej w procesie doskonalenia technologii spawania den zbiorników magazynowych w aspekcie minimalizacji ich odkształceń spawalniczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents results of Sysweld software programme-based tests involving the use of numerical simulation in the improvement of the welding of a storage tank head with respect to the minimisation of welding strains (distortions). The development of CAD models and mock-ups used in the FEM analysis was based on drawing documentation. The numerical simulation concerning the distribution of the field of displacements in the storage tank head was performed for four models, involving various welding sequences and directions. Related analyses involved the initial model applied in the technology currently used in the fabrication of storage tank heads as well as three new models (of welding sequences and directions). The comparative analysis, involving the initial model and the three new models, was concerned with different values of displacements in all directions (X, Y and Z) and at all characteristic points of the storage tank head. The simulation results revealed the existence of correlations between welding sequence and directions and varied distributions of fields of displacements (strains/distortions). Post-weld distributions of fields of displacements in the initial model and models 2-4 were characterised by varied values of displacements, yet also by the similar nature of tank head stress-triggered distortions. Dimensionally relevant displacements (distortions) of the storage tank head were observed in direction Z (i.e. direction perpendicular to the surface). In all the models subjected to analysis, the greatest displacements were identified in the areas of storage tank head nodes. Selected welding stages in the initial model were characterised by greater displacements than those observed in models 2-4. In line 1, higher values were observed at stages 8-10, 12 and 13. In turn, in line 2, higher values were observed at stages 8-10. In addition, in line 2, stages 11-14 were characterised by greater displacements in the initial model if compared with those identified in models 3 and 4. The FEM-based analysis of the tank head enabled the qualitative verification of tank-related welding schemes in terms of welding strains.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących wykorzystania symulacji numerycznej w procesie doskonalenia technologii spawania dna zbiornika magazynowego, w aspekcie minimalizacji odkształceń spawalniczych. Na podstawie dokumentacji rysunkowej wykonano modele CAD i makiety do analizy MES. W badaniach wykorzystano program Sysweld. Symulację numeryczną rozkładu pola przemieszczeń dna zbiornika magazynowego wykonano dla czterech modeli, wariantów kolejności i kierunku układania spoin. Analizowano model wyjściowy stosowany w dotychczasowej technologii wytwarzania dna zbiornika oraz trzy nowe modele kolejności i kierunku układania spoin. Dokonano analizy porównawczej nowych modeli względem modelu wyjściowego, w aspekcie różnic pomiędzy wartościami przemieszczeń we wszystkich kierunkach (X, Y, Z), w charakterystycznych punktach dna zbiornika magazynowego. Uzyskane wyniki wskazują, że zastosowanie różnych kolejności i kierunków wykonania spoin podczas spawania dna zbiornika magazynowego skutkowało uzyskaniem różnych wartości w rozkładzie pola przemieszczeń (odkształceń). Rozkłady pola przemieszczeń po zakończonym procesie spawania w modelu wyjściowym i w modelach 2.-4. charakteryzowały się występowaniem różnic w wartościach przemieszczeń, przy zachowaniu podobnego charakteru odkształceń dna zbiornika w wyniku oddziaływania naprężeń. Istotne wymiarowo przemieszczenia (odkształcenia) dna zbiornika magazynowego występowały w kierunku Z, prostopadłym do jego powierzchni. We wszystkich analizowanych modelach kolejności i kierunku wykonania spoin największe przemieszczenia stwierdzono w obszarze wierzchołków dna zbiornika magazynowego. Na wybranych etapach spawania w modelu wyjściowym występowały większe przemieszczenia względem modeli 2.-4. W linii 1 większe wartości stwierdzono na etapach 8.-10., 12. i 13., natomiast w linii 2 na etapach 8.-10. W linii 2 na etapach 11.-14. stwierdzono większe przemieszczenia modelu wyjściowego względem modeli 3. i 4. Przeprowadzona analiza MES makiety dna zbiornika umożliwiła jakościową weryfikację planów spawania zbiornika z punktu widzenia odkształceń spawalniczych.

Słowa kluczowe

EN

MAG; numerical simulation; storage tank; large-size structure; welding strains

PL

MAG; symulacja numeryczna; zbiornik magazynowy; konstrukcja wielkogabarytowa; odkształcenia spawalnicze

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Materials Science and Welding Technologies / Technologie Materiałowe i Spawalnicze
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 67, No. 5-6
• Strony: art. no. 6
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Czech Robert

• Naftoremont-Naftobudowa Sp. z o.o.

autor

Mróz Marek

• Rzeszow University of Technology [Politechnika Rzeszowska, Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa]

• https://orcid.org/0000-0002-7433-4092

autor

Pikuła Janusz

• Łukasiewicz Research Network – Upper Silesian Institute of Technology [Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny, Centrum Spawalnictwa]

• https://orcid.org/0000-0003-3312-7537

autor

Spólnik Marcin

• Naftoremont-Naftobudowa Sp. z o.o.

autor

Kupiec Bogdan

• Rzeszow University of Technology [Politechnika Rzeszowska, Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa]

• https://orcid.org/0000-0002-4308-7834

autor

Dec Andrzej

• Rzeszow University of Technology [Politechnika Rzeszowska, Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa]

• https://orcid.org/0000-0002-1097-6782

autor

Węglowski Marek

• Łukasiewicz Research Network – Upper Silesian Institute of Technology [Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny, Centrum Spawalnictwa]

• https://orcid.org/0000-0002-7082-0069

Bibliografia

• [1] Pilarczyk J. [red.] at all: Poradnik inżyniera. Spawalnictwo, cz. 1. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2021.
• [2] Pilarczyk J., Pilarczyk J.: Spawanie i napawanie elektryczne metali. Wyd. Śląsk, Katowice 1996.
• [3] Pikuła J., Pfeifer T., Mendakiewicz J.: Influence of the shielding gas on the properties of VP MIG/MAG braze-welded joints in zinc coated steel sheets. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, 2014, vol. 58, no. 1, pp. 35-41.
• [4] Kiszka A., Pfeifer T.: Spawanie cienkich blach stalowych z powłokami ochronnymi metodą MAG prądem o zmiennej biegunowości. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, vol. 56, no. 2, 2012, pp. 39-43.
• [5] Gawrysiuk W., Pfeifer T., Winiowski A.: Charakterystyka technologii lutospawania łukowego MIG/MAG. Przegląd Spawalnictwa, 2005, no. 2-3, pp. 17.
• [6] Bruckner J.: Metoda CMT – rewolucja w technologii spawania. Przegląd Spawalnictwa, 2009, no. 7-8, pp. 24.
• [7] Lee S.H., Kim E.S., Park J.Y., Choi J.: Numerical analysis of thermal deformation and residual stress in automotive muffler by MIG welding. Journal of Computational Design and Engineering, 2018, vol. 5, pp. 382-390.
• [8] Perić M., Seleš K., Tonković Z., Lovrenić-Jugović M.: Numerical simulation of welding distortions in large structures with a simplified engineering approach. Open Physics, 2019, vol. 17, pp. 719-730.
• [9] Domański T., Piekarska W., Saternus Z., Kubiak M., Stano S.: Numerical Prediction of Strength of Socket Welded Pipes Taking into Account Computer Simulated Welding Stresses and Deformations. Materials, 2022, vol. 15, 3243.
• [10] Islam M., Buijk A., Rais-Rohani M., Motoyama K.: Simulation-based numerical optimization of arc welding process for reduced distortion in welded structures. Finite Elements in Analysis and Design, 2014, vol. 84, pp. 54-64.
• [11] Potukutchi R., Agrawal H., Perumalswami P.: Fatigue Analysis of Steel MIG Welds in Automotive Structures. SAE Technical Paper Series. 2004 SAE World Congress, Detroit, Michigan, March 8-11, 2004.
• [12] Prakash R., Gangradey R.: Review of high thickness welding analysis using SYSWELD for a fusion grade reactor. Fusion engineering and Design, 2013, vol. 88, pp. 2581-2584.
• [13] Farias R.M., Teixeira P.R.F., Araújo D.B.: Thermo-mechanical analysis of the MIG/MAG multi-pass welding process on AISI 304L stainless steel plates. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2017, vol. 39, pp. 1245-1258.
• [14] Ogino Y., Hirata Y., Murphy A.B.: Numerical simulation of GMAW process using Ar and an Ar–CO2 gas mixture. Weld World, 2016, vol. 60, pp. 345-353.
• [15] Zhu W., Xu Ch., Zeng L.: Coupled finite element analysis of MIG welding assembly on auto-body high-strength steel panel and door hinge. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, vol. 51, pp. 551-559.
• [16] Sakri A., Guidara M., Elhalouani F.: Numerical simulation of MIG type arc welding induced residual stresses and distortions in the sheets of S235 steel. Materials Science and Engineering, 2010, vol. 13, 012020.
• [17] Barsoum Z., Lundbäck A.: Simplified FE welding simulation of fillet welds − 3D effects on the formation residual stresses. Engineering Failure Analysis, 2009, vol. 16, pp. 2281-2289.
• [18] Li W., Yu R., Huang D., Wu J., Wang Y., Hu T., Wang J.: Numerical simulation of multi-layer rotating arc narrow gap MAG welding for medium steel plate. Journal of Manufacturing Processes, 2019, vol. 45, pp. 460-471.
• [19] Perić M., Tonković Z., Rodić A., Surjak M., Garašić I., Boras I., Švaić S.: Numerical analysis and experimental investigation of welding residual stresses and distortions in a T-joint fillet weld. Materials and Design, 2014, vol. 53, pp. 1052-1063.
• [20] Vemanaboina H., Akella S., Buddu R.K.: Welding process simulation model for temperature and residual stress analysis. Procedia Materials Science, 2014, vol. 6, pp. 1539-1546.
• [21] Varma Prasad V.M., Joy Varghese V.M., Suresh M.R., Siva Kumar D.: 3D simulation of residual stress developed during TIG welding of stainless-steel pipes. Procedia Technology, 2016, vol. 24, pp. 364-371.
• [22] Koňár R., Patek M.: Numerical simulation of dissimilar weld joint in Sysweld simulation software. Tehnički vjesnik, 2017, vol. 24, Suppl. 1, pp. 137-142.
• [23] Deng D.: FEM prediction of welding residual stress and distortion in carbon steel considering phase transformation effects. Materials and Design, 2009, vol. 30, pp. 359-366.
• [24] Han Y., Chen J., Ma H., Zhao X., Wu Ch., Gao J.: Numerical simulation of arc and droplet behaviors in TIG-MIG hybrid Welding. Materials, 2020, vol. 13, 4520.
• [25] Finch D.M., Burdekin F.M.: Effects of welding residual stresses on significance of defects in various types of welded joint. Engineering Fracture Mechanics, 1992, vol. 41, no. 5, pp. 721-735.
• [26] Barsoum Z., Barsoum I.: Residual stress effects on fatigue life of welded structures using LEFM. Engineering Failure Analysis, 2009, vol. 16, pp. 449-467.
• [27] Giętka T., Ciechacki K., Kik T.: Numerical simulation of duplex steel multipass welding. Archives of Metallurgy and Materials, 2016, vol. 61, no. 4, pp. 1975-1984.
• [28] 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, pp. 13-26.
• [29] 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, pp. 308-14.
• [30] 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, pp. 440-446.
• [31] 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, pp. 30-55.
• [32] 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, pp. 893-906.