Modeling of Thermomechanical Phenomena of Welding Process of Steel Pipe

• Autorzy: Kulawik A.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie zjawisk termomechanicznych procesu spawania rury stalowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper an analysis of phenomena of laser welding of steel thin-walled element is presented. Coupled mathematical and numerical models of thermal phenomena, mechanical and phase transitions in solid and liquid state are proposed. To the modeling of phase transformation in the solid state the macroscopic model based on the analysis of the CTP diagrams are used. In the simulation of thermal phenomena the solution of heat transport equations with melting and solidification model is applied. Mechanical phenomena using the stress model for a elastic-plastic range and the isotropic strengthening of material are simulated. In order to solve analyzed problem the software using the finite element method (3D problem)has been developed. The influence of the individual elements of the model on the stress field and the plastic deformation field of welded steel element is determined. A comparative analysis of the results of numerical calculations for the case: the dependence of material properties on the temperature, the inclusion of phase transformation in the solid state, the dependence of the yield strength on the phase composition of the material are made.

PL

W prezentowanej pracy przeprowadzono analizę zjawisk spawania laserowego stalowego elementu cienkościennego. Zaproponowano sprzężone modele matematyczne oraz numeryczne zjawisk cieplnych, mechanicznych oraz przemian fazowych w stanie stałym i ciekłym. Do modelowania przemian fazowych w stanie stałym wykorzystano makroskopowy model zbudowany z wykorzystaniem analizy wykresów CTP. Do symulacji zjawisk termicznych zastosowano rozwiązanie równania przewodzenia ciepła z modelem topienia i krzepnięcia w ujęciu pojemnościowym. Zjawiska mechaniczne symulowano z wykorzystaniem modelu naprężeń dla zakresu sprężysto-plastycznego i wzmocnieniem izotropowym materiału. Do rozwiązania zadań stworzono oprogramowanie wykorzystujące metodę elementów skończonych (zadania 3D). Określono wpływ poszczególnych elementów modelu na uzyskane pola naprężeń oraz pola deformacji plastycznych spawanego elementu stalowego. Przeprowadzono analizę porównawcza otrzymanych wyników obliczeń dla przypadków z elementami modelu takimi jak zmienność parametrów materiału od temperatury, uwzględnienie przemian fazowych w stanie stałym, zależność granicy plastyczności od składu fazowego materiału.

Słowa kluczowe

EN

numerical model; welding; phase transformations; stresses

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 57, iss. 4
• Strony: 1229--1238
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kulawik A.

• INSTITUTE OF COMPUTER AND INFORMATION SCIENCES, CZĘSTOCHOWA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 42-200 CZĘSTOCHOWA, 73 DĄBROWSKI STR., POLAND

Bibliografia

• [1] K.J. Lee, Characteristics of heat generation Turing transformation in carbon steels, Scripta Materialia 40, 735-742 (1999).
• [2] J.L. Lee, J.K. Cheny, Y.T. Pan, K.C. Hsieh, Evaluation of transformation latent heat in C-Mn steels, ISIJ International 39, 281-287 (1999).
• [3] E.P. Silva, P.M.C.L. Pacheco, M.A. Savi, On the thermo-mechanical coupling in austenite-martensite phase transformation related to the quenching process, International Journal of Solids and Structures 41, 1139-1155 (2004).
• [4] A. Bokota, Modelling of solidification and cooling of two-component metal alloys. Fields of temperature, concentrations and stresses, Monograph nr 79, Czestochowa (2001) (in Polish).
• [5] W. Piekarska, M. Kubiak, A. Bokota, Numerical simulation of thermal phenomena and phase transformations in laser-arc hybrid welded joints, Archives of Metallurgy and Materials 56(2), 409-421 (2011).
• [6] B. Mochnacki, A. Nowak, A. Pocica, Numerical model of superficial layer heat treatment using the TIG method, Polska metalurgia w latach 1998-2002, 2, Komitet Metalurgii PAN, WN “Akapit”, Kraków, 229-235 (2002).
• [7] A. Kulawik, Numerical analysis of thermal and mechanical phenomena during hardening processes of the 45 steel, PhD Thesis, Czestochowa (2005) (in Polish).
• [8] A. Kulawik, A. Bokota, The analysis of mutual influence of selected phenomena of hardening process for the C45 steel, KomPlasTech 1, 231-238 (2005) (in Polish).
• [9] H.J.M. Geijselaers, Numerical simulation of stresses due to solid state transformations. The simulation of laser hardening, Thesis University of Twente, The Netherlands (2003).
• [10] J. Orlich, A. Rose, P. Wiest, Atlas zur W¨armebehandlung von St¨ahle, III Zeit Temperatur Austenitisierung Schaubilder, Verlag Stahleisen MBH, D¨usseldorf, (1973).
• [11] D.P. Koistinen, R.E. Marburger, A general equation prescribing the extent of the autenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels, Acta Metallica 7, 59-60 (1959).
• [12] M. Avrami, Kinetics of phase change, Journal of Chemical Physics 7, 1103-1112 (1939).
• [13] A. Bokota, A. Kulawik, Model and numerical analysis of hardening process phenomena for medium-carbon steel, Archives of Metallurgy and Materials Issue 2, 52, 337-346 (2007).
• [14] B. Chen, X.H. Peng, S.N. Nong, X.C. Liang, An incremental constitutive relationship incorporating phase transformation with the application to stress analysis, Journal of Materials Processing Technology 122, 208-212 (2002).
• [15] J. Winczek, A. Kulawik, Dilatometric and Hardness Analysis of C45 Steel Tempering with Different Heating-Up Rates, Metalurgija (Zagreb) 51 (1), 9-12 (2012).
• [16] M. Kleiber, Finite element method in nonlinear continuum mechanics, Warszawa-Poznan, (1985), (in Polish).
• [17] M. Coret, A. Combescure, A mesomodel for the numerical simulation of the multiphasic behavior of materials under anisothermal loading (application to two low-carbon steels), International Journal of Mechanical Sciences 44, 1947-1963 (2002).
• [18] L. Taleb, N. Cavallo, F. Waeckel, Experimental analysis of transformation plasticity, International Journal of Plasticity 17, 1-20 (2001).
• [19] F. Wever, A. Rose, Atlas zur W¨armebehandlung von St¨ahle, I Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubilder, Verlag Stahl Eisen MBH, D¨usseldorf, (1961).