آزمایش، تجزیه و تحلیل و طراحی اتصالات پیچ و مهره فولادی

تولید افزودنی (AM)، همچنین به عنوان چاپ سه بعدی شناخته می شود، به دلیل مزایای آن در بهره وری ساختاری، آزادی هندسی، سفارشی سازی و کاهش ضایعات مواد، همراه با یکپارچگی بالا با طرح های ساختار دیجیتال [1] توجه صنعت ساخت و ساز را به خود جلب کرده است. تکنیک‌های متال AM را می‌توان به سه دسته عمده طبقه‌بندی کرد: همجوشی بستر پودری (PBF)، رسوب‌دهی انرژی مستقیم (DED)، و لایه‌کاری ورق [2]. تولید افزودنی سیم و قوس (WAAM)، متعلق به یکی از تکنیک‌های DED، از ابزارهای جوشکاری سنتی برای تشکیل اعضای ساختاری با مواد جوشکاری رسوب‌شده استفاده می‌کند [1]، [3]. در مقایسه با روش‌های سنتی تولید تفریق‌کننده و سایر تکنیک‌های AM، WAAM پتانسیل قابل‌توجهی در صنعت ساخت‌وساز به دلیل سرعت تولید سریع، هزینه کم تجهیزات، استفاده بالا از مواد، نشان می‌دهد.

فناوری WAAM همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است برای ساخت پل عابر پرینت سه بعدی [5]، [6] با موفقیت استفاده شده است. اجرای موفقیت آمیز پل چاپی سه بعدی پتانسیل قابل توجه فناوری سه بعدی فلزی را به عنوان یک ساخت جایگزین نشان داد. روش در ساخت زیرساخت هایی با اشکال پیچیده. اجزای ساختاری کارآمد WAAM با جذابیت ظریف و اشکال پیچیده را می توان با استفاده از توپولوژی و بهینه سازی طرح تولید کرد [7]، [8]. این همچنین بر اهمیت تحقیقات در مورد رفتار اساسی مواد و اجزای پرینت سه بعدی برای کاربرد بیشتر در صنعت ساخت و ساز تأکید می کند. چندین کار تحقیقاتی برای بررسی خواص مواد فولاد WAAM انجام شده است [9]، [10]، [11]، [12]، [13]، [14]، [15]، [16]. برای سطح مؤلفه، رفتارهای مقطعی اجزای WAAM از جمله بوکانان و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. [17] و لاقی و همکاران. [18] روی ستون‌های خرد مقطع توخالی دایره‌ای، Kyvelou و همکاران. [19] در ستون‌های خرد مقطع توخالی مربع، Huang et al. [20]، [21] روی ستون‌هایی با بخش‌های توخالی مختلف، و Guo و همکاران. [22] در اتصالات T-خرد. با این حال، تحقیقات در مورد فولاد WAAM برای اتصالات پیچ و مهره ای هنوز محدود است.

اتصالات پیچ و مهره ای قبلاً به طور گسترده در ساخت و ساز فولادی مورد استفاده قرار گرفته اند و گزینه بالقوه ای برای مونتاژ سازه های فلزی پرینت سه بعدی در مقیاس بزرگ هستند. رفتارهای ساختاری اتصالات پیچی تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله برهمکنش تماس بین پیچ‌ها و سوراخ‌های اطراف آن‌ها، روابط الاستیک-پلاستیکی مواد، و تأثیر تغییر شکل‌های بزرگ در صفحات متصل می‌باشد [15]، [23]. [24]، [25]. حالت های شکست بالقوه برای اتصال تک پیچ تک برشی عمدتاً شامل شکست برش، یاتاقان و شکست مقطع خالص (به جز برش پیچ) است [26]. ظرفیت نهایی طراحی یک اتصال پیچ و مهره ای مربوط به آن حالت های خرابی در استانداردهای مختلف آیین نامه ها و دستورالعمل های طراحی فولاد با شکل سرد، از جمله AS/NZS 4600 [27]، AS 4100 [28]، AISI S100 [29] مشخص شده است. ،

رویکردهای طراحی برای اتصالات برشی نیز توسط محققان در سراسر جهان برای دستیابی به طرح‌های کارآمدتر پیشنهاد شد. بر اساس استانداردهای موجود، Teh et al. [34]، [35]، [36]، [37]، [38] یک ضریب تاخیر برشی و یک صفحه برشی فعال را برای پیش‌بینی ظرفیت‌های نهایی حالت‌های شکست مقطع خالص و برش تعریف کردند که قبلاً قبلاً انجام شده بود. ارجاع شده توسط AISI S100 [29] و AS/NZS 4600 [27]. صالحو همکاران [39]، [40] مدل‌های المان محدود را برای اتصالات پیچ‌دار فولاد ضد زنگ ایجاد کردند و معادلات طراحی ظرفیت‌های نهایی اتصالات پیچ‌دار فولادی ضد زنگ را برای صفحات فولادی نازک پیشنهاد کردند. کیم و همکاران [41]، [42]، [43] دریافتند که اتصالات پیچ با صفحات نازک تحت برش منفرد مستعد تغییر شکل‌های خارج از صفحه هستند و معادلات طراحی را با در نظر گرفتن اثر پیچ‌شدن اصلاح کردند. دو حالت شکست که در استانداردها ذکر نشده است، تقسیم انتهایی و تحمل شیب، در آزمایش‌ها مشاهده شد. لیو و همکاران [44]، [45] شکست انشعاب را به عنوان حالت شکست انتقالی بین شکست برش و برش خالص در نظر گرفت و معادله جدیدی را برای پیش‌بینی ظرفیت‌های نهایی با در نظر گرفتن شکست انشعاب پیشنهاد کرد. متمایز از شکست پارگی در حالت پیچ خوردگی و موضعی،

با این حال، بیشتر کارهای تحقیقاتی فعلی که بر روی اتصالات پیچ و مهره تمرکز دارند، بر پایه فولاد ساخته شده با روش‌های مرسوم هستند. دینگ و همکاران [47] منحصربه‌فرد بودن طراحی فولاد سرد شکل را که در آن خمش موضعی ورق می‌تواند بر استحکام اتصال تأثیر بگذارد، بر خلاف فولاد نورد گرم که چنین اثراتی برای آن نادیده گرفته می‌شود، برجسته کرد. این بدان معنی است که اتصالات پیچ و مهره ای ساخته شده با مواد مختلف می تواند حالت های شکست متفاوت و ظرفیت های حمل بار نهایی را نشان دهد. گوو و همکاران [48] ​​ظرفیت‌های باربری نهایی و حالت‌های خرابی اتصالات پیچ و مهره‌ای تک برشی فولادی WAAM را در دو ضخامت نامی مختلف، دو جهت لایه چاپی مختلف و ابعاد مختلف آزمایش کرد. آنها ابتدا مشخصات مکانیکی اتصالات پیچی تک برشی فولادی WAAM و دقت پیش‌بینی استانداردهای مختلف را تجزیه و تحلیل کردند. با این حال، تجزیه و تحلیل های جامع تری نیاز است که بر اساس تحقیقات بیشتر و داده های تجربی انجام شود.

این مقاله یک برنامه تجربی در مورد خواص مکانیکی و رفتارهای ساختاری اتصالات پیچ تک برشی فولادی WAAM در معرض کشش یکنواخت ارائه می‌کند. یک اسکنر لیزری سه بعدی و یک برنامه Matlab برای به دست آوردن خواص هندسی نمونه های فولادی WAAM با سطوح موج دار به عنوان مبنایی برای بحث در مورد خواص مواد فولادی WAAM استفاده می شود. بیست و چهار نمونه کوپن با سه جهت لایه چاپی مختلف تحت کشش آزمایش می شوند. تعداد کل 36 نمونه اتصال تک برشی با یک پیچ با ابعاد صفحه، اندازه‌های سوراخ و موقعیت‌های سوراخ مختلف طراحی شد، از صفحات WAAM ساخته شد و با DIC اندازه‌گیری جابجایی آزمایش شد. حالت های خرابی و ظرفیت های نهایی اتصالات پیچ و مهره ای مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. اعتبار مفاد طراحی مدون موجود و معادلات طراحی پیشنهاد شده در ادبیات فعلی برای اتصالات پیچ فولادی دیوار نازک معمولی برای اتصالات صفحه فولادی چاپ سه بعدی ارزیابی شد. این تحقیق بررسی‌های آزمایشی سیستماتیک را با تمرکز بر نمونه‌های فولادی WAAM انجام داد که به طور بالقوه می‌تواند کاربرد فناوری WAAM را در صنعت ساخت‌وساز ارتقا دهد.