بررسی اتصال T-Stub با پیکربندی های مختلف اتصال وب به فلنج

نکات برجسته

•تجزیه و تحلیل تجربی و المان محدود اتصالات فولادی T-Stub با هندسه های مختلف و سه نوع اتصال شبکه به فلنج: لمینت، جوش فیله و جوش با نفوذ کامل.
•اتصال T-Stub جوشکاری مقاومت مکانیکی کمتری نسبت به لمینت دارد.
•هیچ تفاوت مکانیکی قابل توجهی بین جوش فیله و T-Stubs جوش با نفوذ کامل وجود ندارد.
•اثر نوع جوشکاری T-Stub فقط در شکل پذیری دیده می شود و نه در مقاومت یا سفتی.
•به طور متوسط، تیپولوژی های T-Stub با جوش نفوذ کامل دارای حداکثر جابجایی 1.43 برابر بیشتر از جوشکاری فیله هستند.

خلاصه

این مقاله تاثیر اتصالات مختلف وب به فلنج را در اتصال T-Stub ارزیابی می کند. خواص مکانیکی اجزای T-stub با آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی اجزای محدود مورد ارزیابی قرار گرفت. سه اتصال مختلف وب به فلنج ارزیابی می شوند: اجزای چند لایه، جوش فیله و جوش نفوذ کامل. به طور کلی، پروفیل های T-Stub جوشکاری شده و فیله ای در گذشته برای بررسی رفتار ناحیه کشش در اتصالات صفحه انتهایی در نظر گرفته شده است. با این حال، در سازه هایی که عمدتاً تحت بارهای دینامیکی سیکل کم و زیاد و مستعد ترک خستگی هستند، اجرای جوش با نفوذ کامل الزامی است. این مقاله تاثیر جوشکاری با نفوذ کامل را در رفتار جزء کامل و نه تنها در ظرفیت مکانیکی جوش و ناحیه جوش ارزیابی می‌کند. این مقاله تجزیه و تحلیل می‌کند که چگونه افزایش دهانه آزاد بین موقعیت پیچ و شبکه، موقعیت لولاهای پلاستیکی را در مجاورت تار تغییر می‌دهد و در نتیجه استحکام و سفتی را کاهش می‌دهد. در مجموع 72 نمونه آزمایشی با 8 هندسه مختلف برای ارزیابی رفتار متفاوت پیکربندی اتصال شبکه به فلنج مورد آزمایش قرار گرفتند. یک مدل اجزای محدود دقیق از جزء T-stub برای هر پیکربندی مشترک توسعه داده شده است. این مدل با نتایج تجربی کالیبره شده است، و می‌تواند به دقت رفتار طیف کامل T-Stub را با هر مدل خرابی نشان دهد. از نتایج آزمایش‌های تجربی و اعتبارسنجی آن‌ها با تحلیل اجزای محدود، می‌توان نتیجه گرفت که اتصال T-Stub جوش داده شده مقاومت مکانیکی کمتری دارد. بدون تفاوت معنی داری بین جوش فیله ای و جوشکاری با نفوذ کامل. و تاثیر نوع جوش فقط در شکل پذیری دیده می شود و نه در مقاومت یا سختی. به طور متوسط، تیپولوژی هایی با جوشکاری با نفوذ کامل دارای حداکثر جابجایی 1.43 برابر بیشتر از جوش فیله ای هستند.

کلید واژه ها

اتصالات تی

حالت های خرابی

مقاومت نهایی

تجزیه و تحلیل اجزای محدود

قطعات لمینیت شده

جوش فیله تی خرد

جوشکاری با نفوذ کامل تی

نامگذاری

$A_{S}$

ناحیه کششی پیچ

$b$

عرض فلنج

$beff$

عرض موثر فلنج

$B_{t, R d}$

مقاومت کششی پیچ

$d ε$

تغییر شکل کلی

${d ε}^{e}$

تغییر شکل الاستیک

${d ε}^{p}$

تغییر شکل پلاستیک

$d_{u}$

حداکثر جابجایی

$e$

فاصله پیچ افقی تا لبه

$e_{1}$

فاصله پیچ طولی تا لبه

$f_{ub}$

استرس نهایی را پیچ کنید

$f_{y}$

تنش تسلیم

$F_{Rd, i}$

مقاومت طراحی T-Stub برای هر حالت شکست

$g$

فضای افقی بین پیچ و مهره ها

$k_{2}$

ضریب با مقدار 0.68 برای پیچ و مهره کانتر و 0.9 برای سایر موارد

$k_{i}$

سفتی اولیه

$k_{plas}$

سفتی پلاستیک

$m$

فاصله پیچ تا شکل لولا پلاستیکی نزدیک به تار

$M_{f . R d}$

مقاومت خمشی پلاستیک T-Stub

$n$

حداقل فاصله تا لبه $m i n (n = e; 1.25 ∙ m)$

$p$

فضای طولی بین پیچ و مهره ها

$P_{U}$

حداکثر نیروی مقاومت

شعاع گوشه گرد وب به فلنج

اس

جوش فیله ، ضخامت پایه

$t_{f}$

ضخامت فلنج

$t_{w}$

ضخامت وب

1 . معرفی

امروزه اتصالات صفحه انتهایی پرکاربردترین اتصال در ساخت و ساز فولادی برای سیستم های قاب لحظه ای مقاومت هستند [1] . این به این دلیل است که به دلیل ساخت آسان و مونتاژ سریع و بهینه در محل، راه حلی بسیار مقرون به صرفه نسبت به انواع دیگر اتصالات است. از سوی دیگر ، ارزیابی خواص مکانیکی این اتصالات نه تنها به دلیل برخی غیرخطی‌ها مانند تماس، هندسه و مواد، بلکه به دلیل بسیاری از اجزای موجود پیچیده است . به طور سنتی، سه رویکرد مختلف را می توان برای تحلیل در نظر گرفت [4] ، [5]: آزمایشی توسط آزمایشات آزمایشگاهی که بسیار گران است، بنابراین معمولاً به جز برای اهداف تحقیقاتی دور ریخته می شود [6] ; عددی، از طریق شبیه سازی اجزای محدود ، همچنین به دلیل پیچیدگی مدل بسیار زمان بر است. و رویکرد تحلیلی که تنها روش عملی برای طراح است. اخیراً رویکرد جدیدی به نام المان محدود مبتنی بر مؤلفه [7] ، [8] مقبولیت زیادی پیدا کرده است زیرا روش قدرتمند المان محدود را برای تجزیه و تحلیل هر گونه پیکربندی مشترک با استانداردها و انطباق با مشخصات ترکیب می کند، اما به هر حال برخی جزئیات مورد نیاز است. با داده های تجربی کالیبره شود. طبق کدهای یورو [5]استحکام، سختی و ظرفیت چرخش اتصال فولادی را می توان با روش تحلیلی عمومی که به عنوان روش اجزاء شناخته می شود، ارزیابی کرد که امروزه به طور گسترده ای شناخته شده است. این روش نشان می‌دهد که اتصال، صرف‌نظر از هندسه، مواد و بارهای اعمال‌شده، ممکن است در نظر گرفته شود که توسط مجموعه‌ای از اجزای اصلی منفرد تشکیل شده است که خواص مکانیکی آنها به طور جداگانه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در مورد اتصالات صفحه انتهایی لنگر پیچ تیر به ستون، هشت جزء مرتبط شناسایی می‌شوند ( شکل 1 را ببینید.: فلنج ستون در خمش، تار ستون در کشش (CWT)، صفحه ستون در حالت برش (CWS)، تار ستون در فشار (CWC)، فلنج تیر و شبکه در فشار، صفحه انتهایی در خمش. ، پیچ ها در کشش و تار تیر در کشش. محاسبه سفتی و استحکام برای هر جزء به دست می آید. در نهایت، رفتار اتصال با تنظیم یک مدل مکانیکی محاسبه می‌شود، که در آن ویژگی‌های هر فنر از ویژگی‌های جزء مربوطه به دست می‌آید.

T-Stub در کشش جزء اصلی است که در رفتار ناحیه کششی در اتصالات صفحه انتهایی تأثیر می گذارد. این جزء ممکن است برای مدل‌سازی مقاومت طراحی فلنج ستون و صفحه انتهایی در خمش مورد استفاده قرار گیرد و توسط دو پروفیل T متقارن که از طریق فلنج‌ها توسط پیچ‌ها و کشش بارگذاری شده در تار متصل می‌شوند تعریف می‌شود (شکل 2 را ببینید ) .

با توجه به یوروکد [5] مقاومت T-Stub را می توان با سه حالت مختلف خرابی تعیین کرد:

(1)
حالت 1: فلنج T-Stub قبل از اینکه پیچ ها به ناحیه پلاستیکی وارد شوند به تنش تسلیم می رسد. این نوع رفتار را می توان به عنوان یک اتصال پین دار طبقه بندی کرد و مقاومت طراحی با معادله (1) ، (2) و (3) محاسبه می شود.
(2)
حالت 2: این حالت با تسلیم شدن فلنج T-stub و شکست پیچ ها (شکستگی پیچ) مشخص می شود. این نوع رفتار را می توان به عنوان یک اتصال نیمه صلب طبقه بندی کرد، به معادله (2) ، (3) و (4) مراجعه کنید.
(3)
حالت 3: این حالت با شکست پیچ بدون رسیدن فلنج به نقطه تسلیم مشخص می شود. این نوع رفتار معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که فلنج‌ها کاملاً ضخیم هستند و این نوع رفتار را می‌توان به عنوان یک اتصال صلب طبقه‌بندی کرد، به معادله (5) و (6) مراجعه کنید .

(1) $F_{Rd, 1} = \frac{{4 M}_{f . R d}}{m}$ (2) $M_{f . R d} = \frac{t_{f}^{2}}{4} f_{y . f l a n g e} b e f f$ (3) $beff = m i n \{\begin{matrix} bef f_{1} = 2 π m \\ b e f f_{2} = 4 m + 1.25 e \\ b e f f_{3} = b \end{matrix}$ (4) $F_{Rd, 2} = \frac{2 M_{f . R d} + n \sum B_{t, R d}}{m + n}$ (5) $B_{t, R d} = k_{2} f_{ub} A_{S}$ (6) $F_{Rd, 3} = \sum B_{t, R d}$

تجزیه و تحلیل استحکام و سفتی T-Stub تحت بارگذاری یکنواخت توسط معادل سازی جزء با یک مدل چند دهانه، بارگذاری شده متحدالمرکز در دهانه میانی انجام می‌شود که کشش را در T-sub شبیه‌سازی می‌کند، که به سادگی در حالت افراطی به عنوان کنجکاو پشتیبانی می‌شود. نیروها و جابجایی های میانی محدود شده توسط پیچ و مهره. حالت های خرابی با روابط استحکام بین فلنج خمشی و پیچ ها مشروط می شوند. حالت های شکست از یک مدل تیر پلاستیکی صلب با در نظر گرفتن عرض موثر محاسبه شده از تئوری الگوهای خط تسلیم تخمین زده می شود.

اتصالات T-Stub نقش مهمی در ایمنی و پایداری سازه ها دارند. به همین دلیل است که مطالعات گسترده در قرن گذشته (از 1934 تا 1999 [9] ، [10] ، [11] ، [12] ، [13] ، [14] ، [15] ) و امروزه (از سال 2001) تا سال 2022 [16] ، [17] ، [18] ، [19] ، [20] ، [21] ، [22] )، توسط بسیاری از نویسندگان برای توصیف رفتار واقعی این ارتباط و شناخت موارد انتقادی انجام شده است. عوامل موثر بر آنها مقالات اخیر در سال 2023 از لیو و همکاران. [4]یک مدل مکانیکی جدید، کمتر محافظه‌کارانه نسبت به یوروکد [5] ، برای رفتار طیف وسیعی از پیچ‌های خرد شده پیشنهاد کرد.

به طور کلی، نویسندگان قبلی مطالعات T-Stub خود را بر روی اتصالات شبکه به فلنج متمرکز می کنند که فقط توسط اجزای چند لایه ( شکل 3 الف) یا جوشکاری فیله ( شکل 3 ب) انجام می شود. با این حال، در سازه هایی که تحت بارهای دینامیکی سیکل کم و زیاد، و مستعد ترک خستگی هستند، اجرای جوش با نفوذ کامل توصیه می شود ( شکل 3 ج). این مقاله به طور کلی تأثیر نوع اتصال بین وب و فلنج T-Profile را ارزیابی می کند. این مقاله یک کار تحقیقاتی تجربی است که در مجموع 72 نمونه در هشت هندسه مختلف آزمایش شده است. هر یک از هندسه ها سه بار تکرار شده اند تا از تکرارپذیری نتایج به دست آمده اطمینان حاصل شود.

ساختار این مقاله بدین شرح است. بخش 2 شامل شرح روش تجربی و نتایج آن است. بخش 3 شامل شبیه سازی المان محدود و کالیبراسیون آن است. بخش 4 شامل ارزیابی نتایج به دست آمده و تجزیه و تحلیل رفتار هر نوع مفصل است. بخش 5 یافته های اصلی این مطالعه را خلاصه می کند.

2 . تست تجربی

برنامه تست دو مرحله دارد. فاز اول مشخصه خواص مکانیکی مواد است و فاز دوم آزمایش یک سری اجزای T-Stub در هر دو نوع لمینت، جوش فیله و جوش کامل با نفوذ است.

2.1 . خصوصیات مواد

مشخصات مواد با آزمایش کشش تک محوری ، مطابق با استاندارد ASTM E8-E8M-21 [23] انجام شد و در یک دستگاه تست جهانی Zwick/Rowell SP600 با هدایت هیدرولیکی با نرخ متقاطع کنترل شده با جابجایی 2 میلی‌متر بر ثانیه برای همه انجام شد. تست ها نمونه‌های مستطیلی از تیرهای I شکل فولاد A572 Grade 50 به‌دست آمدند که از نظر تئوری استحکام تسلیم کششی نهایی برابر با 345 مگاپاسکال و مقاومت کششی نهایی 450 مگاپاسکال است. برای مشخص کردن پیچ و مهره ها، که در آن تسلیم نظری و استحکام نهایی به ترتیب 900 مگاپاسکال و 1000 مگاپاسکال است، نمونه های استوانه ای برای مشخصه مواد به دست آمد. مدول الاستیکاز تمام نمونه ها و مواد با ارزش 200 GPa برآورد شده است. هدف از توصیف مواد، به دست آوردن قانون تشکیل دهنده مواد برای هر یک از هشت گروه آزمایشی بود. به عنوان مثال، در شکل 4 قانون تشکیل دهنده مواد برای گروه آزمایشی به نام GT گنجانده شده است. خواص مکانیکی پروفیل های آزمایش شده در جدول 1 ارائه شده است و پیکربندی هندسی برای هر گروه آزمایش در جدول 2 توضیح داده شده است .

جدول 1 . خواص مکانیکی پروفیل (قانون مهندسی).

گروه تست	F _y (MPa)	F _u (MPa)	ε (%)
شکل نورد شده (GT)	365.72	509.33	26
شکل نورد شده (G1)	421.36	550.85	27
شکل نورد شده (G1A)	420.83	570.43	25
شکل نورد شده (G2)	385.67	513.61	26
شکل نورد شده (G3)	371.76	523.46	28
شکل رول شده (G4)	372.47	498.95	25
شکل رول شده (G5)	362.87	511.89	26
شکل رول شده (G6)	373.54	510.48	29
پیچ	963	1068	6

جدول 2 . T-خرد ویژگی های هندسه اسمی.

گروه نمونه	t _f (mm)	t _w (mm)	گرم (میلی متر)	e (میلی متر)	e ₁ (میلی متر)	p (mm)	b (mm)	r (mm)	S (mm)
GT	9.5	6.35	85	30	20	40	80	11	3
G1	7.9	6.35	85	25	20	40	80	10.5	5.5
G1A	7.9	6.35	98	18.5	20	40	80	10.5	5.5
G2	12.7	7.9	85	58.5	20	40	80	11	6
G3	11.1	6.35	105	33	20	40	80	13.5	6
G4	12.7	7.9	105	38	20	40	80	15	5.5
G5	19	12.7	170	65	20	0	40	20	6.5
G6	14.3	9.5	105	42	20	40	80	18	5.5

2.2 . آزمایش کشش اجزای T-Stub

نمونه ها در هشت گروه آزمایشی GT، G1، G1A، G2، G3، G4، G5 و G6 طبقه بندی شدند. ویژگی های هندسی این گروه ها در جدول 2 مطابق با شکل 3 نشان داده شده است . برای هر گروه آزمایش، سه نمونه برای هر یک از سه نوع اتصال شامل T-subs لمینت شده، T-Stabs با فیله و T-Stabs با نفوذ کامل جوش داده شده در نظر گرفته شد. از این رو $8 \times 3 \times 3 = 72$ نمونه های T-Stub برای آزمایش کشش در دمای محیط آماده شدند. تعریف هندسه با دو معیار مشروط شد، اولی برای ارزیابی ضخامت‌های صفحه تجاری رایج و دومی برای بررسی اینکه آیا هندسه یکسان حالت‌های شکست را در سه نوع اتصال ایجاد می‌کند یا خیر.

پیچ های استفاده شده در تمامی تست ها دارای قطر 16 میلی متر و کیفیت 10.9 بودند. قطر سوراخ پیچ 18 میلی متر است. برای نمونه های جوش نفوذ کامل، آماده سازی صفحه وب همیشه با پخ 3×45 درجه انجام می شد.

تست کشش در دستگاه تست جهانی Zwick/Roell SP600 انجام شد. با توجه به تقارن نمونه ها، این روش به خوبی توسط Bezerra و همکارانش به اثبات رسیده است. [21] . این روش یک T-خرد متصل به یک پایه سفت و سخت را در نظر می گیرد. این باعث می شود که 8 کیلو نیوتن در پیچ ایجاد شود که می توان نادیده گرفت. پس از تنظیم و تراز کردن نمونه ها، آزمایش کشش با سرعت 1 میلی متر در دقیقه برای ناحیه الاستیک و پلاستیک آغاز شد. در طول کل آزمایش، پنجه ها برای اطمینان از عدم لیز خوردن بررسی می شوند. علاوه بر این، یک تجهیزات همبستگی تصویر دیجیتال ( شکل 5) با هدف اندازه گیری جابجایی های نسبی بین یک نقطه مشخص شده از شبکه و تقاطع فلنج پروفیل T و پایه نصب شد، بنابراین یک نقطه در مرکز وب و نقطه دیگر در پایه صلب مشخص شد. . هر آزمایش زمانی به نتیجه رسید که شکستگی کامل T-sub یا پیچ و مهره به دست آمد، و کاهش منحنی نیرو-جابجایی به وضوح مشاهده شد.

2.3 . نتایج تست کشش T-Stub

این بخش نتایج آزمایش های انجام شده را نشان می دهد. _{برای هر آزمون، حداکثر نیروی مقاومت بر حسب kN ( Pu} )، حداکثر جابجایی بر حسب میلی متر (d _u )، سفتی اولیه بر حسب kN/mm (ki ₎ و سفتی پلاستیک بر حسب kN/mm (k _plas ) به دست آمد. . نتایج آزمون در جدول 3 خلاصه شده است .

جدول 3 . خلاصه نتایج تجربی.

گروه	لمینت تی خرد				فیله جوش تی-خرد				تی-خرد جوشکاری با نفوذ کامل
گروه	P _u (kN)	d _u (mm)	k _i (kN/mm)	K _plas (kN/mm)	P _u (kN)	d _u (mm)	k _i (kN/mm)	K _plas (kN/mm)	P _u (kN)	d _u (mm)	k _i (kN/mm)	K _plas (kN/mm)
GT	201	24	98	4.1	139	7.45	106	6	140	9.3	51.8	6.7
G1	215	30.8	75.5	4.5	170	13.6	94.6	5.8	167	21	44.6	5.4
G1A	260	34	50	4.8	203	19.0	62	5.12	204	30	36.9	4.11
G2	307	23	168	4.0	263	7.4	200	5.58	260	17	120	9.4
G3	257	31.7	90	3.7	170	9.05	137	4.22	176	12.6	55.6	6.4
G4	280	29.9	121	4.8	219	13.6	132	5.99	186	19	71.4	5.68
G5	146	2.68	137	16	145	7	59.0	5.6	138	7.4	41.3	9.15
G6	290	20	126	6.5	269	20.8	161	6.1	257	19.9	73.7	5.03

نمودار بار-جابجایی برای هر یک از هشت هندسه آزمایشی و هر یک از سه نوع اتصال به دست آمد. در هر یک از این 24 نمودار، سه نمونه از آن هندسه و نوع اتصال که مورد آزمایش قرار گرفته اند با هم رسم می شوند. با استفاده از این نمودارها، نیروی مقاومت نهایی (Pu) و حداکثر جابجایی (du) تخمین _زده شده _است . نیروی مقاومت نهایی (Pu ₎ گزارش شده در جدول 3 حداکثر مقدار سه نمونه آزمایش شده است. دلیل استفاده از حداکثر سه نمونه این است که مشاهده شده است که برخی از نمونه ها شکست خورده اند.پیش از موعد به دلیل نقص داخلی جوش. سفتی اولیه به عنوان شیب اولیه نمودارها و سفتی پلاستیک به عنوان شیب نمودارها پس از تغییر شکل پلاستیک نمونه ها به دست آمد.

به عنوان نمونه ای از محاسبات انجام شده با استفاده از 24 نمودار، در شکل 6 نمودار بار-جابجایی برای گروه با شناسه G2 گنجانده شده است . این هندسه ای است که حداکثر نیروی مقاومت را در طول آزمایش به دست می آورد. شکل 6 (الف) نمودارهای آزمایشی را برای سه نمونه چند لایه نشان می دهد و نشان می دهد که حداکثر استحکام 307 کیلونیوتن و جابجایی 23 میلی متر است. شکل 6 (ب) نمودارهای سه نمونه جوشکاری فیله ای را نشان می دهد و نشان می دهد که حداکثر استحکام 263 کیلو نیوتن و جابجایی 7.4 میلی متر به دست آمده است. شکل 6 (c) نمودارهای آزمایشی سه نمونه جوشکاری با نفوذ کامل T را نشان می دهد و نشان می دهد که حداکثر استحکام 260 کیلو نیوتن و جابجایی 17 میلی متر به دست آمده است.

به طور کلی، مناطق مختلفی را می توان در منحنی نیرو-جابجایی مشاهده کرد. قسمت اول ناحیه خطی است که در آن رابطه بین نیرو و جابجایی خطی است. پس از وقوع تسلیم، T-Stub وارد ناحیه غیر خطی می شود و با افزایش بار اعمال شده، لولاهای پلاستیکی روی فلنج ظاهر می شوند. حالت شکست مشاهده شده در حین آزمایش حالت 1 و حالت 2 است.

توجه به تأثیر عمل فضولی نیز جالب است. همانطور که توسط Bezerra و همکارانش توضیح داده شده است. [21] عمل کنجکاوی یک پدیده فیزیکی است که به دلیل خروج از مرکز بین نیروی خارجی اعمال شده، خط پیچ‌های مقاوم و موقعیت محور تکیه‌گاه است. این سیستم نیروها و محوری نوعی اهرم ارشمیدس را ایجاد می کند . این اثر را می توان در تصاویر شکل 6 مشاهده کرد .

3 . شبیه سازی اجزای محدود

سه مدل المان محدود در نرم افزار Ansys Mechanical [24] برای مطالعه رفتار T-stub هر پیکربندی در شکل 3 توسعه داده شد . بنابراین، در ماژول CAD، سه هندسه عمومی نمونه‌ها به درستی مدل‌سازی شدند. این مدل به طور مفصل اتصال تار به فلنج و عناصر در تماس با T-Stab (به دلیل غیرخطی بودن تماس) مانند پایه سفت، واشرها و سر پیچ را در نظر گرفته است. اهمیت اتصال فلنج به این دلیل است که اولین لولای پلاستیکی می تواند در نزدیکی این ناحیه ظاهر شود و سه نوع شناسی که در حال مطالعه هستند می توانند رفتار جزء را تغییر دهند.

3.1 . رفتار مادی مدل

از آنجایی که مواد اجزا مربوط به فولاد کم کربن است ، معیار فون میزس در مدل های اجزای محدود برای مراحل الاستیک تغییر شکل پذیرفته شد. یک مدل مواد دوخطی الاستوپلاستیک جانسون کوک در کتابخانه نرم‌افزار انتخاب شد، زیرا آزمایش‌های تجربی زمانی که T-subs به شکستگی فلنج یا پیچ‌ها رسیدند متوقف شدند. به عبارت دیگر، تغییر شکل پلاستیک در نمونه ها ایجاد شد. این تغییر شکل با توجه به معادله محاسبه می شود. (7) . علاوه بر این، نقطه تسلیم همسانگرد در Ansys Mechanical انتخاب شد، به شکل 7 مراجعه کنید .(7) $d ε = {d ε}^{e} + {d ε}^{p}$

جایی که: $d ε$ ، تغییر شکل کل و ${d ε}^{e}$ ${d ε}^{p}$ ، اجزای آن به ترتیب کشسان و پلاستیک هستند.

یک مدل مواد چند خطی که از یک اسپلاین برای بازتولید منحنی تنش-کرنش اندازه‌گیری شده استفاده می‌کند، برای برخی از هندسه‌ها نیز در ابتدای مرحله محاسبات اجرا شد، اما برای حالت‌های بار در نظر گرفته شده، مشخص شد که مدل دوخطی در مقایسه با یک مدل تئوری قابل قبول است. مدل چند خطی دقیق تر شکل 8 ، به عنوان مثال، نتایج به دست آمده با هر دو مدل مواد برای هندسه G2 و نمونه های جوشکاری فیله را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، نتایج بسیار مشابه هستند، بنابراین تصمیم گرفته شد از مدل دوخطی استفاده شود زیرا زمان محاسباتی را به طور قابل توجهی در مقایسه با مدل های چند خطی کاهش می دهد.

در نرم افزار مکانیکی Ansys، منحنی تنش-کرنش دوخطی به مدول یانگ نیاز دارد . $E$ تنش تسلیم ( $σ_{y}$ ، استرس نهایی ( $σ_{u}$ و مدول مماس ( $E_{T}$ ) به عنوان ورودی. لازم به ذکر است که مقادیر ورودی ها باید از قانون واقعی به دست آید نه از قانون مهندسی. بنابراین، معادله (8)-(10) باید به کار گرفته شود.(8) $E_{T} = (σ_{U} - σ_{y}) / (ε_{u} - ε_{y})$ (9) $σ = F ∙ (1 + e)$ (10) $ε = l n (1 + e)$

جایی که $σ$ و $ε$ رجوع به ارزش های قانون واقعی و $F$ و $e$ به ترتیب مقادیر قانون مهندسی، تنش و کرنش هستند. لازم به ذکر است که استفاده از مقدار بیشتر از $σ_{u}$ در شبیه سازی ها برای جلوگیری از برخی مشکلات همگرایی در پایان شبیه سازی ها.

3.2 . نوع المان محدود و مش

برای کاهش منابع محاسباتی، رفتار T-Stub متصل به یک پایه صلب را می‌توان به‌عنوان 1/4 کل هندسه مدل‌سازی کرد. این کاهش نمونه کامل را می توان انجام داد زیرا جزء در 2 صفحه متقارن است، به شکل 9 مراجعه کنید . برای اکثر قسمت‌های اتصال T-Stub (جایی که رفتار پلاستیک حاکم است)، مانند فلنج، عنصر هشت گره (آجر) Solid 185 از کتابخانه Ansys استفاده شد. Solid 185 یک عنصر هشت گره ای است که برای مدل سازی ساختارهای سه بعدی و تحلیل رفتار الاستوپلاستیک مواد استفاده می شود و همچنین این عنصر دارای سه درجه آزادی در هر گره است [24] . عناصر آجری 8 گره مشابه (در نرم افزارهای مختلف) توسط نویسندگان مختلفی مانند Girão [25] ، Bursi و Jaspar [26] استفاده شده است.، [27] ، [28] ، [29] ، [30] . و شبیه‌سازی‌هایی که نویسندگان با این نوع عنصر آجری انجام دادند، رفتار T-stub را با دقت خوبی بازتولید کردند. اندازه مش باید به اندازه کافی اصلاح شود تا نتایج دقیقی به دست آید، و تعداد عناصر و گره ها باید تا حد امکان کوچک باشد اگر زمان پردازش کمتر باشد. با در نظر گرفتن این موضوع، تعداد عناصر در ضخامت فلنج سه است (همانطور که توسط Girão [25] توصیه می شود]، و این همچنین از قفل شدن برشی در هنگام خم شدن قطعه جلوگیری می کند. با این حال، پایه صلب به دلیل ضخامت زیاد دارای عناصر بیشتری است، اما مشکل محاسباتی ایجاد نمی کند زیرا به عنوان یک ماده صلب در نظر گرفته شده است که در معرض تغییر شکل قرار نمی گیرد.

شکل 10 جزئیات مدل های مختلف اجزای محدود را برای هر یک از سه توپولوژی T-stub نشان می دهد: لمینت، جوشکاری فیله و جوشکاری با نفوذ کامل.

3.3 . شرایط مرزی

در مدل‌ها، شرایط مرزی هندسی متقارن برای سطح 1 و سطح 2 در شکل 9 اعمال شد . بنابراین، جابجایی در محور z و x به ترتیب در صفحات XY و YZ محدود شد. علاوه بر این، پایه سفت و سخت در تمام وجوه جانبی ثابت شد. با این حال، برای T-Stub مربوط به گروه G5، از آنجایی که به جای چهار پیچ با دو پیچ به پایه صلب متصل شده بود، شرط مرزی متقارن فقط به سطح 2 اختصاص داده شد.

بار کششی به صورت بازگشتی با استفاده از یک فایل اسکریپت در یک ماژول APDL به عنوان افزایش جابجایی کوچک (گام‌ها) 0.1 میلی‌متر در جهت مثبت Y در سطح 3 اختصاص داده شد.

3.4 . تماس سطحی

از آنجایی که مولفه ها تغییر شکل های بزرگ را در مقیاس ماکروسکوپی آزمایش می کنند، جابجایی بین قطعات برای شبیه سازی بسیار مهم است. چهار سطح تماس به‌عنوان مرتبط‌ترین سطح شناسایی شدند: برهم‌کنش‌های بین پایه فلنج-سخت، سوراخ ساق پیچ، پایه مهره سفت و واشر-فلنج. فقط دومی با ضریب اصطکاک 0.2 اختصاص داده شد و اندرکنش بین سر پیچ و واشر ثابت در نظر گرفته شد. بقیه دارای ضریب اصطکاک صفر هستند. علاوه بر این، شرایط تماس از رویکرد کشویی کوچک پیروی می کند. مقادیر ضریب اصطکاک با مقایسه با نتایج آزمایش، همانطور که در بخش 3.5 توضیح داده شده است، تنظیم شد.

3.5 . کالیبراسیون مدل و نتایج

مدل‌های المان محدود با بازتولید داده‌های تجربی مقاله Bursi و همه «معیارهای مدل‌سازی المان محدود اتصالات فولادی پیچ‌دار» [30] کالیبره شدند . ضخامت پایه صلب در این کالیبراسیون برای بازتولید شرایط تقارن از مقاله Jiménez de Cisneros و همکاران [31] کاهش یافت . علاوه بر این، مدل ها با نتایج گروه G1 کالیبره شدند ( شکل 12، و مقدار شرایط تماس برای بازتولید با دقت خوب رفتار T-stub تغییر کرد. به عنوان مثال، استفاده از ضرایب پنالتی که در Ansys به عنوان سختی معمولی شناخته می شود، به دلیل خمش بودن فلنج، 0.01 و شرایط تماس بین پیچ و سوراخ با مقدار 0.005 در ضریب میرایی تثبیت تخصیص داده شد. برای بازتولید برخورد سوراخ پیچ.

مقایسه بین شبیه سازی ها و نتایج تجربی به صورت گرافیکی در شکل 11 ، شکل 12 برای هر یک از هشت گروه آزمایشی ارائه شده است. نتایج آزمایش ارائه شده در شکل 11 ، شکل 12 حداکثر مقدار سه نمونه آزمایش شده برای هر هندسه است.

نسبت‌های مورد استفاده برای ارزیابی دقت مدل، رابطه بین کمیت‌های آزمایشی آزمایشی و مقادیر اجزای محدود برای حداکثر مقاومت نیرو (Pu)، حداکثر جابجایی ( $d_{U}$ ) سفتی اولیه ( $k_{i}$ ) و سفتی پلاستیک ( $k_{plas}$ ). جدول 4 ، جدول 5 ، جدول 6 نتایج به دست آمده با عناصر محدود و مقایسه آنها با نتایج تجربی را نشان می دهد. معادله (11)-(14) شامل نسبت های بین Test/FEM برای ارزیابی خوب بودن شبیه سازی انجام شده است.(11) $R_{a 1} = P_{U} / P_{UFEM}$ (12) $R_{a 2} = d_{U} / d_{UFEM}$ (13) $R_{a 3} = K_{in} / K_{inFEM}$ (14) $R_{a 4} = K_{pas} / K_{pasFEM}$

جدول 4 . مقایسه بین نتایج شبیه‌سازی و تجربی برای T-Stub چند لایه

جی	لمینت شده
جی	P _u (kN)	P _uFEM (kN)	R _a1	d _u (mm)	d _uFEM (mm)	R _a2	k _i kN/mm	K _inFEM kN/mm	R _a3	k _plas kN/mm	K _plasFEM kN/mm	R _a4
GT	201	197	1.02	24	21	1.14	98	108	0.92	4.1	4.8	0.85
G1	215	229	0.94	30.8	29	1.06	75.5	92.07	0.82	4.5	4.06	1.11
G2	307	299.8	1.02	23	20	1.15	168	198	0.85	4.0	4.3	0.94
G3	257	284.4	0.90	31.7	30	1.06	90	111.7	0.81	3.7	4.39	0.84
G4	280	325.2	0.86	29.9	30	0.99	121	133.2	1.10	4.8	5.32	0.90
G5	146	166.5	0.87	2.68	2.4	1.12	137	132.2	1.04	16	14.76	1.08
G6	290	319	0.91	20	20	1.00	126	122.4	1.03	6.5	5.96	1.09

جدول 5 . مقایسه بین نتایج شبیه سازی و تجربی برای T-Stub جوش داده شده با فیله.

جی	فیله جوش داده شده است
جی	P _u (kN)	P _uFEM (kN)	R _a1	d _u (mm)	d _uFEM (mm)	R _a2	k _i kN/mm	K _inFEM kN/mm	R _a3	k _plas kN/mm	K _plasFEM kN/mm	R _a4
GT	139	141.7	0.98	7.45	7.6	0.98	106	132	0.87	6	5.8	1.03
G1	170	161.2	1.05	13.6	14	0.97	94.6	105	0.90	5.8	5.26	1.10
G1A	203	215.4	0.94	19.0	20	0.95	62	64.7	0.96	5.12	5.82	0.88
G2	263	242	1.09	7.4	7.6	0.97	200	212	0.94	5.58	5.69	0.98
G3	170	162.7	1.04	9.05	9	1.0	137	132	1.04	4.22	4.44	0.95
G4	219	210	1.04	13.6	13	1.05	132	149.7	0.88	5.99	5.16	1.16
G5	145	133.6	1.09	7	7.6	0.92	59.0	61.2	0.96	5.6	4.87	1.15
G6	269	271.5	0.99	20.8	18.4	1.13	161	182.7	0.88	6.1	5.72	1.07

جدول 6 . مقایسه بین نتایج شبیه‌سازی و تجربی برای T-خرد جوش داده شده با نفوذ کامل.

جی	جوشکاری شده با نفوذ کامل
جی	P _u (kN)	P _uFEM (kN)	R _a1	d _u (mm)	d _uFEM (mm)	R _a2	k _i kN/mm	K _inFEM kN/mm	R _a3	k _plas kN/mm	K _plasFEM kN/mm	R _a4
GT	140	136	1.02	9.3	9	1.03	51.8	47.1	1.1	6.7	7.8	0.86
G1	167	178.3	0.93	21	18	1.16	44.6	47	0.95	5.4	6	0.9
G1A	204	198.8	1.02	30	27	1.11	36.9	34.20	1.08	4.11	4.32	0.95
G2	260	284	0.92	17	16.5	1.03	120	111.3	1.08	9.4	8.36	1.04
G3	176	158.6	1.11	12.6	13	0.96	55.6	56.7	0.98	6.4	7.5	0.85
G4	186	161.8	1.15	19	17	1.11	71.4	68	1.05	5.68	4.98	1.14
G5	138	139	0.99	7.4	7.4	1	41.3	39	1.06	9.15	9.63	0.95
G6	257	258	0.99	19.9	18.4	1.08	73.7	67.7	1.08	5.03	5.65	0.89

محاسبات شبیه سازی برای توزیع تنش و کرنش در شکل 19 ، شکل 20 برای هندسه کالیبراسیون مدل (گروه آزمون G1) نشان داده شده است. شکل 21 تصویری از آزمایش انجام شده همراه با نتیجه شبیه سازی کرنش را نشان می دهد. می توان مشاهده کرد که لولاهای پلاستیکی در فلنج نزدیک به شبکه در همان مکان آزمایش تجربی رخ داده اند. حداکثر مقادیر به‌دست‌آمده در شبیه‌سازی تطابق خوبی با آزمون تجربی نشان داد.

4 . نتایج و بحث

یک سری آزمایش بر روی 72 نمونه T-subs برای بررسی رفتار بار-جابجایی آنها انجام شد. تعریف هندسه با دو معیار مشروط شد، اولی برای ارزیابی ضخامت‌های معمول صفحه تجاری و دومی برای بررسی اینکه آیا همان هندسه حالت‌های شکست یکسانی را در سه نوع اتصال ایجاد می‌کند: چند لایه، فیله جوشی و نفوذ کامل. جوش داده شده با توجه به فرمول های تحلیلی یوروکد 3 [5] و با هندسه های انتخاب شده، حالت شکست مورد انتظار حالت 1 است ( جدول 7 را ببینید.). آزمایش‌های انجام‌شده تأیید کرده‌اند که این حالت شکست غالب است و همچنین تأیید کرده‌اند که فرمول‌های Eurocode محافظه‌کار هستند زیرا مقادیر مقاومت تجربی بسیار بالاتر از مقدار تحلیلی فرمول‌ها هستند. به طور خاص، نتایج تجربی همیشه حداقل 30 درصد بیشتر از محاسبات تحلیلی بوده است.

جدول 7 . مقایسه حداکثر مقاومت

نمونه ها	پیش‌بینی مقاومت T-Stub توسط Eurocode 3 (kN)				تست (kN)	FEM (kN)	مقایسه
نمونه ها	حالت 1 $F_{R d, 1}$	حالت 2 $F_{R d, 2}$	حالت 3 $F_{R d, 3}$	حداقل $F_{R d, i}$	تست (kN)	FEM (kN)	تست / یوروکد
GT-L	109	328	604	109	201	197	1.8
GT-F	99	312	604	99	139	142	1.4
GT-P	85	286	604	85	140	136	1.7
G1-L	98	296	604	98	215	229	2.2
G1-F	90	282	604	90	170	161	1.9
G1-P	77	258	604	77	167	178	2.2
G2-L	218	384	604	218	307	300	1.4
G2-F	197	379	604	197	263	242	1.3
G2-P	168	373	604	168	260	284	1.5
G3-L	133	309	604	133	257	284	1.9
G3-F	124	296	604	124	170	163	1.4
G3-P	109	276	604	109	176	159	1.6
G4-L	158	336	604	158	280	325	1.8
G4-F	146	323	604	146	219	210	1.5
G4-P	129	302	604	129	220	162	1.7
G5-L	98	171	302	98	146	167	1.5
G5-F	94	167	302	94	145	134	1.5
G5-P	87	160	302	87	138	139	1.6
G6-L	198	360	604	198	290	319	1.5
G6-F	183	346	604	183	269	272	1.5
G6-P	162	325	604	162	257	258	1.6

تجزیه و تحلیل هر گروه از هندسه ها از نظر شکل پذیری، سفتی و استحکام انجام شده است. نتایج نمونه‌های آزمایش‌شده نشان می‌دهد که اتصال چند لایه شکل‌پذیری و استحکام بیشتری نسبت به پیکربندی‌های جوش داده شده دارد، اما سفتی اولیه پیکربندی چند لایه کمترین است. به عنوان مثال، در گروه GT (نگاه کنید به شکل 22 ، شکل 23 )، نمونه های چند لایه به حداکثر جابجایی 24 میلی متر، حداکثر بار 201 کیلونیوتن و سفتی اولیه 98 کیلونیوتن بر میلی متر رسیدند، در حالی که تیپ های T-Stub جوش داده شده دارای گونه شناسی هستند. به حداکثر جابجایی 9.3 میلی متر، حداکثر بار 140 کیلونیوتن و حداکثر مقدار 106 کیلونیوتن بر میلی متر برای سختی اولیه رسیده است. همین الگو در سایر گروه‌های خرد T مشاهده می‌شود و این الگو را می‌توان به این دلیل توضیح دادمنطقه متاثر از حرارت (HAZ) در کل ضخامت فلنج نزدیک به شبکه ایجاد می شود، بنابراین خواص مکانیکی مواد کاهش می یابد و همچنین فرآیند جوشکاری می تواند ریزساختار ماده را تغییر دهد و سپس لولا پلاستیکی نزدیک تر به نظر می رسد. وب.

یک گروه آزمایشی وجود دارد که از الگوی شکل پذیری که در بالا توضیح داده شد پیروی نمی کند. این گروه G5 است ( شکل 24 ، شکل 25 را ببینید) که در آن حداکثر جابجایی و سفتی اولیه نشان داده شده توسط لوله های T چند لایه، جوش داده شده با فیله و نفوذ کامل 2.68 میلی متر و 137 kN/mm است. 7 میلی متر و 59 کیلونیوتن بر میلی متر؛ و 7.4 میلی متر و 41.3 kN/mm ( جدول 3 را ببینید). این می تواند به دلیل تغییر مکانیسم خرابی باشد. گروه G5 گروه آزمایشی با حداکثر ضخامت فلنج یعنی 19 میلی متر است. بنابراین، تغییر شکل فلنج گروه G5 چند لایه معنی دار نبود و نمونه مطابق با حالت شکست 3 رفتار کرد، یعنی شکل پذیری و سفتی توسط خواص مکانیکی مواد پیچ تعیین شد. با این حال، زمانی که نوع‌شناسی‌های جوش‌شده آزمایش شدند، شکل‌پذیری حدود سه برابر افزایش یافت و مکانیسم شکست از حالت 3 به حالت 2 تغییر کرد. علاوه بر این، سفتی اولیه نوع‌شناسی‌های جوش‌شده کاهش یافت و این می‌تواند به این دلیل باشد که HAZ در سرتاسر وجود نداشت. ضخامت فلنج به عبارت دیگر، تغییر شکل پلاستیکی که به نمونه ورقه ای رسیده است قابل توجه نبوده و یا رخ نمی دهد.منطقه اتصال فلنج ، و این باعث افزایش شکل پذیری می شود زیرا تغییر شکل مجموع تغییر شکل فلنج و پیچ است.

لازم به ذکر است که اثر نوع جوش فقط در شکل پذیری دیده می شود نه در مقاومت یا سفتی. به عنوان مثال، به طور متوسط، تیپولوژی هایی با جوشکاری با نفوذ کامل دارای حداکثر جابجایی 1.43 برابر بیشتر از جوش فیله ای هستند.

جدول 3 نتایج تجربی را خلاصه می کند: حداکثر استحکام، حداکثر جابجایی، سفتی اولیه و سفتی پلاستیک هر گروه. از این جدول می توان نتایج جالبی گرفت. برای مثال، اگر نمونه‌های G2 و G4 را که گروه‌های آزمایشی هستند با هم مقایسه کنیم که فقط متغیرهای هندسی g و e اصلاح شده‌اند، می‌توان نتیجه گرفت که افزایش g مستقیماً بر فاصله بین محور پیچ و لولای پلاستیکی تأثیر می‌گذارد. اتصال فلنج-وب. با مقایسه G2 و G4 می توان نتیجه گرفت که افزایش 24 درصدی فاصله افقی بین پیچ و مهره ها (پارامتر g) سفتی T-stab جوش داده شده با فیله را از 200 به 132 kN/mm کاهش می دهد، یعنی کاهش 34 درصدی. این رفتار را می توان با این واقعیت توضیح داد که با افزایش مقدار g می توان محل اتصال را بیشتر جابجا کرد و سفتی آن را کاهش داد.

با توجه به شبیه‌سازی عددی با Ansys، اگر شکل 26 را تجزیه و تحلیل کنیم، می‌توان نتیجه گرفت که مدل‌های المان محدود از سه نوع شناسی با دقت بسیار خوبی رفتار اکثر نمونه‌های خرد T را بازتولید می‌کنند، زیرا نسبت Ra1، Ra2، Ra3 و Ra4 است. به مقادیر نزدیک به 1 رسیده است. علاوه بر این، توزیع تنش به‌دست‌آمده برای G1 نشان می‌دهد ( شکل 21 ) که حداکثر تنش در نزدیکی اتصال فلنج با تار ایجاد می‌شود، همانطور که به صورت تجربی مشاهده شد.

5 . نتیجه گیری

اتصال T-Stub برای هندسه های مختلف و با انواع اتصالات مختلف بررسی شده است. از نتایج آزمایش‌های آزمایشی و اعتبارسنجی آن‌ها با تحلیل اجزای محدود، می‌توان به موارد زیر نتیجه‌گیری کرد:

•
اتصال T-Stub جوش داده شده دارای مقاومت مکانیکی کمتری است، بدون تفاوت قابل توجهی بین جوشکاری فیله و جوشکاری با نفوذ کامل،
•
اثر نوع جوش فقط در شکل پذیری دیده می شود و نه در مقاومت یا سفتی.
•
به طور متوسط، تیپولوژی هایی با جوشکاری با نفوذ کامل دارای حداکثر جابجایی 1.43 برابر بیشتر از جوشکاری فیله هستند.

اظهارات نویسنده

(1)
خوان خوزه جیمنز د سیسنروس. مشارکت: مفهوم اصلی، آزمون خصوصیات، شبیه سازی، اعتبار سنجی، ویرایش مقاله، بررسی.
(2)
آنا ام گومز آمادور. مشارکت‌ها: شبیه‌سازی و پیش‌نویس، اعتبارسنجی، ویرایش مقاله، بررسی.
(3)
الخاندرو کوسادا گونزالس. مشارکت‌ها: شبیه‌سازی و پیش‌نویس، اعتبارسنجی، ویرایش مقاله، بررسی.
(4)
لئوپولدو پریتو فرناندز. مشارکت: ویرایش مقاله، بررسی.