Luận án tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xác định chế độ hàn GMAW và trình tự hàn hợp lý cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Đề ra các biện pháp kỹ thuật, công nghệ để giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG THANH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG THANH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG Ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Tiến Dương 2. TS. Hà Xuân Hùng Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. TM. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày ...tháng.... năm 2019 Người cam đoan PGS. TS Nguyễn Tiến Dương i
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS Nguyễn Tiến Dương và TS. Hà Xuân Hùng đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Đình Toại và các thầy, cô Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại – Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa cơ khí, Trung tâm thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và các bạn thân hữu cùng các thầy cô giáo Bộ môn Cơ khí hàn, đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS. Vũ Văn Đạt, ThS. Vũ Mạnh Hùng, ThS. Vũ Văn Khánh đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin cảm ơn Phòng thí nghiệm phá hủy Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc đo ứng suất dư liên kết hàn tiết diện ống dạng chữ K. Tác giả xin chân thành cảm ơn công ty TNHH ESI Việt Nam (đặc biệt là kỹ sư CAE Lương Vũ Nam) đã có những đóng góp ý kiến về mô phỏng giúp tác giả hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thế Ninh, HRL Technology Group Pty Ltd đã có những đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thành phần mô phỏng liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ kính yêu và vợ Nguyễn Thị Như Hoa; hai con: Nguyễn Hồng Sơn và Nguyễn Phương Linh cùng toàn thể các thành viên trong gia đình đã giành những tình cảm đặc biệt cùng lời động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Hồng Thanh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................. ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 2 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 2 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................. 2 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................ 3 Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 3 Kết cấu của luận án .................................................................................................. 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................ 5 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................... 5 1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .................................................................. 6 Kết luận chương 1..................................................................................................... 8 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 10 2.1 Giàn hàn và giàn hàn dạng ống ....................................................................... 10 2.1.1 Kết cấu giàn................................................................................................. 10 2.1.2 Giàn có tiết diện dạng rỗng ......................................................................... 11 2.1.3 Ứng dụng của kết cấu giàn dạng rỗng......................................................... 18 2.2 Các phương pháp hàn sử dụng để chế tạo kết cấu giàn hàn ........................ 20 2.3 Hàn kết cấu giàn dạng ống bằng quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ .................................................................................. 21 2.3.1 Nguyên lý và đặc điểm của quá trình hàn ................................................... 21 2.3.2 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn ........................................ 22 2.4 Cơ sở tính toán xác định trường nhiệt độ và ứng suất dư hàn .................... 29 2.4.1 Tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K ...... 30 2.4.2 Sự hình thành ứng suất dư khi hàn .............................................................. 33 2.5 Các phương pháp xác định ứng suất dư trong liên kết hàn ......................... 40 2.5.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 40 2.5.2 Các phương pháp xác định ứng suất dư ...................................................... 41 Kết luận chương 2................................................................................................... 45 Chương 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT DƯ TRONG LIÊN KẾT HÀN NÚT GIÀN DẠNG ỐNG CHỮ K ........................................... 47 3.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 47 iii
3.1.1 Mô phỏng tính toán bài toán cơ - nhiệt trong liên kết hàn .......................... 47 3.1.2 Mô phỏng tính toán quá trình chuyển biến pha trong liên kết hàn ............ 48 3.2 Tính toán, mô phỏng trường ứng suất trong liên kết hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..................................................................................................... 53 3.2.1 Tính toán mô phỏng bài toán nhiệt - đàn hồi - dẻo bằng phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................................................................. 53 3.2.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng tính toán liên kết hàn ........................................................................................................................ 57 3.3 Mô hình hóa và mô phỏng số liên kết nút giàn dạng ống chữ K .................. 59 3.3.1 Mô hình hóa liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .................................... 62 3.3.2 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW .............................................................. 70 3.3.3 Các thông số của vật liệu ............................................................................ 71 3.3.4 Các điều kiện biên và điều kiện đầu ........................................................... 74 3.4 Xác định chế độ hàn phù hợp cho liên kết nút giàn dạng ống chữ K .......... 75 3.4.1 Tính toán xác định chế độ hàn sơ bộ........................................................... 75 3.4.2 Thông số chế độ hàn mô phỏng .................................................................. 79 3.4.3 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt ................................................................. 79 3.5 Thiết lập trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K ........................................... 79 3.5.1 Các trình tự hàn nút giàn dạng ống chữ K .................................................. 79 3.5.2 Thời gian hàn và thời gian làm nguội khi hàn các đường ........................... 80 3.6 Kết quả tính toán mô phỏng ............................................................................ 81 3.6.1 Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K ....... 81 3.6.2 Trường ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .................... 86 3.6.3 Chuyển biến pha của kim loại mối hàn ....................................................... 96 Kết luận chương 3................................................................................................... 98 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 99 4.1 Mục đích ............................................................................................................ 99 4.2 Thực nghiệm hàn liên kết nút giàn dạng ống chữ K ..................................... 99 4.2.1 Thiết bị hàn ................................................................................................. 99 4.2.2 Vật liệu hàn ............................................................................................... 100 4.2.3 Chuẩn bị mẫu hàn...................................................................................... 100 4.2.4 Quy trình thực nghiệm .............................................................................. 101 4.2.5 Kiểm tra ngoại dạng liên kết hàn .............................................................. 104 4.3 Xác định ứng suất dư liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng kỹ thuật khoan lỗ ................................................................................................................. 105 4.3.1 Thiết bị đo ................................................................................................. 105 4.3.2 Các bước tiến hành .................................................................................... 106 Kết luận chương 4................................................................................................. 110 Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ................................... 111 iv
5.1 Kích thước vũng hàn ...................................................................................... 111 5.2 Ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K tại một số vị trí khảo sát ........................................................................................................................... 111 5.2.1 Tại vị trí 1 .................................................................................................. 111 5.2.2 Tại vị trí 2 .................................................................................................. 113 5.2.3 Tại vị trí 3 .................................................................................................. 114 5.2.4 Tại vị trí 4 .................................................................................................. 115 5.3 Kiểm chứng kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết nút giàn dạng ống chữ K ..................................................................................................... 117 5.3.1 Tại vị trí 1 .................................................................................................. 117 5.3.2 Tại vị trí 2 .................................................................................................. 117 5.3.3 Tại vị trí 3 .................................................................................................. 118 5.3.4 Tại vị trí 4 .................................................................................................. 118 5.4 Đề xuất các biện pháp làm giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K .............................................................................................................. 119 5.4.1 Các biện pháp kết cấu ............................................................................... 119 5.4.2 Các biện pháp công nghệ .......................................................................... 120 Kết luận chương 5................................................................................................. 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 122 Kết luận ................................................................................................................. 122 Kiến nghị ............................................................................................................... 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 128 v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/ Viết tắt Đơn vị Ý nghĩa AWS Hiệp hội hàn Mỹ SAW Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi GMAW trường khí bảo vệ Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong GTAW môi trường khí bảo vệ SMAW Hàn hồ quang que hàn thuốc bọc FCAW Hàn hồ quang day hàn lõi thuốc HAZ Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) KLCB Kim loại cơ bản KLMH Kim loại mối hàn PP-PTHH Phương pháp phần tử hữu hạn CHS Tiết diện rỗng dạng ống CJP Hàn ngấu hoàn toàn PJP Hàn ngấu một phần CP Cổ phần DT Phá hủy S, d mm Chiều dày vật hàn vh mm/s Vận tốc hàn Uh V Điện áp hồ quang Ih A Dòng điện hàn B mm Tầm với điện cực ddh mm Đường kính điện cực x MPa Ứng suất dư Von misses stress MPa Ứng suất tương đương Stress XX MPa Ứng suất pháp theo phương X Stress YY MPa Ứng suất pháp theo phương Y Stress ZZ MPa Ứng suất pháp theo phương Z T o C Sự chênh lệch nhiệt độ TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam LKH Liên kết hàn FZ Vùng nóng chảy A mm2 Diện tích làm việc của mối hàn Ltt mm Chiều dài tính toán đường hàn a W/m độ Độ dẫn nhiệt c J/kg.K Nhiệt dung riêng C.R o Cs-1 Tốc độ nguội  Hiệu suất hồ quang vi
Hm-Hc J/mm3 Gia số Enthalpy k W/mmoC Hệ số dẫn nhiệt Pr Hệ số Prandtl Q W Nhiệt lượng tỏa ra q0 J/mm Năng lượng đường c J/mm3oC Nhiệt dung khối Re Hệ số Reynolds T o C Nhiệt độ tại thời điểm khảo sát t s Thời gian T0 o C Nhiệt độ ban đầu Tc o C Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu Δt8/5 s Thời gian nguội từ 800oC ÷ 500oC m l/phút Lưu lượng khí bảo vệ vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1 So sánh giới hạn bền xoắn của một số tiết diện đặc trưng ...................... 14 Bảng 2. 2 Tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện khi hàn trong khí bảo vệ CO2 ... 24 Bảng 2. 3 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn ....................... 27 Bảng 2. 4 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn ................ 28 Bảng 2. 5 Một số thông số hàn tiêu biểu dùng cho hàn thép.................................... 28 Bảng 3. 1 Nhiệt độ chuyển biến pha của thép S355J2G3 ........................................ 51 Bảng 3. 2 Thông số mối ghép chữ K ........................................................................ 65 Bảng 3. 3 Mô hình nguồn nhiệt hàn thực nghiệm theo Goldak ............................... 71 Bảng 3. 4 Chế độ hàn sơ bộ 1 ................................................................................... 77 Bảng 3. 5 Chế độ hàn sơ bộ 2 ................................................................................... 77 Bảng 3. 6 Chế độ hàn sơ bộ 3 ................................................................................... 78 Bảng 3. 7 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết nút giàn dạng ống chữ K ..................... 79 Bảng 3. 8 Chế độ hàn mô phỏng liên kết nút giàn dạng ống chữ K ......................... 79 Bảng 3. 9 Thời gian hàn và thời gian làm nguội ...................................................... 80 Bảng 3. 10 Kí hiệu quy ước các tổ chức kim loại khi hàn ....................................... 96 Bảng 4. 1 Bảng thông số kỹ thuật của máy hàn series KR....................................... 99 Bảng 4. 2 Thành phần hóa học của dây hàn ........................................................... 100 Bảng 4. 3 Cơ tính của dây hàn ER 70S .................................................................. 100 Bảng 4. 4 Thành phần hóa học của kim loại cơ bản............................................... 101 Bảng 4. 5 Cơ tính của thép A572 Grade 50............................................................ 101 Bảng 4. 6 Chế độ hàn liên kết hàn chữ K tiết diện ống .......................................... 101 Bảng 5. 1 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 1 .................................. 111 Bảng 5. 2 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 2 .................................. 113 Bảng 5. 3 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 3 .................................. 114 Bảng 5. 4 Kết quả đo ứng suất dư bằng khoan lỗ tại vị trí 4 .................................. 116 Bảng 5. 5 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 1 .................................................. 117 Bảng 5. 6 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 2 .................................................. 118 Bảng 5. 7 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 3 .................................................. 118 Bảng 5. 8 Kết quả so sánh ứng suất dư tại vị trí 4 .................................................. 119 Bảng 5. 9 Bảng so sánh kết quả mô phỏng và đo ứng suất bằng khoan lỗ ............ 119 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 2. 1 Kết cấu thép: a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn bán bu lông .............. 10 Hình 2. 2 Liên kết giàn hàn a) Tiết diện hình hộp; b) Tiết diện thép góc ................ 10 Hình 2. 3 Các loại giàn ............................................................................................ 11 Hình 2. 4 Các loại nút giàn ....................................................................................... 12 Hình 2. 5 Các thông số hình học của mối ghép chữ K ............................................. 12 Hình 2. 6 Kiểu tiết diện ống rỗng trong tự nhiên .................................................... 13 Hình 2. 7 Ứng dụng kết cấu dạng ống ..................................................................... 13 Hình 2. 8 Sơn bảo vệ bề mặt thép (a); Cây cầu Fifth of Forth (b) .......................... 14 Hình 2. 9 Ảnh hưởng của áp lực gió (chất lỏng) đến loại tiết diện ngang .............. 14 Hình 2. 10 Một số ví dụ về giàn .............................................................................. 15 Hình 2. 11 Liên kết hàn bán bu lông – đai ốc .......................................................... 16 Hình 2. 12 Liên kết bằng hàn thông qua bản mã ...................................................... 16 Hình 2. 13 Một số kiểu ghép liên kết hàn dạng ống ................................................ 17 Hình 2. 14 Liên kết hàn ống chữ K phẳng ............................................................... 17 Hình 2. 15 Một số loại mối ghép kết cấu rỗng đa phương ...................................... 18 Hình 2. 16 Liên kết hàn ống đa phương ................................................................... 18 Hình 2. 17 Một số kết cấu sử dụng vật liệu ống ...................................................... 19 Hình 2. 18 Kết cấu rỗng trong xây dựng ................................................................. 20 Hình 2. 19 Sơ đồ nguyên lý hàn GMAW ................................................................ 21 Hình 2. 20 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn ......... 23 Hình 2. 21 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn ............. 24 Hình 2. 22 Ảnh hưởng của điện áp hàn đến hình dạng mối hàn ............................. 25 Hình 2. 23 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn ............................... 26 Hình 2. 24 Tầm với điện cực (a) và Quan hệ dòng điện – Tầm với điện cực (b) ... 26 Hình 2. 25 Tầm với điện cực khi dịch chuyển ngắn mạch (a); Tầm với điện cực khi dịch chuyển tia dọc trục (b) ..................................................................................... 27 Hình 2. 26 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn ...................... 27 Hình 2. 27 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn .............. 27 Hình 2. 28 Lưu lượng khí phụ thuộc đường kính chụp khí và dòng điện hàn ........ 28 Hình 2. 29 Tương quan giữa vị trí và nhiệt độ ........................................................ 31 Hình 2. 30 Ba trạng thái cơ bản trong hàn hồ quang ................................................ 32 Hình 2. 31 Mô hình nguồn nhiệt di động ................................................................. 33 Hình 2. 32 Biến dạng đàn hồi và dẻo đơn trục của vật liệu .................................... 35 Hình 2. 33 Lý tưởng hóa đường cong ứng suất – biến dạng .................................... 36 Hình 2. 34 Quá trình hình thành ứng suất dư trong hàn .......................................... 38 Hình 2. 35 Sự phân bố ứng suất dư trong liên kết hàn giáp mối (a) Hàn liên tục; (b) Hàn phân đoạn .......................................................................................................... 39 Hình 2. 36 Sự phân bố ứng suất trong liên kết hàn góc .......................................... 39 Hình 2. 37 Phân bố ứng suất dư dọc và ngang trong liên kết hàn góc .................... 40 Hình 2. 38 Cảm biến để xác định biến dạng dư ....................................................... 42 Hình 2. 39 Sự phân bố ứng suất dư a) Ứng suất phân bố đều ; b) Ứng suất phân bố không đều ................................................................................................................. 42 Hình 2. 40 Nguyên lý nhiễu xạ tia X ....................................................................... 43 Hình 2. 41 Thiết bị siêu âm ..................................................................................... 45 ix
Hình 3. 1 Sơ đồ cơ học tính toán trong hàn ............................................................. 47 Hình 3. 2 Các vấn đề chính trong thiết kế và kiểm tra mối hàn (QA/QC – là đảm bảo chất lượng, kiểm soát chất lượng) ............................................................................ 48 Hình 3. 3 Quan hệ giữa các phương pháp tính và thực nghiệm .............................. 48 Hình 3. 4 Đồ thị chuyển biến pha ............................................................................ 49 Hình 3. 5 Giản đồ pha sắt – các bon ........................................................................ 50 Hình 3. 6 Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt ................................................. 51 Hình 3. 7 Cấu trúc tế vi khi hàn 1 lớp (a); nhiều lớp (b) ......................................... 52 Hình 3. 8 Mối quan hệ giữa các trường khác nhau trong phân tích hàn ................. 53 Hình 3. 9 Các bước xây dựng dạng hình học tính toán ........................................... 58 Hình 3. 10 Một số mô hình vật thể lý tưởng ........................................................... 58 Hình 3. 11 Trình tự lựa chọn quá trình mô phỏng ................................................... 59 Hình 3. 12 Các chương trình con trong mô phỏng hàn ........................................... 60 Hình 3. 13 Khả năng tính toán của SYSWELD ....................................................... 61 Hình 3. 14 Trình tự thực hiên mô phỏng hàn ........................................................... 63 Hình 3. 15 Quy cách thiết kế mối ghép chữ K tiết diện rỗng .................................. 64 Hình 3. 16 Mô hình 3D liên kết hàn chữ K .............................................................. 64 Hình 3. 17 Bố trí đường hàn, lớp hàn ....................................................................... 65 Hình 3. 18 Kiểu lưới phần tử a) Phần tử 1-D; (b, c) Phần tử 2-D; d) Phần tử 3-D .. 66 Hình 3. 19 Định đoạn và chia lưới ống chính .......................................................... 66 Hình 3. 20 Kích thước lưới vùng mối hàn và vùng HAZ......................................... 67 Hình 3. 21 Chia lưới hoàn chỉnh trên ống chính ...................................................... 67 Hình 3. 22 Chia lưới 2 ống nhánh ............................................................................ 68 Hình 3. 23 Chia lưới mối hàn ................................................................................... 68 Hình 3. 24 Nút thuộc các phần tiếp xúc nhau .......................................................... 68 Hình 3. 25 Mô hình hoá liên kết hàn chữ K ............................................................. 69 Hình 3. 26 Điểm bắt đầu và kết thúc đường hàn ...................................................... 70 Hình 3. 27 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW ......................................................... 70 Hình 3. 28 Khối lượng riêng của thép S355J2G3 .................................................... 71 Hình 3. 29 Hệ số dẫn nhiệt của thép S355J2G3 ....................................................... 72 Hình 3. 30 Nhiệt dung riêng của thép S355J2G3 ..................................................... 72 Hình 3. 31 Giới hạn chảy của thép S355J2G3 ........................................................ 73 Hình 3. 32 Đồ thị CCT của thép S355J2G3 ............................................................ 73 Hình 3. 33 Đường cong hóa bền – biến dạng .......................................................... 74 Hình 3. 34 Mô hình vỏ trao đổi nhiệt ....................................................................... 74 Hình 3. 35 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn ......................................................... 75 Hình 3. 36 Vị trí kẹp chặt liên kết hàn ống chữ K khi mô phỏng ............................ 75 Hình 3. 37 Thiết kế mối ghép .................................................................................. 76 Hình 3. 38 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 1 .............................................................. 77 Hình 3. 39 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 2 .............................................................. 78 Hình 3. 40 Hình ảnh mối hàn chế độ hàn 3 .............................................................. 78 Hình 3. 41 Hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt ............................................................ 79 Hình 3. 42 Trình tự thực hiện các đường hàn........................................................... 80 Hình 3. 43 Kỹ thuật Contour Display of Activated Elements trên Sysweld 2015 ... 81 Hình 3. 44 Trường nhiệt độ khi mô phỏng trường hợp hàn thứ nhất a) Đường hàn 1; b) Đường hàn 2; c) Đường hàn 3 .............................................................................. 82 x
Hình 3. 45 Hình dạng vũng hàn và các đường đẳng nhiệt khi hàn đường 2 ............ 82 Hình 3. 46 Trường hợp các nút không trùng nhau ................................................... 83 Hình 3. 47 Chu trình nhiệt tại nút 22526 thuộc đường hàn lót trường hợp hàn 1 .... 84 Hình 3. 48 Chu trình nhiệt hàn vùng HAZ trường hợp hàn 1 .................................. 84 Hình 3. 49 Chu trình nhiệt của các nút theo chiều dày thành ống chính.................. 85 Hình 3. 50 Đồ thị nhiệt độ tại nút 66879 .................................................................. 85 Hình 3. 51 Ứng suất tương đương ............................................................................ 86 Hình 3. 52 Ứng suất pháp theo phương X ................................................................ 87 Hình 3. 53 Ứng suất pháp theo phương Y ................................................................ 89 Hình 3. 54 Ứng suất dư tập trung tại điểm đầu và cuối đường hàn ......................... 89 Hình 3. 55 Phân bố ứng suất khi hàn đường 1 ống nhánh 1 .................................... 90 Hình 3. 56 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 2 ống nhánh 1 .............................. 90 Hình 3. 57 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 3 ống nhánh 1 .............................. 90 Hình 3. 58 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 1 ống nhánh 2 .............................. 91 Hình 3. 59 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 2 ống nhánh 2 .............................. 91 Hình 3. 60 Phân bố ứng suất khi hàn đường thứ 6 ................................................... 92 Hình 3. 61 Sự phân bố ứng suất dư sau khi hàn 2400s ............................................ 92 Hình 3. 62 Sự phân bố ứng suất dư sau khi hàn 4000s ............................................ 93 Hình 3. 63 Phân bố ứng suất Von mises trên bề mặt ống chính .............................. 93 Hình 3. 64 Phân bố ứng suất dư trên bề mặt ống chính theo phương X trường hợp hàn 4 ................................................................................................................................ 93 Hình 3. 65 Phân bố ứng suất dư Von mises theo chiều dài ống chính ..................... 94 Hình 3. 66 Sự phân bố ứng suất dư vùng HAZ theo chiều dày thành ống............... 94 Hình 3. 67 Đường lấy kết quả ứng suất dư theo chiều dày thành ống ..................... 95 Hình 3. 68 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ2 và Đ5 ........................................... 95 Hình 3. 69 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ3 và Đ6 ........................................... 96 Hình 3. 70 Phân bố ứng suất dư theo đường Đ1 và Đ3 ........................................... 96 Hình 3. 71 Chuyển biến pha trong khi hàn a) Pha Mactensit; b) Pha Bainite; c) Pha Mactensit ram; d) Pha Ostenite dư ........................................................................... 97 Hình 4. 1 Thiết bị hàn GMAW ................................................................................. 99 Hình 4. 2 Quy cách mối ghép chữ K tiết diện ống ................................................ 100 Hình 4. 3 Thiết kế mối hàn .................................................................................... 100 Hình 4. 4 Chuẩn bị mối ghép hàn thực nghiệm ...................................................... 101 Hình 4. 5 Gá đính phôi hàn liên kết ống chữ K ...................................................... 102 Hình 4. 6 Điều chỉnh chế độ hàn ............................................................................ 102 Hình 4. 7 Hàn lớp lót, đường hàn thứ nhất ............................................................. 102 Hình 4. 8 Hàn lớp phủ, đường hàn thứ 2 ................................................................ 103 Hình 4. 9 Hàn lớp phủ, đường hàn thứ 3 ................................................................ 103 Hình 4. 10 Liên kết hàn chữ K hoàn thiện ............................................................. 104 Hình 4. 11 Đường hàn thứ nhất .............................................................................. 104 Hình 4. 12 Đường hàn thứ 2 ................................................................................... 104 Hình 4. 13 Đường hàn thứ 3 ................................................................................... 105 Hình 4. 14 Thiết bị đo ứng suất và biến dạng - P3 ................................................. 105 Hình 4. 15 Lá đo điện trở ....................................................................................... 106 Hình 4. 16 Các loại mũi khoan ............................................................................... 106 Hình 4. 17 Vị trí đặt lá đo điện trở trên mẫu .......................................................... 107 xi
Hình 4. 18 Kết nối với thiết bị đo ........................................................................... 107 Hình 4. 19 Định vi đồ gá trên mẫu đo .................................................................... 107 Hình 4. 20 Hiệu chỉnh tâm lỗ khoan....................................................................... 108 Hình 4. 21 Hiệu chỉnh thiết bị đo ........................................................................... 108 Hình 4. 22 Lắp đặt máy khoan trên bộ định vị ....................................................... 108 Hình 4. 23 Khoan lỗ ............................................................................................... 109 Hình 4. 24 Lỗ đã khoan hoàn thành ....................................................................... 109 Hình 4. 25 Kết quả đo biến dạng ............................................................................ 109 Hình 5. 1 So sánh kích thước vũng hàn giữa mô phỏng và thực nghiệm............... 111 Hình 5. 2 Vị trí lỗ khoan 1 ...................................................................................... 111 Hình 5. 3 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 1 .......................................................... 112 Hình 5. 4 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 1 .................................. 112 Hình 5. 5 Vị trí lỗ khoan 2 ...................................................................................... 113 Hình 5. 6 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 2 .......................................................... 113 Hình 5. 7 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 2 .................................. 114 Hình 5. 8 Vị trí lỗ khoan 3 ...................................................................................... 114 Hình 5. 9 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 3 .......................................................... 115 Hình 5. 10 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 3 ................................ 115 Hình 5. 11 Vị trí lỗ khoan 4 .................................................................................... 115 Hình 5. 12 Phân bố ứng suất chính tại vị trí 4 ........................................................ 116 Hình 5. 13 Phân bố ứng suất theo phương X và Y tại vị trí 4 ................................ 116 Hình 5. 14 Vị trí đo ứng suất dư: (a) trên mô hình và (b) trên mẫu (VT 1) .......... 117 Hình 5. 15 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 2) ............. 117 Hình 5. 16 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 3) ............. 118 Hình 5. 17 Vị trí đo ứng suất dư trên mẫu và mô hình mô phỏng (VT 4) ............. 118 xii
MỞ ĐẦU Kết cấu giàn gồm các thanh quy tụ và liên kết với nhau tại nút. So với các kết cấu kim loại khác thì kết cấu dạng giàn có những ưu điểm nổi trội như khả năng chịu lực tốt hơn, tiết kiệm vật liệu hơn, chịu được tác động của tải trọng sóng, gió tốt hơn, kết cấu gọn nhẹ hơn,... nên kết cấu giàn thường được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như: Giàn khoan dầu khí, cột điện cao áp, cần trục, các loại tháp (tháp truyền hình, tháp thông tin vô tuyến điện,...), các công trình công cộng (sân vận động, nhà thi đấu, nhà xưởng,...). Trong các kết cấu dạng giàn, kết cấu giàn dạng ống mà ở đó các thanh giàn chế tạo từ thép dạng ống có ưu điểm hơn bởi kết cấu gọn nhẹ, khả năng chịu tải (đặc biệt là tải trọng xoắn) tốt hơn. Nguyên nhân bởi tiết diện ống có bán kính quán tính lớn nên chúng có độ cứng vững và có độ ổn định cao, chịu nén tốt hơn so với các dạng tiết diện khác. Do vậy mà kết cấu giàn dạng ống đang ngày càng được nghiên cứu ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng nhiều hơn so với kết cấu giàn tiết diện khác. Trước đây, khi công nghệ hàn chưa phát triển thì các kết cấu giàn thường được chế tạo bằng ghép bu lông hoặc đinh tán thông qua các thanh giằng và bản mã. Việc chế tạo các kết cấu giàn kiểu này tốn rất nhiều vật liệu và thời gian thi công, kết cấu nặng nề, tốn nhiều chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên, hay bị gỉ sét,... Vì thế mà ngày nay hai phương pháp chế tạo này ít được sử dụng. Vài chục năm trở lại đây, do công nghệ hàn phát triển và đạt được những thành tựu quan trọng như: chế tạo được các kết cấu có tính thẩm mỹ và đạt độ bền cao, tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian và chi phí thi công,... Nên công nghệ hàn đã và sẽ trở thành công nghệ chủ lực để chế tạo các kết cấu kim loại. Nằm trong xu thế đó, công nghệ hàn cũng được ứng dụng để chế tạo các kết cấu giàn kim loại nói chung và kết cấu giàn dạng ống nói riêng. Nhược điểm cơ bản của công nghệ Hàn là gây ra hiện tượng biến dạng và luôn tồn tại ứng suất dư trong kết cấu. Ứng suất dư lớn có thể gây ra nứt trong liên kết, dẫn đến kết cấu bị phá hủy khi chịu tải trọng (đặc biệt là tải trọng động). Thực tế cho thấy nếu không kiểm soát tốt ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn thì khả năng làm việc và tuổi thọ của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu xác định ứng suất dư trong liên kết/ kết cấu hàn là cực kỳ quan trọng. Thông qua đó làm cơ sở để xác định chế độ hàn hợp lý và quy trình hàn tối ưu. Một trong những yêu cầu quan trọng khi chế tạo kết cấu giàn là các phần tử liên kết với nhau tại nút giàn phải đảm bảo đúng tâm để các thanh giàn không chịu uốn mà chỉ chịu kéo - nén. Khi áp dụng công nghệ hàn để chế tạo giàn, nếu không có trình tự hàn hợp lý và không hạn chế được ứng suất dư trong kết cấu thì kết cấu sẽ bị biến dạng lớn, các thanh giàn không còn đúng tâm và dẫn đến khả năng chịu tải của kết cấu bị suy giảm nghiêm trọng. Vì tầm quan trọng như thế nên hiện nay nhiều công ty chế tạo kết cấu giàn của Việt Nam (công ty CP Chế tạo Giàn Khoan Dầu Khí, công ty CP Thi công Cơ giới và Lắp máy Dầu khí, công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu khí,…) cũng đang triển khai nghiên cứu biện pháp làm giảm ứng suất dư khi hàn các kết cấu có tiết diện dạng ống rỗng [1, 2]. Diễn biến hình thành ứng suất nói chung, ứng suất dư nói riêng trong kết cấu hàn là rất phức tạp, đặc biệt là đối với các kết cấu lớn với số lượng đường hàn nhiều. Việc xác định trường ứng suất bằng các phương pháp đo đạc truyền thống gặp rất nhiều khó khăn, đôi khi không thực hiện được. Do vậy, việc nghiên cứu tìm ra giải pháp 1
mới để xác định ứng suất trong kết cấu hàn là hết sức cần thiết. Ngay nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử và các thuật toán mô phỏng thông qua các phần mềm chuyên dụng, có thể giải quyết các bài toán đa trường và tính toán chuỗi sự kiện nên việc xác định ứng suất trong kết cấu hàn trở nên thuận lợi và đạt độ chính xác cao. Từ những yếu tố nêu trên, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống” là rất cần thiết và cấp bách. Nghiên cứu thành công sẽ là cơ sở khoa học quan trọng để tìm ra chế độ công nghệ và kỹ thuật hàn hợp lý áp dụng trong chế tạo các kết cấu giàn kim loại. Ở Việt Nam, đã có công trình khoa học nghiên cứu về vấn đề này [1, 2] và đạt được một số kết quả nhất định nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể đi sâu vào xác định trạng thái, sự phân bố ứng suất dư trong hàn nút giàn dạng ống. Chính vì vậy, hiện nay ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép rất cần có được những nghiên cứu mang chiều sâu nhằm nâng cao chất lượng thành phẩm thông qua chất lượng các liên kết chế tạo. Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độ hàn GMAW và trình tự hàn hợp lý cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Đề ra các biện pháp kỹ thuật, công nghệ để giảm ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Đối tượng nghiên cứu - Nút giàn dạng ống chữ K với đường kính ống chính là 219mm, chiều dài 900mm, chiều dày 10mm; đường kính ống nhánh là 102mm, chiều dài 350mm, chiều dày 6mm. - Vật liệu thép A572 Grade50. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu, tìm hiểu các quá trình hàn đã và đang được áp dụng để chế tạo kết cấu giàn kim loại. - Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ hàn GMAW phù hợp với kết cấu nút giàn dạng ống chữ K. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp phần tử hữu hạn. - Mô phỏng tính toán trường nhiệt độ và ứng suất phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phần mềm SYSWELD. - Kiểm chứng các kết quả tính toán mô phỏng ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp khoan lỗ. Phương pháp nghiên cứu Do liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K có kết cấu tương đối phức tạp, mối hàn được thực hiện bởi nhiều lớp nên nếu chỉ áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn thuần thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Đặc biệt là việc xác định ứng suất dư tại đường hàn lót và các vị trí góc hẹp. Trong khi đó, hiện tại có sẵn công cụ tính toán hiện đại (máy tính trạm và phần mềm SYSWELD chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình hàn) nên tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng + thực nghiệm kiểm chứng. Cụ thể như sau: 2
- Nghiên cứu tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước qua đó tìm ra những nội dung mới mà luận án cần giải quyết. - Nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt trong vật hàn và cơ chế hình thành ứng suất trong liên kết hàn. Ứng dụng vào đối tượng nghiên cứu là liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. - Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng để xác định trường nhiệt độ, trường ứng suất tác động và ứng suất dư phân bố trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Trên cơ sở đó tìm ra trình tự hàn hợp lý khi hàn nút giàn dạng ống chữ K bằng phương pháp hàn GMAW. - Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm nhằm tạo ra liên kết hàn thực tế. - Sử dụng các thiết bị đo, phân tích để đo đạc và kiểm chứng các kết quả tính toán mô phỏng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1. Ý nghĩa khoa học của luận án - Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu hàn nút giàn dạng ống, hàn nhiều lớp. Làm cơ sở phát triển ứng dụng nghiên cứu cho các kết cấu nút giàn khác. - Bổ sung cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành ứng suất trong kết cấu nút giàn dạng ống nói riêng, nút giàn không gian nói chung. - Xác định được ảnh hưởng của trình tự hàn đến độ lớn của ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống. 2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án - Kết quả luận án có thể làm cơ sở để phát triển áp dụng vào chế tạo kết cấu giàn hàn dạng ống chữ K nhằm giảm ứng suất dư và tăng tuổi thọ cho các kết cấu giàn hàn. - Luận án mở ra một hướng mới trong đào tạo, nghiên cứu phát triển ngành công nghiệp chế tạo kết cấu hàn nói chung và kết cấu giàn hàn (giàn phẳng, giàn không gian) nói riêng ở Việt Nam. Các đóng góp mới của luận án Thông qua quá trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số theo các nhiệm vụ nghiên cứu đã đề ra, luận án này có những đóng góp mới sau đây: 1. Xây dựng được phương pháp nghiên cứu và chương trình tính toán mô phỏng số bằng phần mềm SYSWELD áp dụng cho liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Có thể phát triển chương trình này để nghiên cứu trên các nút giàn dạng ống khác. 2. Đánh giá được ảnh hưởng của trình tự hàn đến ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Qua đó tìm ra được trình tự hàn hợp lý để có ứng suất dư nhỏ nhất. Đóng góp này nếu được áp dụng vào trong thực tiễn sản xuất sẽ tạo ra được kết cấu hàn có chất lượng cao. 3. Tìm ra được quy luật biến thiên của các thành phần ứng suất và quy luật phân bố của ứng suất dư, trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. 4. Xác định được bộ thông số chế độ hàn hợp lý đối với liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K, hàn nhiều lớp. 5. Áp dụng thành công phương pháp khoan lỗ để đo ứng suất dư trong vùng ảnh hưởng nhiệt của liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. 3
Kết cấu của luận án Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 05 chương, cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Mô phỏng số xác định trường ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận Kết luận chung của luận án và những kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo. Danh mục tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình đã công bố của luận án. 4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng ở Việt Nam hiện tại, cùng với vật liệu bê tông cốt thép. Từ rất lâu (khoảng hơn 100 năm) việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép (BTCT) trong phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác. Ví dụ Nhà hát lớn Hà Nội, một công trình nổi tiếng hoàn thành vào thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20, có kết cấu được xây dựng hoàn toàn bằng gạch và thép, không sử dụng bê tông cốt thép. Mái vòm tròn là cupôn hình nón gồm các sườn hình tam giác, tựa trên gối đỡ. Mọi sàn nhà lớn, ban công, cầu thang đều làm bằng dầm thép chủ tổ hợp đinh tán, các dầm thép hình và cuốn gạch tạo mặt sàn. Cấu tạo sàn kiểu dầm thép và cuốn gạch này được áp dụng trong hầu hết các mặt sàn và được áp dụng trong hầu hết các nhà tầng có tầng gác được xây dựng thời kỳ đó. Các nhà xưởng lớn được chế tạo bằng thép phải kể đến là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, các nhà ga máy bay ở Gia Lâm và Bạch Mai,... Công nghệ và hình thức của kết cấu phụ thuộc vào trình độ đương đại: thép cacbon thấp, liên kết đinh tán, thép cán cỡ nhỏ. Trước đây, việc thiết kế chế tạo các kết cấu thép sử dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp chỉ đơn giản là tạo ra sản phẩm phục vụ nhu cầu của thị trường chứ chưa nghiên cứu phân tích đánh giá chất lượng hàn để sản phẩm sử dụng hiệu quả. Ở Việt Nam, cũng có một số nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề phân tích, đánh giá trường nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng hàn trong liên kết hàn dạng ống. Tuy nhiên cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán khả năng chịu lực của một số liên kết nút giàn thép tiết diện rỗng và thiết kế quy trình hàn hoặc đi giải quyết bài toán về khả năng làm việc (giới hạn mỏi, tuổi thọ làm việc,..) của kết cấu hàn [1 - 4]. Tác giả Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng: “Nghiên cứu sự làm việc và tính toán liên kết hàn các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng, chịu tải trọng tĩnh” [1] là một minh chứng cho việc nghiên cứu kết cấu thép ở Việt Nam hiện nay. Trong nghiên cứu của mình, tác giả trình bày một số hình thức liên kết các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng; phân tích các tiêu chí phá hủy và các điều kiện phá hủy đổi với một số kiểu nút giàn thông dụng. Trên cơ sở đó, tác giả phân tích tính toán độ bền của các liên kết nút giàn thép có tiết diện ống rỗng – CHS. Đồng thời tác giả cũng sử dụng phương pháp toán đồ thiết kế để thiết kế liên kết hàn cho các nút giàn thép tiết diện rỗng trên cơ sở tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu) cho sẵn toán đồ thiết kế các nút giàn phổ biến và kiểm tra liên kết nút giàn thép ống rỗng. Tuy nhiên, ở nghiên cứu của mình, tác giả Huỳnh Minh Sơn chỉ dừng lại ở mức độ toán điều kiện làm việc của liên kết hàn tiết diện rỗng mà chưa đi sâu vào nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư và biến dạng của nút giàn dạng ống. Nhóm kỹ sư của Công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu Khí thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam cũng đã nghiên cứu thiết kế chi tiết và công nghệ chế tạo chân giàn khoan tự nâng 90 m nước [2]. Đây cũng là bước đột phá lớn trong ngành chế tạo kết cấu thép ở Việt Nam và đã gặt hái được một số thành công nhất định. Trong nghiên cứu, tập thể kỹ sư của công ty chỉ xây dựng quy trình hàn (WPS) và người thợ bằng kinh nghiệm làm việc chế tạo ra sản phẩm. Và những sản phẩm này chỉ được kiểm tra các khuyết tật hàn (siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, chỉ thị màu,..) mà chưa đánh giá được tuổi thọ làm việc cũng như dự đoán những hư hỏng có thể xảy ra trong quá trình làm việc của kết cấu để từ đó đề ra các biện pháp sửa chữa hàn theo 5
thời gian làm việc hoặc làm tăng tuổi thọ của kết cấu. Việc giảm ứng suất dư và biến dạng trong quá trình hàn các liên kết trên chủ yếu dựa vào kinh nghiệm không sử dụng các thiết bị đo hoặc thí nghiệm để so sánh, phân tích và đánh giá các kết quả đã đạt được. Vì thế, việc dự đoán tuổi thọ làm việc của kết cấu hàn khi chịu tác dụng của tải trọng biến đổi sẽ gặp rất nhiều khó khăn. 1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Như chúng ta đã biết kết cấu dạng ống rỗng (CHS) có tính ưu việt vượt trội so với các kết cấu có tiết diện mặt cắt ngang khác. Chính vì vậy trên thế giới có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đến dạng liên kết này [22-25, 29], từ việc thiết kế, chế tạo các kết cấu dạng CHS sao cho hiệu quả đến áp dụng công nghệ hàn vào từng trường hợp cụ thể. Ngoài việc sử dụng các công cụ toán học cho việc tính toán độ bền của các mối hàn, trường ứng suất và biến dạng hàn [26, 27, 59, 60], các nhà khoa học còn sử dụng các phần mềm mô phỏng công nghiệp chuyên dùng như ANSYS, SYSWELD, ABAQUS,... để mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn nói chung và nút giàn dạng ống tiết diện rỗng nói riêng [18,21, 27, 28, 38, 50]. Sau đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu của các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về kết cấu giàn dạng CHS và đề tài khoa học của NCS. 1. Tác giả Đào Quang Kế với luận án tiến sĩ kỹ thuật: Làm giảm và phân bố lại ứng suất dư hàn trong mối hàn vòng của (các) ống bằng gia công nổ cục bộ, Trường Đại học kỹ thuật “A. Kanchev” – Ruse [94]. Trong luận án này tác giả đã nêu lên được ảnh hưởng của ứng suất dư hàn và biến dạng đối với chất lượng của mối hàn vòng giáp mối dạng ống. Đồng thời, tác giả cũng đã nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư trong mối hàn vòng dạng ống. Tuy nhiên trong nghiên cứu của mình tác giả chưa đề cập đến nút giàn dạng chữ T, Y, K,... Cũng trong luận án này tác giả cũng đã đưa ra một số phương pháp làm giảm và phân bố lại ứng suất dư trong hàn, như là: - Ram; - Làm lạnh cục bộ; - Cơ nhiệt; - Nung nóng sơ bộ. và các biện pháp làm giảm biến dạng hàn - Rèn; - Cán; - Rung; - Siêu âm; - Tải tĩnh; - Gia công xung bằng nổ 2. Tác giả J. Wardenier với tài liệu Hollow Sections in Structure Application [23] Trong cuốn sách này tác giả đã nêu được một số vấn đề sau: - Tổng quan về tình hình sử dụng thép rỗng (CHS) trong ngành công nghiệp xây dựng dân dụng. - Quy trình chế tạo thép CHS. - Ảnh hưởng của các thông số, chế độ hàn tới độ bền của liên kết hàn CHS. - Mỏi trong liên kết hàn ống rỗng: Trong mục này tác giả trình bày cơ chế, nguyên nhân hình thành mỏi cơ học. Đồng thời đưa ra một số định nghĩa cũng như các yếu 6