Gemi üretiminde kaynak nedeniyle oluşan deformasyonlar ve artık gerilmeler

Abstract

Kaynak gemi üretiminde başlıca birleştirme metodudur. Fakat ani ve lokal sıcaklık değişimleri malzemede plastik deformasyonların ve artık gerilmelerin oluşmasına neden olur. Bu deformasyonların ve artık gerilmelerin, gemi üretim kuralları ve standartları çerçevesinde belli sınırlar içerisinde kalması gerekmektedir, bu nedenle deformasyonlar, gemi bünyesinde asgariye indirilmelidir. Bunun için genelde tavlama işlemi yapılmaktadır, tavlamayı yapan kişinin tecrübesine bağlı olarak deformasyonlar düzeltilebilir, ama bu iş akışım yavaşlatır ve maliyetleri artırır. Kaynak deformasyonlarının giderilmesi ve blok montajı esnasında yapılan ayarlama (adjustment) ve düzeltme işlemleri gemi üretim süresini arttırmakta ve maliyeti yükseltmektedir. Kaynağın yapının performansı ve kalitesi üzerindeki etkisini görebilmek ve oluşan deformasyonları değişik kaynak parametrelerini değiştirerek minimuma indirmek için, öncelikle kaynak nedeniyle oluşan deformasyonların ve artık gerilmelerin hesaplanması gerekmektedir. Bu yüzden, bu çalışmada, kaynak nedeniyle gemi üretiminde oluşan deformasyonlar ve artık gelirmelerin oluşma mekanizması incelenmiş. Sonlu eleman paket programı SYSWELD kullanılarak kaynak nedeniyle oluşan deformasyonlar ve artık gerilmeler hesaplanmıştır. Üç boyutlu T bağlantı kaynağı için analiz iki aşamada yapılmıştır. Birinci aşamada sabit hızla hareket eden Goldak çift elipsoid ısı kaynağının yapı üzerinde oluşturduğu sıcaklık dağılımı zaman alanında, metalürjik dönüşümlerle birbirine bağlı olarak ve sıcaklıkla değişen malzeme özellikleri için hesaplanmıştır. İkinci aşamada ise zamana bağlı termal analizden elde edilen ısıl yükler, yine zamana bağlı, nonlineer elostoplastik analizde kullanılmıştır. Elostoplastik analizde, izotropik pekleşme modeli kullanılmıştır. Hesaplanan deformasyon değerleri, literatürdeki deneysel sonuçlarla karşılaştırıldığında, T bağlantı kaynağından dolayı oluşan ve dominant deformasyon olan, düşey yerdeğiştirme için çok yakın sonuçlar bulunmuştur. Fakat basit geometrilerde dahi, kaynak nedeniyle oluşan deformasyonları ve artık gerilmeleri sonlu eleman metodu ile zaman alanında hesaplamak, oldukça fazla bilgisayar hesap gücü gerektirmektedir. Bu nedenle stifnerli gemi panelleri gibi birçok kaynaklı bağlantıdan oluşan yapıların üç boyutlu modellerinin zaman alanında analizi mümkün değildir. Bu çalışmada ayrıca, bu tip yapılarda oluşan deformasyonu hesaplamak için Sysweld programı içinde varolan lokal global metod açıklanmıştır. Bu metotla farklı kaynak sıralarının ve sınır şarlarının yapı üzerindeki etkisi mevcut bilgisayar kapasiteleriyle incelenebilmektedir. Fakat çözümün doğruluğu, global yapıdan çıkarılan lokal modelin zaman alanındaki analizinde kullanılan sınır şartlarının seçimine çok bağlıdır. Lokal global metod için sonlu eleman modeli hazırlamak oldukça zaman alıcıdır ve pratik bir metod değildir.

Welding is the main joining method in ship production. However, local and step temperature changes cause plastic deformations and residual stresses. These deformations should be minimized, because of that deformation and residual stresses should be kept in a level which is acceptable in ship production standards. Flame heating process is, generally, applied to correct deformations, and the success of the process depends on experience of the worker. This process slows down the workflow and increases the cost of the production. The welding deformation correction, adjustment and reworks in block assembly increase production time and cost. Firstly, it is necessary to calculate the welding induced deformations and residual stresses for understanding the effect of the welding on the performance and quality of structure and then the deformations may be minimized changing some welding parameters. Therefore, in this study the mechanism creating deformations and residual stresses because of welding is investigated in ship production, and the residual stresses and deformations are calculated by using commercial finite element software Sysweld. A three dimensional welding analysis for a T- Joint is performed in two steps. In the first step, the temperature distribution created by moving Goldak double ellipsoid heat sources is calculated within in the structure in time domain. In calculations, it is assumed that the temperatures are coupled with the metallurgical transformations and that the material properties changes with temperature. In the second step, the loads obtained from the thermal analysis are used in the time domain nonlinear elasto- plastic analysis. Isotropic strain hardening model of the material is used in the analysis. The calculated deformations are compared with experimental results found in the literature. The experimental results for the dominant deformation, vertical displacement, are in very good agreement with the calculated results. Calculation of the welding induced deformation and residual stresses in time domain requires so much computational power even for a simple joint. Analysis of the three dimensional structures which includes so much welding joint like stiffened ship panels aren't possible in time domain. Additionally, in this study, the local global method available in Sysweld is presented. Different welding sequences and clamping condition can be investigated with available computer capability. However, the correctness of the solution, strongly, depends on boundary condition employed in time domain analysis of the local model. However, the local global method isn't practical due to the time needed for the preparation of the finite element model of the structure.