Computational studies of deformation in stainless steel rings due to torch heating
Kaila, Pia (2015)
Diplomityö
Kaila, Pia
2015
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201505218701
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201505218701
Tiivistelmä
A support ring of AISI 304L stainless steel that holds vertical, parallel wires arranged in a circle forming a cylinder is studied. The wires are attached to the ring with heat-induced shrinkage. When the ring is heated with a torch the heat affected zone tries to expand while the adjacent cool structure obstructs the expansion causing upsetting. During cooling, the ring shrinks smaller than its original size clamping the wires. The most important requirement for the ring is that it should be as round as possible and the deformations should occur as overall shrinkage in the ring diameter.
A three-dimensional nonlinear transient sequential thermo-structural Abaqus model is used together with a Fortran code that enters the heat flux to each affected element. The local and overall deformations in one ring inflicted by the heating are studied with a small amount of inspection on residual stresses.
A variety of different cases are chosen to be studied with the model constructed to provide directional knowledge; torch flux with the means of speed, location of the wires, heating location and structural factors. The decrease of heating speed increases heat flux that rises the temperature increasing shrinkage. In a single progressive heating uneven distribution of shrinkage appears to the start/end region that can be partially fixed with using speeded heating’s to strengthen the heating of that region. Location of the wires affect greatly to the caused shrinkage unlike heating location. The ring structure affects also greatly to the shrinkage; smaller diameter, bigger ring height, thinner thickness and greater number of wires increase shrinkage. AISI 304L ruostumaton teräs rengas, joka tukee yhdensuuntaisia pystysuoria lankoja asetettuna kehän muotoon muodostaen sylinterin, tutkitaan. Langat kiinnitetään renkaaseen kuumennuksella aiheutetulla kutistumalla. Kun rengasta kuumennetaan polttimella, kuumennettu alue pyrkii laajenemaan viereisten viileämpien rakenteiden vastustaessa laajenemista aiheuttaen tyssääntymistä. Jäähtyessään rengas kutistuu alkuperäistä kokoaan pienemmäksi kiinnittäen langat. Renkaan tärkein vaatimus on säilyttää pyöreys ja muodonmuutosten tulisi tapahtua renkaan halkaisijan kokonaisvaltaisena kutistumana.
Kolmiulotteista, epälineaarista, tilapäistä sekä peräkkäisillä lämpö-rakenteellisilla vaiheilla olevaa Abaqus mallia käytetään yhdessä Fortran koodin kanssa, joka asettaa lämpövuon jokaiseen vaikutuksen alaiseen elementtiin. Kuumennuksesta aiheutuvia paikallisia ja kokonaisvaltaisia muodonmuutoksia tutkitaan yhdessä renkaassa hieman tarkastellen myös jäännösjännityksiä.
Erilaisten tapausten lajitelma valitaan tutkittavaksi rakennetulla mallissa tarjoamaan suuntaa-antavaa tietoa; polttimen vuo nopeuden avulla, lankojen sijainti, kuumennuksen sijainti ja rakenteelliset tekijät. Kuumennusnopeuden vähentäminen lisää lämpövuota nostaen lämpötilaa ja kasvattaen kutistumaa. Yhdessä etenevässä kuumennuksessa esiintyy epätasaisesti jakautuvaa kutistumaa aloitus/lopetus alueella joka voidaan osittain korjata käyttämällä nopeutettu kuumennuksia vahvistamaan kyseisen alueen kuumentamista. Lankojen sijainti vaikuttaa suuresti aiheutuvaan kutistumaan toisin kuin kuumennus sijainti. Renkaan rakenne vaikuttaa myös suuresti kutistumaan; pienempi halkaisija, suurempi renkaan korkeus, ohuempi paksuus ja suurempi määrä lankoja kasvattavat kutistumaa.
A three-dimensional nonlinear transient sequential thermo-structural Abaqus model is used together with a Fortran code that enters the heat flux to each affected element. The local and overall deformations in one ring inflicted by the heating are studied with a small amount of inspection on residual stresses.
A variety of different cases are chosen to be studied with the model constructed to provide directional knowledge; torch flux with the means of speed, location of the wires, heating location and structural factors. The decrease of heating speed increases heat flux that rises the temperature increasing shrinkage. In a single progressive heating uneven distribution of shrinkage appears to the start/end region that can be partially fixed with using speeded heating’s to strengthen the heating of that region. Location of the wires affect greatly to the caused shrinkage unlike heating location. The ring structure affects also greatly to the shrinkage; smaller diameter, bigger ring height, thinner thickness and greater number of wires increase shrinkage.
Kolmiulotteista, epälineaarista, tilapäistä sekä peräkkäisillä lämpö-rakenteellisilla vaiheilla olevaa Abaqus mallia käytetään yhdessä Fortran koodin kanssa, joka asettaa lämpövuon jokaiseen vaikutuksen alaiseen elementtiin. Kuumennuksesta aiheutuvia paikallisia ja kokonaisvaltaisia muodonmuutoksia tutkitaan yhdessä renkaassa hieman tarkastellen myös jäännösjännityksiä.
Erilaisten tapausten lajitelma valitaan tutkittavaksi rakennetulla mallissa tarjoamaan suuntaa-antavaa tietoa; polttimen vuo nopeuden avulla, lankojen sijainti, kuumennuksen sijainti ja rakenteelliset tekijät. Kuumennusnopeuden vähentäminen lisää lämpövuota nostaen lämpötilaa ja kasvattaen kutistumaa. Yhdessä etenevässä kuumennuksessa esiintyy epätasaisesti jakautuvaa kutistumaa aloitus/lopetus alueella joka voidaan osittain korjata käyttämällä nopeutettu kuumennuksia vahvistamaan kyseisen alueen kuumentamista. Lankojen sijainti vaikuttaa suuresti aiheutuvaan kutistumaan toisin kuin kuumennus sijainti. Renkaan rakenne vaikuttaa myös suuresti kutistumaan; pienempi halkaisija, suurempi renkaan korkeus, ohuempi paksuus ja suurempi määrä lankoja kasvattavat kutistumaa.