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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-4771-0048
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Desenvolvimento, otimização e automatização de novos modelos de fontes de calor para simulação numérica de processos de soldagem a arco
Alternate title (s): Development, optimization and automation of new models of heat sources for numerical simulation of arc welding processes
Author: Farias, Rodrigo Martins
First Advisor: Vilarinho, Louriel Oliveira
First coorientator: Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
First member of the Committee: Silva, Rosemar Batista
Second member of the Committee: Santos, Elizaldo Domingues
Third member of the Committee: Silva, Marcio Bacci da
Summary: Processos de união por soldagem a arco elétrico envolvem fenômenos térmicos, mecânicos e metalúrgicos de relativa complexidade, exigindo árdua modelagem matemática. Os aspectos térmicos governam os comportamentos mecânicos e microestruturais da peça soldada. A análise térmica da soldagem é um problema transiente não-linear tridimensional. Sua modelagem baseia-se no conceito de fonte de calor para contemplar a entrada de calor na geometria da junta soldada. Diversas fontes de calor estão disponíveis na literatura, entretanto, para obter a acurácia desejada tais fontes possuem parâmetros geométricos a determinar, o que demanda longo tempo computacional, mesmo com o uso de modernas metodologias de otimização. Para vários casos de juntas soldadas, às vezes os resultados não são satisfatórios. Neste trabalho, são apresentadas análises numéricas de soldagem de passe único, para quatro configurações de juntas (topo, sobreposta, canto e T), tendo como materiais base o aço carbono AISI 1020 e aços inoxidáveis AISI 304 e AISI 316 nas espessuras de 3,00 e 6,00 mm, utilizando os processos de soldagem GTAW e GMAW. As simulações numéricas térmicas foram realizadas através do Método dos Elementos Finitos, via software ANSYS Multiphysics, considerando três fontes de calor clássicas (Gaussiana, Cônica e Duplo Elipsóide) e duas novas propostas de fonte com perfil volumétrico variável denominadas FCV e FFV. Foram consideradas transferência de calor por convecção e radiação ao ambiente, e propriedades dos materiais variáveis com a temperatura. Os formatos da zona fundida e ciclos térmicos das juntas, obtidos dos experimentos desenvolvidos no Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem (LAPROSOLDA – UFU), localizado em Uberlândia, Brasil, são comparados com os resultados das simulações. Tais dados, obtidos por meio de macrografias e termopares, foram utilizados em uma nova metodologia de otimização para encontrar os parâmetros ótimos das fontes de calor apresentadas, através de técnicas de problemas inversos e Algoritmos Genéticos, e uma nova técnica denominada Geometria Reduzida. Foi desenvolvido um software (OWSO) e uma biblioteca numérica de soldagem (WeldLib), que exigem mínima interferência do usuário, tornando o processo parcialmente automatizado. Foram feitas análises da acurácia em relação aos experimentos, assim como dos tempos computacionais obtidos. Obteve-se boa aproximação para os resultados térmicos, e as novas fontes desenvolvidas mostraram resultados superiores quando comparadas com fontes clássicas. Além disso, a nova metodologia de otimização resultou diminuições da ordem de 90% no tempo computacional.
Abstract: Joining processes by electric arc welding involve thermal, mechanical and metallurgical phenomena of relative complexity, requiring arduous mathematical modeling. The thermal aspects govern the mechanical and microstructural behavior of the welded part. The thermal analysis of welding is a three-dimensional non-linear transient problem. Its modeling is based on the concept of heat source to contemplate the entry of heat into the geometry of the welded joint. Several heat sources are available in the literature, however, to obtain the desired accuracy, these sources have geometric parameters to determine, which tends to demand a long computational time, even with the use of optimization methodologies. For several cases of welded joints, sometimes the results are not satisfactory. In this work, numerical analysis of single pass welding are presented, for four joint configurations (butt, overlap, corner and T), having as base materials AISI 1020 carbon steel and AISI 304 and AISI 316 stainless steel, in thicknesses of 3,00 and 6,00 mm, and using the GTAW and GMAW welding processes. The numerical thermal simulations were carried out using the Finite Element Method, via ANSYS Multiphysics software, considering three classic heat sources (Gaussian, Conical and Double Ellipsoid), and two new proposals of heat sources with variable volumetric profile called FCV and FFV. Heat transfer by convection and radiation to the environment, and material properties as temperature-dependent were considered. The fused zone shapes and thermal cycles of the joints, obtained from the experiments developed at the Research Laboratory in Welding Engineering (LAPROSOLDA - UFU), located in Uberlândia, Brazil, are compared with the results of the simulations. Such data, obtained by macrographys and thermocouples, were used in a new optimization methodology to find the optimal parameters of the heat sources presented, through inverse problem techniques and Genetic Algorithms, and a new technique called Reduced Geometry. A software (OWSO) and a numerical welding library (WeldLib) were developed, which requires minimal user interference, making the process partially automated. Accuracy analysis were carried out in relation to experiments, as well as the computational times obtained. A good agreement for thermal results was obtained, and the new heat sources developed showed superior results when compared with classic ones. Besides, the new optimization methodology resulted in decreases of around 90% in computational time.
Keywords: Simulação numérica de soldagem
Numerical welding simulation
Otimização
Optimization
Fonte de calor variável
Variable heat source
OWSO
ANSYS
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: FARIAS, Rodrigo Martins. Desenvolvimento, otimização e automatização de novos modelos de fontes de calor para simulação numérica de processos de soldagem a arco. 2020. 193 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, 2020. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.414.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.414
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29368
Date of defense: 18-May-2020
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