Xây dựng mô hình toán học tính ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến chất lượng mối hàn tàu thủy tại hiện trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH ẢNH
HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG
ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN TÀU THỦY TẠI
HIỆN TRƯỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC;
MÃ SỐ: 60520116
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY
Người thực hiện: KS. Nguyễn Văn Bách
Người hướng dẫn khoa học: PGS. Ts.Trương Sỹ Cáp


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Lý do lựa chọn đề tài
 Công nghệ hàn có rất nhiều ưu điểm vượt trội
- Độ bền cao, độ kín khí tốt
- Sản phẩm đa dạng, có thể hàn nhiều kim loại khác nhau
- Có thể gia công nhiều chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp

- Thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, dễ cơ khí hóa, tự động hóa
 Được áp dụng rộng rãi trong sản xuất kết cấu kim loại cỡ lớn và công

nghiệp đóng tàu
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Lý do lựa chọn đề tài
 Khi hàn ngoài hiện trường xuất hiện các yếu tố bất lợi
– Nhiệt độ
– Sự xâm nhập của các nguyên tố trong môi trường: O2, H2, N2…
– Tác động của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Mục đích của đề tài
 Nghiên cứu cụ thể các yếu tố bất lợi kể trên
 Xây dựng mô hình toán học để tính toán định lượng những sự ảnh
hưởng bất lợi đó đến quá trình hàn
 Làm cơ sở cho các giải pháp khắc phục phù hợp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Phạm vi nghiên cứu của đề tài
1. Bài toán ảnh hưởng của nhiệt độ khi hàn ngoài trời
2. Bài toán khuếch tán chất khi hàn ngoài trời
3. Bài toán ảnh hưởng của gió khi hàn ngoài trời
4. Xây dựng mô hình toán học tính ảnh hưởng của các yếu tố môi trường

kể trên đến chất lượng mối hàn.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Phương pháp nghiên cứu của đề tại
 Phương pháp lý thuyết kết hợp với thống kê các công thức và hệ số
thực nghiệm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Kết cấu của đề tài
Mở đầu

Chương 1 Tổng quan
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Xây dựng mô hình toán học tính ảnh hưởng
có các yếu tố môi trường đến chất lượng mối
hàn khi hàn ngoài trời.
Phụ lục
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Tầm quan trọng của hàn ngoài trời
Chương 1:
Tổng quan
 Tầm quan
trọng của
hàn ngoài
trời
 Tình hình
nghiên cứu
 Đặc điểm
của hàn
ngoài trời

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Hàn ngoài trời chiếm tỉ lệ khoảng 25 – 35% tổng
khối lượng hàn tàu

 Áp dụng trong quá trình đấu nối các phân tổng
đoạn trên triền đà
 Có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng con
tàu: - Thẩm mỹ
- Độ bền

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Tình hình nghiên cứu
Chương 1:
Tổng quan
 Tầm quan
trọng của
hàn ngoài
trời
 Tình hình
nghiên cứu
 Đặc điểm
của hàn
ngoài trời
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Ngoài nước: có một số công trình nghiên cứu về
công nghệ hàn ngoài trời

– Phân tích các điều kiện bất lợi khi hàn ngoài
trời.
– Tính toán định lượng sự ảnh hưởng của một
số điều kiện bất lợi.
– Xây dựng quy trình, vật liệu hàn ngoài trời

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Tình hình nghiên cứu
Chương 1:
Tổng quan
 Tầm quan
trọng của
hàn ngoài
trời
 Tình hình
nghiên cứu
 Đặc điểm
của hàn
ngoài trời
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Trong nước: Các công trình và tài liệu đã công
bố chủ yếu áp dụng cho hàn trong phân xưởng,

chưa có các nghiên cứu về ảnh hưởng của các
yếu tố bất lợi khi hàn ngoài trời cũng như cách
tính toán các yếu tố bất lợi đó.

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Đặc điểm của hàn ngoài trời
Chương 1:
Tổng quan
 Tầm quan
trọng của
hàn ngoài
trời
 Tình hình
nghiên cứu
 Đặc điểm
của hàn
ngoài trời
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Ảnh hưởng của nhiệt độ.
 Ảnh hưởng của các nguyên tố trong không khí.

 Ảnh hưởng của gió.

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.1 Bài toán nhiệt
2.1.1 Tính toán quá trình nung

Chương 2: Cơ
sở lý thuyết  Xuất phát từ phương Rukalin
 Bài toán
𝑚𝜕 𝑆𝑘 − 𝑆𝐻𝑇 + 𝑆𝐻 = 𝜂Đ . 𝑈𝑔 . 𝐼𝐶𝐵 (2.1)
nhiệt
 Tính toán
 Biến đổi phương trình (2.1) có thể tính : 𝑚𝜕
quá trình
𝑚𝜕 = 𝛼𝑝 . 𝐼𝐶𝐵
(2.2)
luyện kim
 Tính toán
𝜂Đ .𝑈𝑔
 Trong đó: 𝛼𝑝 =
(2.3)
ảnh hưởng
𝑆𝐾 −𝑆𝐻𝑇 +𝑆𝐻
của gió
- 𝛼𝑝 : hệ số đắp của điện cực

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.1 Bài toán nhiệt
2.1.1 Tính toán quá trình nung
Chương 2: Cơ
 Tương tự phương trình (2.3) ta có phương trình
sở lý thuyết
tính hệ số nóng chảy của kim loại cơ bản:
 Bài toán
nhiệt
𝜂𝑂.𝑀 .𝑈𝑔
𝛼𝑝.𝑂.𝑀 =
kg/AC (2.4)
 Tính toán
𝑆𝐾 −𝑆𝐻𝑇 +𝑆𝐻
quá trình
 Để tăng 𝛼𝑝 , 𝛼𝑝.𝑂.𝑀 thì cách hiệu quả nhất là tăng
luyện kim
 Tính toán
SHT - nung nóng vật liệu hàn.
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.1 Bài toán nhiệt
2.1.1 Tính toán quá trình nung
Chương 2: Cơ
 Giải phương trình cân bằng nhiệt khi nung nóng
sở lý thuyết
 Bài toán
𝐶. 𝜌. 𝑑𝑇 = 𝜂1 . 𝜌𝜀 . 𝑖 2 . 𝑑𝑡
(2.5)
nhiệt
Ta thu được công thức tính nhiệt độ nung vật liệu
 Tính toán
điện cực khi hàn như sau
quá trình
luyện kim
2 𝑑𝑡 = 𝑘 𝑖 2 𝑡 + 𝐶
𝑇
=
𝑘
𝑖
(2.10)
 Tính toán
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.1 Bài toán nhiệt
2.1.1 Tính toán quá trình nung
Chương 2: Cơ
sở lý thuyết
 Bài toán
nhiệt
 Tính toán
quá trình
luyện kim
 Tính toán
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Đối với thép Cacbon
T = 0,161(1 – 10-3.v)i2t – 640 + T00C

(2.11)

Trong đó : v – là vận tốc gió hoặc không khí bảo

vệ, (m/s)
I – mật độ dòng điện hàn, (A/mm2)
t – thời gian nung các đoạn lõi hàn lớn , (s)
T0 – nhiệt độ không khí xung quanh, (0c)
Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.1 Bài toán nhiệt
2.1.2 Tính toán trường nhiệt độ trên
vật hàn

Chương 2: Cơ
sở lý thuyết  Cơ sở để tính toán trường nhiệt độ trên vật hàn là
 Bài toán
phương trình Fourier có dạng:
nhiệt
 Tính toán
𝜕𝑇
𝜕
𝜕
𝜕
𝜕
2𝛼
𝐶
=
𝜆
+

𝜆
−
𝑇
(2.12)
𝛾 𝜕𝑡
quá trình
𝜕𝑥
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑦
𝐶𝛾 𝛿
luyện kim
 Việc giải phương trình (2.12) sẽ cho phân bố nhiệt
 Tính toán
T(x, y, t), cho phép ta tìm được vùng có nhiệt độ
ảnh hưởng
của gió
> 5000C là vùng ảnh hưởng nhiệt.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.2. Tính toán quá trình luyện kim khi
hàn ngoài trời
Chương 2: Cơ
 Cơ sở để giải bài toán khuếch tán chất là phương

sở lý thuyết
trình vi phân định luật Fick II có dạng:
 Bài toán
nhiệt
𝜕𝐶
𝜕
𝜕𝐶
𝜕
𝜕𝐶
 Tính toán
=
𝐷
+
(𝐷 )
𝜕𝑡 𝜕𝑥
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑦
quá trình
luyện kim
 Giải phương trình trên ta thu được phân bố các
 Tính toán
nguyên tố trong thành phần kim loại mối hàn
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.2. Tính toán quá trình luyện kim khi
hàn ngoài trời
Chương 2: Cơ  Trong điều kiện nhiệt độ không đổi,
sở lý thuyết
 Bài toán
𝜕𝐶𝑝
𝜕2 𝐶𝑝
= 𝐷(𝑥) 2
(2.16)
𝜕𝑡
𝜕𝑥
nhiệt
 Tính toán
 Trong đó: Cp: Nồng độ các chất
quá trình
t: Thời gian diễn ra phản ứng
luyện kim
 Tính toán
x: Khoảng cách mà các chất
ảnh hưởng
phản ứng đi qua.
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.3 Tính toán ảnh hưởng của gió khi
hàn ngoài trời
Chương 2: Cơ
 2.3.1. Ảnh hưởng của gió cùng với các luồng khí
sở lý thuyết
và hơi nước đối với vùng hồ quang
 Bài toán
nhiệt
 2.3.2. Ảnh hưởng của gió đến lớp khí bảo vệ
 Tính toán
quá trình
luyện kim
 Tính toán
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.3.1 Ảnh hưởng của gió tới vùng hồ

quang khi hàn
Chương 2: Cơ  Ảnh hưởng của gió đến luồng hồ quang
sở lý thuyết
 Bài toán
nhiệt
 Tính toán
v = 2,2 M/C
quá trình
luyện kim
T=600°C
 Tính toán
300
150
T
ảnh hưởng
của gió
B

0

Hình 2.7 Họ đường đẳng nhiệt khi hàn hồ quang có gió
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.3.2. Ảnh hưởng của gió đến lớp khí

bảo vệ
Chương 2: Cơ
sở lý thuyết
 Bài toán
nhiệt
 Tính toán
quá trình
luyện kim
 Tính toán
ảnh hưởng
của gió

Hình 2.12. Hình
dạng mặt cắt khí
bảo vệ
a) Khi không có
gió
b) Khi có gió

vB = 0

vB = 2,2 m/s
vr = 3,37 m/s
dc = 12 mm

B-B

C-C

D-D

Học viên: Nguyễn Văn Bách

A
B
C
D

A-A

a)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

A
B
C
D

b)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.3.2. Ảnh hưởng của gió đến lớp khí
bảo vệ
Chương 2: Cơ
sở lý thuyết
 Bài toán

nhiệt
 Tính toán
quá trình
luyện kim
 Tính toán
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.13. Sự tạo
xoáy trong khí bảo vệ

khi có gió. vb – hướng
gió;

vct

chuyển

–
động

vB

hướng
của

phân tử khí trong
dòng khí;

Học viên: Nguyễn Văn Bách

vCT


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.3.2. Ảnh hưởng của gió đến lớp khí
bảo vệ
Chương 2: Cơ
 Sự phụ thuộc đường kính miệng phun vào
sở lý thuyết
đường kính vết bảo vệ được mô tả gần đúng
 Bài toán
nhiệt
bằng công thức sau:
 Tính toán
𝑑𝑐 = 0,857(𝑑𝑛 + 0,3) (0.6 ≤ 𝑑𝑛 ≤ 2) (2.47)
quá trình
luyện kim
 Trong đó
dc – đường kính miệng phun
 Tính toán
dn – đường kính vết bảo vệ (cm).
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

2.3.2. Ảnh hưởng của gió đến lớp khí
bảo vệ
Chương 2: Cơ
sở lý thuyết
 Bài toán
nhiệt
 Tính toán
quá trình
luyện kim
 Tính toán
ảnh hưởng
của gió

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.17. Sự

dc,
mm

thuộc

16

phụ

đường
miệng

kính
14

phun

dc vào đường
kính vết bảo
vệ cần thiết dn

tính toán
12

10

10

Học viên: Nguyễn Văn Bách

12

14

16

dn, mm


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

3.1 Giải bài toán nhiệt

Chương 3:
Xây dựng mô
hình toán học  3.1.1 Tính toán quá trình nung khi hàn
 Giải bài toán  3.1.2 Xác định trường nhiệt độ khi hàn
nhiệt
 Giải bài toán
khuếch tán
chất
 Giải bài toán
gió
 Giải bài toán
tổng quát
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Văn Bách