رحمن سیفی

بررسی تجربی و عددی رفتار ورق با چند ترک تحت بارهای استاتیکی و خستگی

بررسی پارامترهای مکانیک شکست در ترکهای زیر سطحی تحت بار متحرک

یکی از انواع ترک های مشاهده شده در سازه های مکانیکی، ترک های زیرسطحی بیضوی هستند. در این ترک ها، به دلیل عدم تقارن هندسی نسبت به سطح ترک، پدیده ترکیب مودهای شکست منجر می شود که تحت هر بارگذاری کششی و یا برشی، ترک هر سه مود شکست را تجربه می نماید. در این مطالعه، ضرایب شدت تنش در ترک زیرسطحی بیضوی ناشی از بارگذاری مرکب برشی و کششی با استفاده از نرم افزار فرنک تعیین شده و نتایج حاصل با روش تابع وزنی مقایسه گردید؛ برای این کار نمونه، در نرم افزار آباکوس مدل سازی و در فرنک تحلیل شد. این پروژه در دو بخش انجام گرفت؛ در بخش اول یک هندسه در حالت کلی تحت بارگذاری ترکیبی نرمال و برشی در نظر گرفته شد و ضرایب شدت تنش برای ترک زیرسطحی بیضوی در 4/0=α (نسبت قطر کوچک به بزرگ بیضی ترک) و 1، 5/0، 3/0=β (نسبت عمق به نصف طول ترک) هنگامی که ترک به صورت موازی، مایل و عمود بر سطح بارگذاری در زاویه های صفر تا 90 درجه با راستای محور افقی قرار دارد، محاسبه گردید. با توجه به عدم وجود تابع وزنی برای ترک های عمودی و نرمال، ضرایب شدت تنش هنگامی که ترک به صورت موازی با سطح بوده از هر دو روش تابع وزنی و اجزا محدود محاسبه و نتایج باهم مقایسه گردید. در بخش دوم برای کاربردی کردن تحقیق، ضرایب شدت تنش برای ترک زیرسطحی بیضوی موجود در ریل قطار در دو حالت بارگذاری، هنگامی که چرخ با کل ریل در تماس است و در حالتی که چرخ و ریل در ناحیه تماس بیضی هرتز باهم تماس برقرار می کنند، محاسبه گردید. در این بخش نیز ضرایب شدت تنش برای ضریب منظر 6/0 و 4/0، 2/0=α و نسبت عمق 1 و 8/0، 6/0=β و هنگامی که ترک موازی با سطح در زاویه های صفر،30، 60 و 90 درجه با راستای افقی قرار دارد، به دست آمده و نتایج با روش تابع وزنی مقایسه گردید. برای به دست آوردن ضرایب شدت تنش با روش تابع وزنی ابتدا این ضرایب را برای بارگذاری های نرمال و برشی محاسبه نموده و با استفاده از اصل جمع آثار نتایج برای بارگذاری ترکیبی به دست آورده شد. مقایسه نتایج، دقت بالا و میانگین خطای نسبی کمی را هنگامی که ترک دقیقاً زیر محل بارگذاری قرار می گیرد، نشان می دهد. با استفاده از روش تابع وزنی می توان ضرایب شدت تنش ترک زیرسطحی بیضوی را برای هر مقدار α و β دلخواه در بارگذاری ترکیبی برای ریل قطار و هر هندسه مشخص با سرعت و دقت بالا محاسبه نمود. نتایج حاصل نشان داد که با ا

شیارها در قطعات و ساختارهای مهندسی برای نیازهای طراحی خاص به کار میروند. شکلهای متنوع شیارها میتواند در ساازههای مهندسای که تعداد زیادی از آنها U ، Oو Vشکل هستند، دیده شود. برخلاف ترکها و عیوب، که برای قطعات مضر هساتند، شیارها میتوانند به طور همزمان مفید و مضر باشند. در کنار سودمندی، شیار ممکن است به دلیل تمرکز تنشی که در همساایگی آنها ایجاد میشاود و نتیجهاش شاروع ترک از لبه شایار است، برای یک ساختار مهندسی مضر باشند. در تحقیق پیشرو، تاثیر هندسه و ابعاد مختلف شیارهای موجود در ورق بر ظرفیت حمل بار قطعه، نقطه و زاویه شروع شکست و رشد ترک از مرز شیار به صورت تجربی، تئوری و عددی بررسی شده است. آزمایشها به دو سری نمونههای شیاردار و نمونههای شیاردار با پیشترک تقسای شادند. برای سری اول نمونهها چندین ورق نازک مستطیلی ساخته شده از آلومینی 7075-T6و ضعیف شده توسط شیارهای Uشکل و Vشکل نوک گرد با ابعاد متفاوت برای شکست مود ترکیبی �/�� آزمایش شد و ظرفیت حمل بار و زاویه شاروع شاکسات به طور آزمایشاگاهی ثبت شد. سفه مفهوم مواد معادل با هدف برابر گرفتن مواد نرم با مواد ترد از نقطه نظر چگاالی انریی کرنشاای، در ارتباا با معیارهای شااکساات ترد، ماکزیم تنش مماساای و تنش متوسااط برای پیشبینی نتایج آزمایشگاهی استفاده شد. با وجود رفتار مکانیکی مواد، دقت هر معیار شکست اساسا بستگی بر شکل شیار و از این رو، بر توزیع تنش اطراف مرز شایار داشات. مقایساه کمی نتایج آزمایشاگاهی چقرمگی شاکست با پیشبینیهای تئوری تحت شرایط مود ترکیبی، درصد خطای بین نتایج تجربی و تئوری برای معیارهای EMC-VMTSو EMC-VMSبه ترتیب 1/4درصد و 1/1درصد و برای معیارهای EMC-UMTSو EMC-UMSبه ترتیب 1درصااد و 1/1درصااد نشااان داد. با اسااتفاده از چنین معیارهایی، مهندسین به انجام تحلیلهای الاستیک_ پلاستیک برای تخمین شکست مود ترکیبی قطعات نرم شیاردار نیاز ندارند. محل شروع ترک با استفاده از معیار بیشینه تنش مماسی بررسی و پیشبینی شد و صحت این روش با نتایج آزمایشگاهی تایید شد. در سری دوم آزمایشها جهت بررسای مسایر رشاد ترک، ابتدا جهت ترکدار کردن نمونههای شایاردار برای هندسههای مختلف شیار، ترکهایی از نوک شایار به طول 1/6mmبا توجه به نقطه و زاویه شاروع ترک بدست آمده، ایجاد شد سفه برای بررسی عددی مسایر رشاد ترک از روش گام به گام که متکی بر معیار بی

در این پایان نامه به بررسی هندسه شیار نمونه تست شارپی پرداخته می شود. آزمایش ضربه شارپی یکی از روش های استاندارد برای تعیین انرژی شکست مواد فلزی است. در این آزمون با استفاده از نمونه های فاق دار (شیار V شکل) شرایط تنش سه بعدی را در نمونه ایجاد کرده و قابلیت تغییر شکل پلاستیک را در آن محدود می کنند. در این آزمون، مقدار انرژی جذب شده توسط نمونه در هنگام شکست از میزان اختلاف ارتفاع اولیه و ثانویهٔ آونگ به دست می آید. این میزان انرژی معیاری از چقرمگی مواد است. دستگاه آزمایش از یک پاندول مدرج تشکیل شده است که هنگام حرکت با نمونه برخورد کرده و با استفاده از اختلاف ارتفاع پاندول انرژی جذب شده توسط نمونه به دست می آید که معمولاً به شکل انرژی بر واحد سطح تعریف می شود. این انرژی را همچنین می توان از اختلاف زاویهٔ اولیه و نهایی پاندول نیز محاسبه کرد.

خستگی حرارتی در قطعاتی مانند پره ها و ایرفویل ها در موتورهای توربین و سیستم های لوله کشی در راکتورهای آب سبک در نیروگاه های اتمی که تحت گرمایش و سرمایش نوسانی قرار می گیرند، روی می دهد. ازاین رو بررسی رفتار مواد تحت این شرایط حائز اهمیت می باشد و بررسی توانایی روش های تجربی و نرم افزاری در محاسبه عمر خستگی قطعات تحت بار حرارتی در فرایند طراحی این قطعات اثر قابل توجهی خواهد داشت. ازآنجاکه همواره آلیاژهای آلومینیم از رایج ترین آلیاژهای مورداستفاده در صنایع بوده و هست در این پژوهش، جنس نمونه ها آلومینیم 7075 انتخاب شد و مورد آزمایش قرار گرفت. در بررسی پیشینه پژوهش تاثیر فرکانس مکانیکی در رشد ترک خستگی در بارگذاری های سیکلی حرارتی و مکانیکی موردبررسی قرار نگرفته که این مورد در این پژوهش انجام شد. نمونه ها از نوع CT بوده و همگی دارای ترک اولیه به طول 9 میلی متر می باشند. برای اعمال بار حرارتی به نمونه ها کوره ای از نوع المنتی ساخته شد که توانایی ایجاد بار حرارتی به صورت دما ثابت و همچنین دما متغیر را دارد. آزمایش ها به دو گروه دما ثابت و متغیر تقسیم بندی شدند که سری اول آن ها به صورت دما ثابت با بیشینه بار KN12 و نسبت بار R=0 انجام شد تا شبیه سازی و رفتار ترک در حالت دما متغیر به دست بیاید. سری دوم آزمایش ها به صورت دما متغیر با شرایط مکانیکی مشابه آزمایش سری اول انجام گردید. بررسی آزمایش اول نشان داد که هر چه دما افزایش می یابد رشد ترک نیز افزایش می یابد و عمر نمونه کاهش پیدا می کند. برای شبیه سازی در آزمایش های دما متغیر از نتایج آزمایش های سری اول و معادله والکر استفاده شد. نتایج در این مرحله نشان داد که کاهش فرکانس تا Hz10 تغییراتی درروند رشد ترک ایجاد نمی کند ولی کاهش فرکانس از Hz5 باعث کاهش عمر نمونه و کاهش فرکانس از Hz5/0 تغییرات شدیدی در عمر نمونه ایجاد می کند. درنهایت سطح شکست نمونه ها با استفاده از عکس برداری از سطوح شکست موردبررسی قرار گرفت.

در فایل پیوست آورده شده است.

بسیاری از قطعات مهندسی که در طول عمر عملکرد خود تحت بارهای تناوبی قرار می-گیرند، دارای ناپیوستگی هندسی همچون جاخارها، سوراخ های روغن، شیارها و رزوه ها هستند که عموما به صورت ناچ معرفی می شوند. ناچ های پر استفاده در قطعات صنعتی معمولا نوک تیز (V شکل) و یا انحنادار (U شکل) می باشند. ناچ ها با ایجاد تمرکز تنش و کرنش سبب کاهش محسوس عمر خستگی قطعات مذکور می گردند. بررسی توانایی روش های تجربی و نرم افزاری در محاسبه ی عمر خستگی قطعات ناچ دار در فرایند طراحی این قطعات اثر قابل توجهی خواهد داشت. معمولا ترک خستگی در نواحی آسیب پذیر موضعی قطعات رخ می دهد، لذا به منظور تحلیل خستگی یک قطعه، تنش ها و کرنش های محلی در این نواحی و خواص خستگی مواد سازنده ی قطعه مد نظر قرار می گیرند. در تحقیق پیش رو تاثیر هندسه ی ناچ ها بر عمر خستگی نمونه ها، محل شروع ترک و نرخ رشد ترک خستگی بررسی شده است. به این منظور نمونه هایی دارای ناچ U شکل، از جنس آلومینیم 7075، با شعاع ناچ های متفاوت و عمق ناچ های مختلف، ساخته شدند و تحت بارگذاری تناوبی قرار گرفتند. به منظور دستیابی به مود ترکیبی نیز نمونه هایی با زاویه 30 درجه نسبت به لبه-ی قطعه ساخته شد. آزمایش ها با استفاده از دستگاه خستگی زوئیک، با بار بیشینه ی kN 13 و نسبت تنش 1/0 و فرکانس Hz10 انجام شد. با استفاده از رابطه ی پاریس و نمودارهای نرخ رشد ترک خستگی، ضرایب رابطه ی پاریس برای ماده به دست آمد و نشان داده شد که این ضرایب مستقل از هندسه ی نمونه هاست. رشد ترک خستگی در مود ترکیبی نیز با نتیجه ی شبیه سازی در نرم افزار آباکوس هم خوانی خوبی داشت. پیش بینی معیار بیشینه تنش مماسی و شبیه سازی عددی در نرم-افزار آباکوس برای محل شروع و جوانه زنی ترک از محل ناچ، با مشاهدات آزمایشگاهی تطبیق داده شد.

بررسی عددی و تحلیلی کمانش پوسته های استوانه ای FGM معیوب تحت اثر خمش خالص و فشار داخلی.

تحلیل رشد ترک خستگی در نمونه هایی با ناچ زاویه دار در مود ترکیبی