توضیحات

بررسی پدیده خستگی در ورقه‌ای از جنس فولاد دارای ناچ‌ها با اشکال هندسی دایره، مربع تحت بارگذاری محوری بر اساس رهیافت 

 

چکیده

به دليل فراواني نمونه‌هاي ناچ‌دار و اثر قابل توجـه نـاچ بـر رفتـار خـستگي، بررسي نمونه‌هاي ناچ‌دار اهميت ويژه‌اي در مهندسي مکانيـک دارد. در ايـن تحقيق از روش اجزاء محدود براي بررسي اثر ناچ بـر رفتـار خـستگي فـولاد در شرايط تنش صفحه‌اي اسـتفاده شـده است. به اين منظور مدل ورق ناچ‌دار براي شبيه‌سـازي حالـت ورق با  ناچ دایره ای و مربعی براي شبيه‌سازي حالت تـنش صـفحه‌اي اسـتفاده شده است. هرکدام از نمونه‌ها براي دو مقدار شـدت نـاچ متفـاوت بررسـي و تحليل گرديد. نتايج اجزا محدود بدست آمده با نتايج تجربي استخراج شـده از منابع معتبر مقايسه شده است. مقايسه ميـان مجموعـه نتايج بدست آمده از روش‌هاي مختلف نشان مي‌دهـد کـه همخـواني بـسيار خوبي ميان آنها وجود دارد.

کلمات کليدي: ، تخمين عمـر خستگي،حـساسيت نـاچ شـرايط صـفحه ای ، روش تنش- .عمر

 

مقدمه

 

1-2  بررسی ورق های ناچدار دارای ترک

بسياري از اجزاي مهندسي داراي هندسه ناپيوسته و بطـور کلـي داراي نـاچ مي‌باشند، بنابراين بررسي اثر ناچ بر رفتار خستگي يک مسئله مهم مي‌باشد. نمونه‌هايي از قطعات ناچ‌دار را مي‌توان در لبه قوطي‌ها، ناوداني‌هـا، تيرهـاي لانه زنبوري و شکاف‌هاي ايجاد شده براي جوشکاري يافت. هنگاميکـه يـک قطعه ناچ‌دار تحت بارگذاري قرار مي‌گيرد (حتي اگر قطعه تحت تنش اسمي پاييني باشد) به دليل تمرکـز تـنش شـديد در نـوک نـاچ، اغلـب در ناحيـه کوچکي در اطراف ناچ تنش از تنش تسليم فراتر رفته و در آن ناحيه تـسليم رخ خواهد داد. اگر قطعه ناچ‌دار تحت بارگذاري تناوبی قرار گيرد، کرنش‌هاي غير الاستيک تناوبی در ناحيه تمرکز تنش سبب ايجاد ترک گشته و در پـي آن ترک رشد کرده و قطعه خواهد شکست.

از دیرباز مسئله مقاومت اجزای ساختمان در مقابل پدیده‌هایی که انسان در به وجود آمدن آنها نقشی نداشته مورد توجه بوده و یکی از این پدیده‌هایی که انسان در آن نقشی ندارد و حتی نمی‌تواند زمان آن را پیش‌بینی کند زلزله است که علاوه بر آنکه ناگهانی اتفاق می‌افتد، باعث می‌شود نیروی زیادی به سازه وارد شود.

قبل از زلزله نورثریچ مهندسان توجه چندانی به این پدیده نداشته‌اند. شناختن مقاومت خستگی اجزا تحت کرنش زیاد مخصوصاً برای سازه‌های هسته‌ای از اهمیت بالایی برخوردار هستند. نیروهای ناشی از زلزله که به سازه وارد می‌شوند باعث می‌شوند که سازه در تعداد سیکل‌های خیلی کم  تسلیم شده و در آن شکست رخ دهد.

همچنین سازه‌های هوايی معمولاً در معرض انواع بارهای دينامیکی از جمله بارهای ناشی از مانور، بارهای ناشی از چاله‌های هوايی و طوفان در حین پرواز قرار می‌گیرند.  بنابراين الزام است که مقدار عمر مربوط به اجزای سازه‌های هوايی قبل از واماندگی آنها مشخص گردد. بعلاوه سازه‌ها و قطعات مکانیکی بطور معمول دارای ناپیوستگی‌های هندسی مانند، سوراخ‌ها، جاخارها، شیارها و غیره هستند که به عنوان ناچ شناخته می‌شوند. وجود سوراخ‌ها در سازه‌های هوايی به چندين دلیل از قبیل امکان اتصال اجزا به يکديگر توسط اتصالات مکانیکی، عبور خطوط تجهیزات الکترونیکی و هیدرولیکی و مواردی از اين دست غیرقابل اجتناب می‌باشند. اين ناپیوستگی‌های هندسی منجر به افزايش موضعی تنش شده و بدين علت تنش‌افزا نامیده می‌شوند. در صورت وجود تنش‌افزاها يا ناچ‌ها بايد توجه خاصی صورت گیرد زيرا اين ناچ‌ها مقاومت يک قطعه به واماندگی خستگی را کاهش می‌دهند. اين امر تنش‌های موضعی بزرگتری را به دنبال دارد که باعث تولید ترک‌های خستگی می‌گردد که در چنین مکان‌هايی آغاز می‌گردند. همانطور که اشاره شد، واضح است که اکثر ماشین‌ها و سازه‌ها از قبیل سازه‌های هوايی، در حین عمر سرويس خود در معرض تنش‌ها و کرنش‌های چندمحوری قرار می‌گیرند. بنابراين تحلیل خستگی می‌تواند به عنوان ابزاری مهم برای تخمین و پیش‌بینی مقاومت خستگی اجزا گردد. منشأ تنش می‌تواند وابسته به چندين عامل از قبیل بارگذاری، هندسه پیچیده قطعات، تنش‌های پسماند و پیش- تنش و غیره باشد. معیارهای مختلفی با توجه به شکل بارگذاری و نوع مواد پیشنهاد شده است که هر کدام در حالت خاصی از شرايط مرزی و نیرويی و مواد امتحان شده و توصیه گرديده‌اند [1-6].

در بسیاري از سازه‌ها و قطعات مهندسی، جوانه‌زنـی و رشـد تـرك پدیـده‌اي اجتناب‌ناپذیر است. به عنوان مثال می‌توان قطعات جوشکاري شده‌اي ماننـد سازه‌هاي فلزي در هواپیماهاي بزرگ، سازه‌هاي دریایی، پل‌ها، مخـازن تحـت فشار و همچنین محصولات پتک‌کاري شـده ماننـد روتورهـاي تـوربین‌هـا و ژنراتورها در نیروگاه‌ها را نام برد. تحت بارگذاري متناوب، آسیب‌هاي ناشـی از خستگی عامل اصلی خرابی در اغلب قطعات صنعتی هستند. وجـود تـرك در اجزاي مکانیکی سبب کاهش میزان بارپذیري و عمر خستگی و تضعیف آنها می‌شود. شناسایی و داشتن درك صحیحی از این پدیده می‌تواند در جلوگیري و یا کاهش خرابی‌هاي ناشی از آن نقش به‌سزایی داشته باشد. روش‌هاي متعددي براي مهار رشد ترك تحت بارگذاري‌هاي استاتیکی و خستگی وجود دارد و می‌توان به کمک جایگزینی اجزاي آسیب دیده، کاهش بارهاي اعمالی و یا کاستن نرخ رشد ترك به سطح قابل قبول، رشـد تـرك را مهار کرد. جایگزین کردن اجزاي آسیب دیده معمولاً امري هزینه بردار اسـت.

 

Refrences

 

1. T. Fatemi, Z. Zeng, A. Plaseied, Fatigue behavior and life predictions of notched specimens made of QT and forged microalloyed steels, International Journal of Fatigue, Vol. 26, pp. 663–72, 2004.
2. Medekshas, V. Balina, Assessment of low cycle fatigue strength of notched components. Materials and Design, Vol. 27, pp. 132– 140, 2006.
3. Berto F., Lazzarin P., Marangon C., Fatigue strength of notched specimens made of 40CrMoV13.9 under multiaxial loading, Materials and Design, Vol. 54, pp. 57-66, 2014.
4. Abazadeh, T. N. Chakherlou, G. H. Farrahi, R. C. Alderliesten, Fatigue life estimation of bolt clamped and interference fitted-bolt clamped double shear lap joints using multiaxial fatigue criteria, Materials and Design, Vol. 43, pp. 327-336, 2013.
5. Esmaeili, S. Hassanifard, M. Zehsaz, Fatigue Life Prediction of Notched Specimens using the Volumetric Approach, Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, Vol. 5, pp. 508-518, 2011.
6. س. حسنی فرد، م. زهساز، ف. اسماعیلی گلدرق، تأثیر فاصله بین صفحات بر روی عمر خستگی اتصالات نقطه جوش آلیاژ آلومینیوم 0-5083، روش‌های عددی در مهندسی، شماره اول، صفحه 11-21، 1392.
7. Domazet, Comparison of fatigue crack retardation methods, Journal of
   Engineering Failure Analysis, Vol. 3, No. 2, pp. 137–147, 1996.
8. S. Shin, C. M. Wang, P. S. Song, Fatigue damage repair: a comparison of
   some possible methods, International Journal of Fatigue, Vol. 18, No. 8,
   pp. 535–546, 1996.
9. Broek, Elementary engineering fracture mechanics, London, Kluwer
   academic publishers, 2002.
10. Javidrad, Fracture mechanic and its application in engineering, Tehran: aerospace industries, 2004.
11. I. Stephens, H. O. Fuchs, Metal fatigue in engineering,  2nd ed, New York : Wiley, 2001.
12. Bathias, There is no infinite fatigue life in metallic materials, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, Vol. 22, pp. 559-565,1999.
13. F. Langer, Desien of Pressure Vessels for Low-Cycle Fatigue, J. Basic Engng. Am. Soc. Mech, Vol. 88, pp. 389-402, 1962.
14. Nuuber, Theory of Stress Concentration for Shear Strained Prismatical Bodies with Abitrary Nonlinear Stress-Strain Law, J. Appl. Mech., Vol. 12, 1961.
15. F. Hardrathm, L. Ohman, A study of Elastic and Plastic Stress Concentration Factors due to Notches and fillets, NACA TR 1117, 1953.
16. ف. اسماعیلی گلدرق، س. محمدی، ع. بابائی، ا. افکار، پيش‌بيني عمر خستگي نمونه‌های ناچ‌دار با استفاده از معيارهای خستگي چندمحوری، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی مکانیک جامدات، سال هفتم، شماره اول،1393.
17. Lee, Crack initiation in plates with multiple defects, PhD Dissertation
    University of California, Los Angeles, 1996.
18. E. Dowling, notched member fatigue life predictions combining crack initiation progation, Fatigue of Engineering Materials and Structures, Vol. 2, pp. 129-138,1979
19. Sehitoglu, Fatigue Life prediction of notched members based on local strain and elastic-plastic fracture mechanism concepts, Engineering Fracture Mchanicr Vol. 18. No. 3, pp. 609-621. 1983
20. A. SMITH and K. J. MILLER, Prediction of fatigue regimes in notched components, Int 1. mech. Set., Vo/. 20, pp. 201-206. 1978
21. C. Gonyea, Method for low-cycle fatigue design including biaxial stress and notch effects. In Fatigue at Elevated Temperatures, ASTM STP 520, 1973, pp. 678–687 (American Society for Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylva- nia).
22. Seshadri, The generalized local stress strain (gloss) analysis—theory and applications. Trans. ASME, J. Pressure Vessels Technol., 1991, 113, 219–227.
23. Seshadri, R. K. Kizhatil, Notch root inelastic strain estimates using gloss analysis. In Advances in Multiaxial Fatigue, ASTM STP 1191 (Eds D. L. McDowell and R. Ellis), 1993, pp. 397–411 (American Society for Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylvania).

 

 

توجه:

• برای دانلود فایل کامل تحقیق لطفا اقدام به خرید نمایید.
• پس از خرید بلافاصله لینک دانلود فایل برای شما ایمیل خواهد شد.