بخشی از مقاله
چکیده
وجود سوراخ اتصالات سبب ایجاد تمرکز تنش در اجزا مکانیکی و درنتیجه کاهش مقاومت سازه در برابر بارهای دینامیکی میشود. فرایند انبساط سرد بعنوان یک فرایند شناخته شده در صنعت ساخت سازههای هوایی با ایجاد میدان تنش پسماند فشاری در اطراف سوراخ اتصالات عمر خستگی را افزایش میدهد. در این پژوهش با استفاده از روشهای آزمایشگاهی و المان محدود اثر فاصله لبه سوراخ روی میدان تنش پسماند ناشی از این فرایند برای آلیاژ AL7075-T6 بررسی میشود.
این بررسی در درجه انبساطهای مختلف با استفاده از مدل المان محدود متقارن محوری صورت گرفته شده است. توزیع تنش پسماند در طول ضخامت متفاوت میباشد و مدل المان محدود متقارن محوری این تغییرات را بر خلاف مدل دو بعدی نشان می-دهد. همچنین در این بررسی اثر برآمدگی لبه آزاد ورق بعنوان یک فاکتور مهم برای فاصله لبهها و درجه انبساطهای مختلف مطالعه شده است.
مقدمه
سوراخکاری به عنوان یکی از عملیات متداول در ساخت سازههای مکانیکی به شمار میرود. این سوراخها برای اتصال قطعات با استفاده از پیچ و مهره یا پرچ، مورد نیاز است. این اتصالات نه تنها کار مونتاژ و دمونتاژ کردن قطعات از هم را آسان میکنند، بلکه باعث انتقال راحتتر بارهای اعمالی بین آنها میگردند. در کنار این اثرات مثبت، باید اثرات منفی آنها را نیز در نظر گرفت. مهمترین ضعف آنها ایجاد تمرکز تنش در اطراف سوراخ و لذا کاهش عمر خستگی سازه، تحت بار دینامیکی میشود. بنابراین درصددیم اطراف سوراخ تقویت شود.
ایجاد تنش پسماند فشاری در اطراف سوراخ یکی از مهمترین روشهای تقویت آن و کاهش تمرکز تنش و در نتیجه افزایش عمر خستگی سازه میباشد. وجود تنش پسماند فشاری باعث به تاخیر افتادن ایجاد ترکهای ریز و نیز کاهش نرخ رشد خستگی ترکهای ایجاد شده میشود و لذا عمر قطعه افزایش مییابد.
برای رسیدن به این هدف، از سال 1970 تاکنون فرایند انبساط سرد که بیشتر در ساخت سازههای هوافضا کاربرد دارد، مورد توجه بوده است. این روش یکی از معروفترین و پرکاربردترین روش های بهبود عمر خستگی میباشد که در طی چهار دهه گذشته به طور گسترده برای بهبود عمر خستگی اتصالات سوراخدار در سازههای هوافضا به کار رفته است. این روش در سال 1965 توسط مهندسین شرکت بوئینگ ابداع شد و بعدها در دهههای هفتاد و هشتاد توسط شرکت فناوری خستگی به صورت تجاری و استاندارد شده، در آمد .
روش انبساط سرد عبارتست از عبور دادن پین مخروطی یا ساچمهای از داخل سوراخی با قطر کوچکتر - شکل. - 1 در طی این عملیات سوراخ منبسط شده و ناحیه اطراف آن تا شعاع مشخصی دچار کرنش پلاستیک میشود. حال آن که در نواحی دورتر از سوراخ، کرنشها در حد الاستیک باقی میمانند. پس از خروج پین یا ساچمه از سوراخ ناحیهی الاستیک تلاش میکند به موقعیت قبلی خود بازگردد، در حالی که ناحیهی پلاستیک در مقابل این برگشت مقاومت میکند. به همین دلیل ناحیه پلاستیک تحت تنشهای پسماند فشاری - منفی - و ناحیه الاستیک تحت تنشهای پسماند کششی - مثبت - قرار میگیرد.
شکل :1 شماتیکی از فرایند انبساط سرد
یکی از روشهای آزمایشگاهی اندازهگیری غیر مخرب تنشهای پسماند، استفاده از پراش اشعه ایکس است که تنها تنشهای پسماند در سطح نمونه را نتیجه میدهد. برای رفع این مشکل و اندازهگیری تنش پسماند در عمق سطح ورق، از روش خورنده شیمیایی استفاده میشود .[2] از آنجایی که روشهای آزمایشگاهی اندازهگیری تنش پسماند پرهزینه میباشد، محققان روی به روشهای تحلیلی یا عددی آوردهاند. به عنوان حلهای تحلیلی نادای1 میدان تنش پسماند اطراف سوراخ را برای مدل مادهی الاستیک-کاملا پلاستیک در شرایط تنش صفحهای و معیار ون میسز بدست آورد
اچسو و فورمن کار انجام شده توسط نادای را به منظور لحاظ کردن قابلیت کارسختی ماده توسعه دادند .[4] ریچ3 و همکارش این توزیع تنش پسماند را مبتنی بر حل کلاسیک برای یک لولههای جدار ضخیم با مدل ماده ی الاستیک -کاملا پلاستیک در شرایط کرنش صفحهای و معیار ون میسز، ارائه نمودند .[5] ژائو 4، یک حل دقیق جهت یافتن میدان تنش و کرنش پسماند ناشی از این فرایند برای شرایط تنش صفحهای و معیار ون میسز و مدل ماده رامبرگ آزگود اصلاح شده، ارائه کرد
در روش تحلیلی اثر انبساط سرد با فشار داخلی جایگزین میشود و معمولا بین نتایج تحلیلی با نتایج عددی و تجربی اختلاف وجود دارد که این اختلاف به شرایط مختلفی مانند نحوه مدلسازی، رفتار مواد، نحوه انجام فرایند و دیگر سادهسازیها در حین حل تحلیلی، بستگی دارد
کار عددی چاخرلو5 نشان داد که تنش پسماند محیطی در طول ضخامت متفاوت میباشد بطوری که این مقدار در صفحه ورودی مندرل حداقل میباشد. آزمایش خستگی وی این موضوع را اثبات کرد بطوری که در نمونهی انبساط سرد شده تحت بار دینامیکی، ترک نزدیک صفحه ورودی رشد کرد
همچنین چاخرلو یک متد جدیدی ارائه داد و توانست توزیع تنش پسماند تقریبا یکنواختی ایجاد کند .[8] تحقیقات آمروچه و سو6 بیانگر این است درجه انبساط تأثیر زیادی بر روی عمر خستگی دارد و این پارامتر محدوده-ی بهینهای دارد . همچنین آنها اثر انبساط سرد دو طرفه توسط گوی فولادی را بررسی کردند و اثرات مفید آن را ارائه دادند
در این مقاله اثر فاصله لبه سوراخ بر میدان تنش پسماند ناشی از این فرایند روی آلیاژ AL7075-T6 با بکارگیری نرمافزار المان محدود آباکوس بررسی میشود. این آلیاژ یکی از پر کاربردترین آلیاژها در ساخت سازههای هوایی میباشد. جهت انجام این مطالعه در ابتدا خواص مکانیکی آلیاژ مربوطه با انجام تست کشش بدست آورده شده است.
همچنین لیو و شائو7، نشان دادند که اصطکاک بین مندرل و جداره سوراخ روی توزیع تنش پسماند حاصل از این فرایند اثر میگذارد، بنابراین در روشهایی که از غلاف استفاده نمیشود باید اثر اصطکاک در مدلسازی المان محدود لحاظ شود .از این جهت با استفاده از تست آزمایشگاهی که در ادامه تشریح میشود ضریب اصطکاک را بدست آورده و به عنوان یک پارامتر تاثیر گذار در نرمافزار وارد وارد شده است.
شبیهسازی المان محدود
در این تحقیق فرایند انبساط سرد با استفاده از نرمافزار آباکوس به سه روش دوبعدی، سهبعدی و متقارنمحوری مدل شده است. در مدل سهبعدی با توجه به تقارن هندسی و بارگذاری مدل، میتوان یک چهارم ورق را شبیهسازی کرد. با بکارگیری مدل سهبعدی توزیع تنش پسماند در طول ضخامت قابل حصول است . المانهای استفاده شده در این تحلیل C3D8R و ابعاد ورق مدل شده 20 20 5 میلیمتر میباشد که دارای سوراخی به شعاع 4 میلیمتر است.
همچنین یک ورق فولادی با سوراخی به قطر 16 میلیمتر در زیر ورق آلومینیومی به عنوان نگهدارنده، تعبیه شده است - شکل . - 2-a درجه انبساط به عنوان یک پارامتر موثر [10]، 4 درصد در نظر گرفته شده است که نشان میدهد، قطر نهایی مندرل 8/32 میلیمتر میباشد - شکل . - 6 اگر d قطر سوراخ و D قطر نهایی مندرل باشد، درجه انبساط از رابطه 1 پیروی میکند.
از مدل سه بعدی برای بدست آوردن ضریب اصطکاک استفاده شده است. خواص مکانیکی وارد شده در مدل، در قسمت بعد آورده شده است و همچنین سخت شوندگی سینماتیک در نظر گرفته شده است
با بکارگیری مدل المان محدود متقارنمحوری تغییرات تنش پسماند در طول ضخامت بدست میآید و این در حالی است که زمان حل نرمافزار در این مدل بسیار کمتر از مدل سهبعدی است. بدین جهت برای بدست آوردن تغییرات توزیع تنش پسماند محیطی با تغییر فاصله لبه سوراخ از این مدل استفاده میشود. شکل 2-b مدل متقارن محوری را نشان میدهد. در این مدل از المانهای CAX4R استفاده شده است.
مدل دوبعدی تغییرات تنش پسماند در طول ضخامت را نشان نمی-دهد و بیشتر برای مقایسه با حلهای تحلیلی دو بعدی، مناسب می-باشد. در مدل دوبعدی از المانهای تنش صفحهای CPS8R و از جابجایی شعاعی در لبه سوراخ بجای ورود مندرل استفاده شده است
شکل :2 مدل سهبعدی، متقارنمحوری و دوبعدی المان محدود
تستهای آزمایشگاهی
برای اعمال فرایند انبساط سرد، از یکی از انواع آلیاژهای آلومینیوم سری 7000، آلیاژ آلومینیوم 7075 استفاده شده است. در آلیاژهای آلومینیوم سری 7000، ترکیب آلومینیوم، روی، مس و منیزیم سبب ایجاد ماده بسیار مستحکمی شده است که در بین سایر انواع آلیاژ آلومینیوم بیشترین استحکام را دارد. به دلیل اطمینان از صحت آلیاژ تهیه شده، آزمایش کوانتومتری در آزمایشگاه متالورژی رازی تهران صورت گرفت . نتایج به دست آمده از آزمایش کوانتومتری در جدول1 آورده شده و مطابق با استاندارد ASTM E1251-11 آلیاژ از گروه 7000 و به شماره آلیاژ 7075، میباشد.
جدول :1 نتایج آزمایش کوانتومتری آلیاژ 7075
به دلیل وابستگی خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم 7075 به نوع عملیات حرارتی صورت گرفته، تعداد 3 نمونه کاملا یکسان مطابق استاندارد ASTM-B557 ساخته شده و تست کشش بر روی آنها انجام گرفت. شکل 3 جزئیات نمونههای استاندارد تست کشش را نمایش میدهد. تست نمونهها با استفاده از دستگاه Zwick با قابلیت بارگذاری 25 تن و با سرعت 2 میلیمتر بر دقیقه در آزمایشگاه خواص مکانیکی دانشگاه فردوسی انجام گرفت. خواص مکانیکی مدنظر با استفاده از این تست در جدول 2 خلاصه شده است و همچنین منحنی تنش–کرنش حقیقی برای ماده مورد نظر در شکل 4 آورده شده است. همچنین مندرل از جنس فولاد SPK با مدول یانگ 210 گیگاپاسکال و نسبت پواسون 0/3 انتخاب شده است.
طی فرایند انبساط سرد محاسبه میشود. این نیرو به روش آزمایشگاهی توسط نیروسنج8 نصب شده روی دستگاه، قابل اندازه گیری میباشد. در نهایت با مقایسه و مطابقت نتایج حاصل از آزمایش و شبیهسازی ضریب اصطکاک بدست میآید. با بکارگیری روش شرح داده شده ضریب اصطکاک 0/17 حاصل میشود و این ضریب اصطکاک در شبیهسازیهای بعدی لحاظ شده است.
شکل :4 منحنی تنش-کرنش حقیقی آلیاژ AL 7075 -T6
تجهیزات مورد نیاز برای اعمال فرایند انبساط در شکل 5 قابل مشاهده است. همچنین شکل 6 نمایانگر ابعاد ورق آلومینیوم و مندرل مخروطی میباشد. همانند تست کشش انجام شده، سرعت ورود مندرل در طی فرایند 2 میلیمتر بر دقیقه در نظر گرفته شده است.
شکل :5 تجهیزات مورد نیاز برای اعمال فرایند انبساط
شکل :3 نمونه تست کشش
جدول :2 خواص مکانیکی آلیاژ AL 7075 -T6 بدست آمده از تست کشش
همانطور که گفته شد ضریب اصطکاک بین دیواره سوراخ و سطح مندرل، پارامتر موثر بر میدان تنش پسماند میباشد .[12] برای بدست آوردن این ضریب از یک روش سعی و خطا استفاده میشود. این روش به این صورت است که در ابتدا فرایند با روش اجزا محدود با ضرایب اصطکاک مختلف شبیهسازی میشود و سپس برای هر مدل نیروی مقاوم مندرل در برابر وارد کردن آن به داخل سوراخ در
شکل :6 ابعاد و هندسه ورق و مندرل
مقایسه نتایج مدل آزمایشگاهی با مدل اجزا محدود
در جدول 3 بیشترین بار - FMax - ، بیشترین جابجایی - SMax - و قطر نهایی سوراخ - d - بدست آمده از دو روش آزمایشگاهی و اجزا
