بخشی از مقاله
چکیده
خستگی در نمونههای سوراخ دار به دلیل وجود گرادیان تنش، در عمل پدیدهای بسیار شایع است. عمر خستگی میتواند برابر با عمر پیدایش ترک، عمر گسترش ترک و یا به صورت ترکیب هر دو قسمت در نظر گرفته شود. مدلی که در این مقاله ارائه میشود، تخمین عمر خستگی در نمونه های سوراخدار به صورت مجموع عمر پیدایش و گسترش ترک میباشد. عمر کل بدست آمده با نتایج تجربی حاصل از آزمایش، برای آلومینیوم 7075-T6 مقایسه شده است. در این تحلیل، تنش ها و کرنشها در مدل الاستیک-پلاستیک المان محدود، با فرض سه بعدی بودن نمونه در نرمافزار انسیس1 محاسبه شده است.
توزیع تنش و کرنش بدست آمده از تحلیل المان محدود برای تخمین عمر پیدایش و گسترش ترک مورد استفاده قرار گرفته است. تخمین عمر پیدایش ترک با استفاده از معیارهای خستگی چندمحوره انجام گرفته است. این معیارها قادر به درنظرگرفتن تغییر شکل پلاستیک و تاریخچه بارگذاری میباشند. کد کلیه روابط معیارهای خستگی در نرمافزار متلب2 نوشته شده است. تخمین عمر گسترش ترک توسط نرم افزار آفگرو3 و با استفاده از رابطه ناسگرو4 انجام گرفته است. مقایسه نتایج بدست آمده برای عمر کل خستگی، تطابق قابل قبولی با داده های حاصل از تست دارند.
مقدمه
خستگی یکی از علتهای رایج شکست است. شکستی که به واسطه بارگذاریهای مکرر رخ میدهد. معمولا یک یا چند ترک ریز در ماده ایجاد شده و تا شکست کامل ماده رشد مییابند. اتصالات مکانیکی که شامل پیچ و مهره و پرچ می باشند به طور گسترده ای در سازه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. این اتصالات، دائمی باشند یا جداشدنی به سوراخ کاری احتیاج دارند و این باعث به وجود آمدن تمرکز تنش و ناحیهای مستعد برای به وجود آمدن ترک میشود. بنابراین تخمین عمر و چگونگی پیدایش و گسترش ترک حائز اهمیت میباشد.
پدیده خستگی شامل دو قسمت پیدایش و گسترش ترک است. در برخی تحقیقات، عمر خستگی برابر با عمر پیدایش ترک درنظر گرفته شده و از مرحله گسترش ترک صرف نظر می شود. این روش بیشتر در مورد خستگی پر چرخه و قطعات ساده یا قطعات کوچک با ناچ ملایم بکار می رود. اما تشخیص اینکه این روش برای چه نوع مواد، هندسه یا بارگذاری هایی جواب دقیق دارد، کاری مشکل است. ولی برای مواردی که این تقریب ممکن است، جواب محتاطانهای می دهد.
در مقابل در برخی تحقیقات از مرحله پیدایش ترک صرف نظر شده و فقط مرحله گسترش ترک در نظر گرفته می شود. مثلا در قطعاتی که تحت تنش بالایی قرار دارند و یا قطعاتی که دارای عیوب یا ترک اولیه هستند. این روش براساس مکانیک شکست می باشد و یکی از مشکلات آن تعیین طول ترک اولیه است که روش های متفاوتی برای تخمین آن بر حسب دو بعدی یا سه بعدی در نظر گرفتن ترک، به کار می رود. در سال های اخیر روش هایی برای تخمین عمر کل خستگی به صورت ترکیب عمر پیدایش و گسترش ترک پیشنهاد شده است.
در این روشها عمر پیدایش و گسترش ترک به طور جداگانه محاسبه شده و باهم جمع می شوند. پارامتر مهم در این فرآیند تعریف طول ترکی است که در آن عمر خستگی از مرحله پیدایش به مرحله گسترش گذر میکند. اگر طول ترک اولیه به اندازه کافی بزرگ در نظر گرفته شود می توان از روش مکانیک شکست الاستیک خطی استفاده کرد. در غیر این صورت باید از روش هایی استفاده کرد که در آن طول ترک اولیه کوچک در نظر گرفته می شود.
اما این روش ها به طور کامل توسعه نیافتهاند و در همه شرایط جوابگو نیستند. طول ترک اولیه از فاکتورهای مختلفی از جمله هندسه، ماده و میزان تنش تاثیر می پذیرد. روش های مختلفی برای محاسبه آن وجود دارد. برخی به صورت تجربی مقداری بین 0/25-1mm برای مواد مشخص در نظر گرفته اند. Socie مقدار 1mm را برای نمونه ساده بدون وجود گرادیان تنش در نظر گرفته است. برخی نیز طول ترک اولیه را 2 یا 3 برابر اندازه دانه ماده استفاده شده در نظر میگیرند. روش دیگر، روش El Haddad است که طول ترک اولیه را به صورت زیر تعریف میکند :
که مقدار آستانه رشد ترک و تنش در عمر بی نهایت است. تخمین عمر پیدایش ترک با استفاده از معیارهای خستگی به وسیله تنش و کرنش های بدست آمده از شبیه سازی المان محدود انجام می شود. برای شبیه سازی مدل المان محدود، میتوان از مدل دوبعدی یا سهبعدی استفاده کرد.
به دلیل وجود تنش و کرنش چندمحوره در اطراف سوراخ، از معیارهای خستگی چندمحوره برای تخمین عمر پیدایش ترک استفاده میشود. معیارهای خستگی چندمحوره به سه دسته مدل انرژی، مدل صفحات بحرانی و یا ترکیبی از این دو تقسیم می شوند. برای تخمین عمر گسترش ترک با استفاده از مکانیک شکست نیاز به محاسبه فاکتور شدت تنش است. در روش عددی برای محاسبه عمر گسترش ترک می توان از برنامه های کامپیوتری مانند آفگرو، ناسگرو5 و فسترن6 استفاده کرد. .
در این پژوهش عمر پیدایش و گسترش ترک در نمونه سوراخ دار برای آلیاژ آلومینیوم 7075-T6 بررسی شده است. نتایج آزمایشگاهی از پژوهش پیشین در دسترس میباشد . - Chakherlou and Aghdam, 2008 - مدل سهبعدی الاستیک-پلاستیک المان محدود برای محاسبه توزیع تنش ها و کرنش ها در اطراف سوراخ در نرم افزار انسیس استفاده شده است. نتایج بدست آمده از تحلیل المان محدود برای بدست آوردن عمر پیدایش و گسترش ترک با فرض سهبعدی بودن ترک، بکار گرفته شده است. تخمین عمر پیدایش ترک با استفاده از معیارهای خستگی چندمحوره و تخمین عمر گسترش ترک با استفاده از نرم افزار آفگرو انجام گرفته است. نتایج حاصل برای عمر کل با دادههای تست تطبیق داده شده است.
خلاصهای از آزمایش خستگی
جزئیات آزمایش انجام گرفته در مرجع - Chakherlou and Aghdam, 2008 - به طور دقیق توضیح داده شده است. نمونه استفاده شده در آزمایش از آلیاژ آلومینیوم 7075-T6 می باشد که مشخصات هندسی آن در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 ابعاد نمونه آزمایش خستگی
