بخشی از مقاله
خلاصه
روشهای انرژی، یکی از روشهای تخمین عمر خستگی در سازههای مکانیکی هستند. امروزه این مدلها، برای استفاده مهندسان در طراحی قطعات، بهینهسازی و کاربردیتر میشوند. همچنین میتوان از آن، در بررسی شرایط بارگذاری ترمومکانیکی اجزایی مانند قطعات موتور - پیستون و سرسیلندر - استفاده نمود. از اینرو در این مقاله، عمر خستگی کمچرخه آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم پیستون موتور، بر اساس روش انرژی، پیشبینی میشود.
مدل اصلی تخمین عمر براساس روش انرژی کرنش پلاستیک است که یک فاکتور اصلاح، به منظور اعمال اثر دمای آزمون، درنظر گرفته شده است. برای این منظور، از دادههای تجربی آزمون خستگی کمچرخه در دماهای مختلف استفاده شده است.
نتایج مدل جدید شامل مدل انرژی کرنش پلاستیک اصلاح شده، نشان میدهد که عمر خستگی آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم محاسبه شده، در مقایسه با روش انرژی کرنش پلاستیک و همچنین، روشهای تخمین عمر کلاسیک، دارای دقت بهتری بوده و محدوده پراکندگی کوچکتری دارند که نشان از مناسبتر بودن آنها در طراحی قطعات است.
.1 مقدمه
با توجه به وجود بارهای سیکلی ترمومکانیکی در قطعه پیستون، بررسی خستگی کمچرخه در این بخش از موتور، برای مهندسان طراح مهم است. همچنین، آلیاژهای آلومینیوم به دلیل خواص مناسبی که دارد، یکی از پرکاربردترین مواد در ساخت پیستون است. مقالات متعددی در زمینه تحلیل خستگی آلومینیوم ارائه شدهاند که در ادامه، به شرح برخی از آنها پرداخته میشود.
لو1 و همکاران [1]، یک پارامتر خستگی چند محوره جدید براساس انرژی تعریف کردهاند که اثرات مختلف انرژی کرنش کل را در جهات مختلف ماده توضیح میدهد. دجبلی2 و همکاران [2]، یک مدل غیرخطی انباشت آسیب را ارائه دادند که میتواند محاسبه عمر خستگی و وضعیت آسیب را از عناصر ساختاری که در موارد مختلف بارگیری انجام میشود، براساس منحنی تنش - عمر، برای پارامترهای انرژی، ارزیابی کند.
فراهانی [3]، یک پارامتر خستگی چندمحوره جدید برای کرنش همفاز و غیرهمفاز پیشنهاد کرد که مجموع مقدار انرژی محاسبه شده برای یک صفحه بحرانی است و در آن تنش و کرنش، در زمان بارگذاری و باربرداری چرخهای بیشینه است.
کبیر و یو[4] 1، دادههای خستگی کمچرخه کنترل شده با اثرات تنش میانگین برای فولاد ضد زنگ فریتی و لوله فولاد تحت فشار را مورد بررسی قرار داده و روش انرژی کرنش اصلاح شده برای اعمال تأثیر میانگین تنش بر عمر خستگی ارائه کردند .
فرهی و همکاران [5]، یک مدل پیشبینی عمر خستگی برای آلیاژ آلومینیوم- سیلسیوم - منیزیم - A356.0 - ارائه دادند که براساس انرژی کرنش پلاستیک به همراه دو ضریب اصلاح کننده جهت اعمال اثر تنش متوسط و دمای بیشینه میباشد. آزادی و همکاران [6]، یک مدل پیشبینی عمر مبتنی بر انرژی جدید برای آلیاژهای آلومینیوم بدون پوشش و پوشش داده شده تحت بارهای خستگی حرارتی و مکانیکی ارائه کردند که براساس انرژی کرنش پلاستیکی است و دارای سه عامل اصلاح، شامل دما، فشار و میانگین اثرات تنش است.
آزادی و همکاران [7]، همچنین یک مدل پیشبینی عمرخستگی کمچرخه برای آلیاژ منیزیم، براساس روش انرژی ارائه کردند که در مقایسه با تئوریهای دیگر از پارامتر های مادی کمتر دارد و دقت مناسبتری دارد.
آزادی و همکاران، در مقاله دیگری [8]، یک معادله جدید پیشبینی عمر خستگی کمچرخه برای آلیاژ منیزیم با استفاده از روش انرژی با اعمال اثر تنش میانگین بهصورت یک ضریب تصحیح ارائه دادند. در این مقاله، به کمک یک روش انرژی جدید برای پیشبینی عمر خستگی که قبلا در مرجع معرفی شده است، رفتار خستگی کمچرخه آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم پیستون، بررسی میشود و با دادههای تجربی حاصل از آزمون خستگی [9]، مقایسه میگردد.
.2 مواد و آزمونها
در این مطالعه، از آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم، بکار رفته در پیستون ریختهگری شده یک موتور، پس از عملیات حرارتی T6 استفاده شده است. ترکیب شیمیایی در جدول 1 نشان داده شده است؛ در ادامه، ماده بهعنوان آلیاژ آلومینیوم-سیلیسیوم پیستون نامگذاری شده است
جدول -1 ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم پیستون - درصد وزنی -
نمونه های کششی دارای طول 16 میلیمتر و ضخامت 5 میلیمتر هستند. آزمونهای کششی و فشاری توسط دستگاه Instron-8862 در دمای 280 درجه سانتیگراد، 350 درجه سانتیگراد، 425 درجه سانتیگراد، با نرخ کرنش ثابت 0,0005 بر ثانیه و دامنههای مختلف 0,15 - t / 2 - درصد، 0,20 درصد، 0,30 درصد، 0,40 درصد و در هوا انجام شده اند. نمونههای دمبلی شکل با مقاطع موازی، طول 20 میلیمتر و قطر 8 میلیمتر ماشینکاری شدند. عمر خستگی، زمانی که دامنه تنش کششی به حدود 60 درصد از مقدار حداکثر میرسد، تعیین گردید
.3 مدلهای تخمین عمر
مدلهای کلاسیک: ساده ترین روش برای تعیین عمر خستگی میتواند تابعی از کرنش سیکلی یا دامنه تنش درنظر گرفته شود. یکی از این روشها، روش مانسون - کافین- باسکوئین1 است که مبتنی بر کرنش است. این معیار یک رابطه خطی بین دامنه کرنش پلاستیک و طول عمر در مقیاس لگاریتمی را توصیف میکند. رویکرد تنش کل - یا معیار مانسون- کافین- باسکوئین - ، دامنه کرنش مکانیکی کل را به عمر خستگی مرتبط میکند
اثر تنش میانگین در عمر خستگی توسط اسمیت- واتسون- تاپر2 ارائه شده است. عیب این روش، درنظر گرفتن ثابتهای مادی برای هر متغییر مانند درجه حرارت و فشار در آزمایشهای خستگی است. این مدلهای کلاسیک را می توان بهصورت زیر شرح داد :
سمت چپ معادله کلاسیک شرایط بارگذاری و سمت راست آن عمر خستگی - - N و ثابتهای مواد - - A, B است. یکی از این روشهای کلاسیک، معیار مانسون- کافین است که به توصیف یک رابطه خطی بین دامنه کرنش پلاستیک و عمر خستگی، در مقیاس لگاریتمی میپردازد، در معادله 2 ذکر شده است. معادله 3 رابطه مانسون- کافین- باسکوئین3، روش کرنش کل - کرنش الاستیک و پلاستیک - است
