بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به ارزیابی واماندگی خستگی براي تعیین تأثیر نیروي پیشبار پیچ در مود واماندگی و عمر خستگی اتصالات دو لبه برشی ورقهاي آلومینیوم 2024-T3 در پیشبارهاي مختلف و سطوح مختلف دامنهي تنش پرداخته میشود. در این اتصالات بسته به نیروي پیشبار و دامنهي تنش طولی اعمالی، سه عامل واماندگی قابل رویت است که این سه عامل عبارتند از: واماندگی خستگی مالشی1، واماندگی سایش مالشی2 و واماندگی مکانیکی. مشاهده میشود که در یک پیشبار ثابت با افزایش دامنهي تنش طولی اعمالی، عمر خستگی اتصال بهصورت سهمیوار تغییر میکند بدینصورت که ابتدا کاهش یافته و مجدداً افزایش مییابد. در این مقاله هدف تعیین محل شکست و نیز تعیین نقطه مینیمم عمر در در یک نیروي پیشبار ثابت بهصورت عددي و مقایسهي آن با نتایج تجربی میباشد.
مقدمه
در صنعت، اتصالات مکانیکی به دو دسته جداشدنی و دائمی تقسیم بندي میشوند. براي اتصال قسمتهاي مختلف سازههاي فضایی از اتصالات مکانیکی جداشدنی در سطح وسیعی استفاده میشود. پیچ و مهره نیز یکی از انواع اتصالات جداشدنی پرکاربرد میباشد که این اتصالات با توجه به قابلیت دمونتاژ شدن و مقاومت بالا در برابر بارهاي استاتیکی و دینامیکی همچنین مقاومت خوب در مقابل پدیده خستگی به اتصالات دیگر ترجیح داده میشوند. اما این اتصالات ضعفهاي خاص خودشان را هم دارند که از جمله این ضعف ها میتوان به پدیده خستگی مالشی اشاره کرد. این پدیده در اتصالات به دلیل حرکت نسبی اجزا اتصال در حین بارگذاري سیکلی رخ میدهد. حرکت نسبی اجزا رويهم باعث ساییده شدن موضعی اجزا اتصال شده و باعث بوجودآمدن تركهاي خستگی میشود و در نتیجه این پدیده عمر اتصال را پایین میآورد. بیش از پنجاه عامل در خستگی مالشی تأثیرگذارند .
[1] این پنجاه عامل به دو دستهي عوامل اولیه و عوامل ثانویه دستهبندي شده است. عومل اولیه، عواملی هستند که تأثیر مستقیم دارند در حالیکه عوامل ثانویه عواملی هستند که بهطور غیر مستقیم تحت تأثیر عوامل اولیه عمل میکنند. عوامل اولیه شامل بار عمودي، ضریب اصطکاك و دامنهي لغزش می- باشد. همچنین باید ذکر شود که این عوامل اولیه بهم وابستهاند. براي مثال مادج و همکاران [2] نشان دادند که ضریب اصطکاك روي توزیع لغزش اثر میگذارد در حالی که ضریب اصطکاك به نیروي عمودي وابسته است. بعلاوه ضریب اصطکاك نیز با تعداد سیکلهاي خستگی تغییر میکند. سه رژیم براي مالش در نظر گرفتهاند که عبارتند از: رژیم چسبان3، رژیم ترکیبی چسبان-لغزش4 و رژیم لغزش بزرگ.
[ 3] 5 مودهاي آسیب سطح متناسب با این سه رژیم عبارت است از: آسیب کم سایش، آسیب خستگی مالشی و آسیب سایش مالشی.در مود اول و دوم واماندگی اثرات خوردگی و سایش کم بوده ولی در مود سوم، خوردگی و سایش عامل اصلی واماندگی است. مکانیزمهاي مختلف سایش در این سه مود قابل رخ دادن هستند. براي مثال سایش مالشی شامل ترکیبی از سایش چسبان6، سایش خراشان7، سایش خستگی8 و سایش خوردگی9 میباشد. همچنین پارامترهاي زیادي در نوع مکانیزم سایش رخ داده دخیل هستند. براي نمونه [4] به بررسی اثر سرعت لغزش در سایش اکسیدي پرداخته است. در این مقاله هدف بررسی دو مود واماندگی خستگی مالشی و سایش مالشی و انتقال از رژیم ترکیبی چسبان-لغزش به رژیم لغزش بزرگ و نقش آن در تعیین محل شکست بهصورت عددي و مقایسهي آن با نتایج تجربی است.
پروسهي عملی
براي انجام آزمایش از ورقهایی از جنس آلومینیوم 2024-T3 استفاده شده است. پیچ مورد استفاده M6×1 از جنس فولاد می- باشد. براي تعیین نیروي پیشبار حاصل در پیچ ناشی از محکم کردن آن در سوراخ اتصال از کرنش فشاري محوري بوجودآمده در یک بوش فولادي استفاده میشود که بین مهره و ورق قرار میگیرد. سپس با استفاده از رابطهي هوك تنش فشاري متناظر و در نهایت نیروي محوري پیشبار در پیچ بدست میآید. مشخصات مکانیکی ورقها، پیچ و بوش در جدول 1 آورده شده است. در شکل 1 ابعاد ورقها و بوش آمده است. همچنین در شکل 2 نماي کامل اتصال براي انجام آزمایش نشان داده شده است. در جدول 2 گشتاورهاي پیچشی و نیروهاي طولی متفاوت اعمالی و عمر متناظر با آنها ارائه شده است. بارگذاريها در فرکانس 15 هرتز و با نسبت دامنهي تنش R=0 انجام گرفته است.
پروسهي شبیهسازي
براي مدلسازي اتصال از نرمافزار ANSYS نسخهي 12 استفاده شده است. براي شبکهبندي ورقها، پیچ و واشر از المانهاي سه بعدي SOLID185 با 8 گره استفاده شده است. هر گره سه درجه آزادي - جابجایی در راستاهاي - X,Y,Z دارد. این المان قابلیت تحلیل در حوزهي پلاستیک، سخت شوندگی تنش، خزش و تغییر شکلهاي بزرگ را دارا میباشد و همچنین مناسب براي تحلیل مسائل غیرخطی پیشرفته مانند تماس است. قسمتهاي تحت تماس با استفاده از المانهاي سه بعدي تماسی سطح با سطح CONTA174 و TARGE170 مدل شده است. با توجه به اینکه کل مدل چه از لحاظ هندسه و چه از لحاظ بارگذاري نسبت به دو صفحهي X-Y و X-Z در مرکز اتصال تقارن دارد،
لذا با اعمال شرط مرزي قرینهي جابجایی از 1/4 کل مدل براي انجام تحلیل استفاده شده است. براي مدل کردن رفتار مادهي ورق از نتایج بدست آمده در آزمون کشش ساده بر آلیاژ آلومینیوم 2024-T3 استفاده شده است [5] بهطوري که رفتار ماده بهصورت الاستیک-پلاستیک با سختشوندگی سینماتیکی در نظر گرفته شده تا تحلیلها هرچه بیشتر به واقعیت نزدیکتر باشند. با توجه به اینکه جنس واشر و پیچ داراي خواص کششی تقریباً یکسان بوده و بررسی تنشها بین سر پیچ و واشر مورد نظر نمیباشد لذا براي مادهي پیچ و واشر رفتار الاستیک خطی فولاد مطابق جدول 1 استفاده میشود؛ همچنین مقدار ضریب اصطکاك در گشتاور 4N.m و بارهاي طولی متفاوت در جدول 3 ارائه شده است .[7]
نتایج
با توجه به آزمایشات انجام گرفته دیده شد که در یک گشتاور پیچشی ثابت، روند متفاوتی در عمر خستگی اتصال مشاهده میشود. با در نظر گرفتن آسیب سطح، سه واماندگی خستگی قابل بررسی میباشد که بطور مفصل در [6] بررسی شده است. در شکل 4، نمودار عمر بر حسب بارهاي طولی متفاوت در گشتاور پیچشی 4Nm رسم شده است. با توجه به شکل 4 سه واماندگی رخ داده شده قابل مشاهده میباشد. همانگونه که از شکل 4 برمیآید، کمترین عمر مربوط به انتقال واماندگی از حالت خستگی مالشی به سایش مالشی ج میباشد.
همانگونه که شکل 5 نشان میدهد، در گشتاور پیچشی 4Nm، با افزایش نیروي طولی، ناحیهي شکست از سمت بار به طرف سوراخ کشیده میشود. در این وضعیت عمر خستگی اتصال در حال کاهش میباشد. در نقطهي کمینهي عمر، شکست اتصال از سوراخ مرکزي میباشد. مجدداً با افزایش نیروي طولی، عمر اتصال افزایش مییابد و ناحیهي شکست از سوراخ مرکزي به سمت بار کشیده میشود. بررسی حالات تماسی بین دو ورق آلومینیومی به صورت عددي در گشتاور پیچشی 4Nm و نیروهاي طولی مختلف در شکل 6 آورده شده است. همانطوري که از شکل 6 مشخص است با افزایش نیروي طولی، ناحیهي تماس از اطراف سوراخ به سمت بار کشیده میشود.
