پیش‌بینی خستگی با استفاده از روش‌های سطح بحرانی

تحقیقات در مورد خستگی در نوزدهم آغاز ^شدقرن، پس از شکست محورهای راه آهن که باعث حوادث قطار شد، آغاز شد. در یک محور دوار، تنش از تنش به فشار و برگشت به کشش در یک دور تغییر می‌کند. تاریخچه بار ساده است زیرا تک محوری و متناسب است. سپس خستگی را می توان با منحنی SN، که به عنوان منحنی Wöhler نیز شناخته می شود، ارزیابی کرد که دامنه تنش را با طول عمر یک جزء مرتبط می کند. در بسیاری از کاربردها ما با بارگذاری چند محوری و غیر متناسب سروکار داریم. در این مثال، منحنی SN برای پیش‌بینی خستگی کافی نیست. مدل‌های صفحه بحرانی وضعیت تنش را در جهت‌گیری‌های مختلف در فضا بررسی می‌کنند و بنابراین می‌توانند برخی از اثرات چند محوری و غیر تناسبی را در خود جای دهند. از آنجا که آنها می توانند پدیده شکست خستگی را برای بسیاری از کاربردهای سازه ای به طور دقیق پیش بینی کنند.

درباره مدل های صفحه بحرانی

ایده پشت مدل های هواپیمای بحرانی این است که شکست ناشی از یک ترک است. ترک در یک صفحه، یک صفحه بحرانی ، که مطلوب ترین شرایط تنش/کرنش را برای رشد ترک، انتشار ترک یا هر دو رویداد دارد، شکل می گیرد و اجرا می شود. صفحاتی که بیشترین تنش ها و کرنش های نرمال را تجربه می کنند معمولاً کاندیدهای خوبی برای یک صفحه بحرانی هستند.

حالت تنش در یک نقطه از سازه را می توان با یک تانسور دو بعدی با سه جزء نرمال و سه جزء برشی توصیف کرد. مقدار آن تنش ها زمانی تغییر می کند که عنصر حجم مورد بررسی در جهت دیگری جهت گیری کند. به این معنی که اگر یک عنصر حجمی را برش دهیم و تنش‌ها را روی صفحه جدید ایجاد شده ارزیابی کنیم، وضعیت تنش آن بسته به جهت تغییر می‌کند. در شرایط تنش صفحه، حالت تنش به دو تنش معمولی و یک تنش برشی کاهش می‌یابد که بسته به نرمال سطح نیز متفاوت است.

شرایط استرس در سطوح مختلف

یک صفحه در یک عنصر حجمی دارای یک جزء نرمال و دو جزء تنش/کرنش برشی است. یک مدل صفحه بحرانی از آن مولفه‌های تنش/کرنش برای تعریف صفحه بحرانی به روش خاص خود استفاده می‌کند. به عنوان مثال، معیار تنش نرمال صفحه ای را با بیشترین دامنه تنش نرمال در نظر می گیرد، مدل فایندلی صفحه ای را جستجو می کند که ترکیب بین محدوده تنش نرمال و تنش برشی به حداکثر برسد، در حالی که معیار Matake ، از سوی دیگر، سطوح را ارزیابی می کند. با بالاترین محدوده کرنش از تصویر بالا مشخص است که تمامی هواپیماها جهت گیری های متفاوتی دارند.

مدل های پیش بینی خستگی

برای شرایط تنش صفحه، صفحه بحرانی را می توان با عبارات تحلیلی به دست آورد. وضعیت زمانی چالش برانگیزتر می شود که بار نامتناسب و حالت تنش چند محوری باشد. سپس باید صفحه بحرانی را به صورت عددی جستجو کنیم و تاریخچه بار را در هر جهت صفحه مورد بررسی ارزیابی کنیم. این کار در ماژول خستگی با مدل‌های مبتنی بر استرس و مبتنی بر کرنش انجام می‌شود.

خستگی با معیارهای صفحه بحرانی ارزیابی شد: استرس نرمال، فایندلی و ماتاک. نکته از ویرایشگر، 24/2/14: این تصویر با نتایج COMSOL Multiphysics نسخه 4.4 به روز شده است.

در مدل‌های مبتنی بر استرس می‌توانیم معیارهای تنش طبیعی ، فاندلی و ماتاک را محاسبه کنیم . اینها بر اساس فلسفه ایمن شکست – محاسبه ضریب استفاده از خستگی که تعیین می کند بار خستگی تجربه شده بالاتر یا کمتر از حد خستگی است، ارزیابی می شوند. پارامترهای مواد برای آن مدل ها را می توان به راحتی از نتایج آزمایش های خستگی استاندارد محاسبه کرد. مدل‌های مبتنی بر استرس معمولاً در حوزه خستگی چرخه بالا استفاده می‌شوند که انعطاف پذیری بسیار محدود است.

مدل‌های مبتنی بر کرنش ، کرنش‌ها یا ترکیبی از کرنش‌ها و تنش‌ها را هنگام تعریف یک صفحه بحرانی ارزیابی می‌کنند. این مدل‌ها را می‌توان به‌عنوان یک رابطه تغییر یافته و ترکیبی باسکوین و کافین-منسون دید-زندگی کرنش مشاهده کرد. آنها تعداد چرخه های شکست را پیش بینی می کنند. در ماژول خستگی، سه مدل مبتنی بر کرنش وجود دارد : اسمیت-واتسون-تاپر (SWT) ، وانگ-براون ، و فاطمی-جامعه . این مدل‌ها برای خستگی با چرخه پایین مناسب هستند، جایی که فشارها معمولاً زیاد هستند.

نمونه های مدل سازی خستگی

من می خواهم سه نمونه از ارزیابی خستگی را بر اساس ارزیابی سطح بحرانی به اشتراک بگذارم. دو نفر از آنها خستگی چرخه بالا و آخرین خستگی چرخه پایین را ارزیابی می کنند. می توانید این موارد را در ماژول خستگی پیدا کنید.

• مدل آزمایش استوانه‌ای هر سه معیار مبتنی بر تنش را بر روی یک نمونه آزمایشی استوانه‌ای با بارگذاری غیرمتناسب ارزیابی می‌کند.
• تحلیل ساختاری و خستگی یک مدل شفت با فیله نشان می دهد که چگونه می توان خستگی چرخه بالا را انجام داد. همچنین نحوه محاسبه داده های مواد خستگی را بر اساس آزمایش های خستگی در کشش محوری معکوس و پیچش خالص نشان می دهد.
• تحلیل خستگی سیکل پایین سیلندر با یک مدل سوراخ نشان می دهد که چگونه می توان مطالعه خستگی را در حضور پلاستیسیته انجام داد. در چنین حالتی مهم است که ابتدا یک چرخه بار پایدار قبل از انجام تحلیل خستگی بدست آوریم.

اگر علاقه مند به یادگیری بیشتر در مورد مدل سازی پیش بینی خستگی هستید، وبینار آرشیو شده مدل سازی خستگی با COMSOL را تماشا کنید .