شماره مدرك
21036
شماره راهنما
2473 دكتري
پديد آورنده
نيكنفس، سهيل
عنوان
شبيهسازي چند مقياسي دانه درشت خستگي در آلومينيوم
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
طراحي كاربردي-جامدات
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
سيزده، 93ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
خستگي , شكست , ديناميك مولكولي دانه درشت , روش غير تطبيقي/تطبيقي همزمان پل زدن دامنه
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/19
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/02/21
كد ايرانداك
23219340
چكيده فارسي
روشهاي مكانيك محيطهاي پيوسته مانند المان محدود توسعه يافته و كريستال پلاستيك، توانايي و دقت مناسبي براي شبيهسازي خستگي دارند و هزينه محاسباتي آنها نيز قابل قبول است، اما بررسي فرآيندهاي پيچيده غيرخطي مانند جوانه زني، مسير رشد ترك و اثر مرز دانه در مقياس ماكرو همچنان چالش برانگيز و وابسته به استخراج متغيرهاي مدل به كمك روشهاي تجربي يا مقياس ريز است. با توسعه روشهاي ديناميك مولكولي، امكان بررسي فرآيندهاي پيچيده ياد شده در مقياس پايينتر فراهم شده است و با بررسي رفتار ماده در مقياس نانو و ميكرو ميتوان درك مناسبي از متغيرهاي تاثيرگذار در مدلهاي پيوسته و اثر ريز ساختار بر رشد ترك پيدا كرد. تغيير شكل پلاستيك ميكرومتري در مقياس بالا، پيش از رشد ترك در فلزهايي مانند آلومينيوم، شبيهسازي رشد ترك خستگي در مقياس نانو را با چالشهايي روبرو كرده است، زيرا شبيهسازي ناحيه اتمي با ابعاد ميكرومتري در روشهاي ديناميك مولكولي، هزينه محاسباتي بالايي دارد. براي كاهش هزينه محاسباتي ميتوان از روش ديناميك مولكولي دانه درشت استفاده كرد. اين روش، با مدل كردن چندين اتم به صورت يك ابر-اتم، درجه آزادي مدل را كاهش ميدهد. استفاده از پتانسيل توسعه يافته مورس در روش دانه درشت، تغيير شكل پلاستيك و رشد نابجاييها را محدود كرده و ناحيه ابر-اتمي كوچكتري براي بررسي خستگي و رشد ترك نياز است. هر چند در ناحيه رشد ترك نياز به ريزنمايي بالا است اما در ناحيه دور از ترك براي انتشار موج و اعمال شرط مرزي ميتوان از ريزنمايي ضعيفتري استفاده كرد. روش دو مقياسي همزمان پل زدن دامنه با تقسيم دامنه حل به سه زير دامنه مقياس ريز، درشت و زير دامنه همپوشاني دو مقياس در كنار كاهش هزينه محاسباتي، مقدار موج بازگشتي به مقياس ريز را كم كرده و براي مسئلههاي ديناميكي مناسب است. با تركيب دو روش ديناميك مولكولي دانه درشت براي مقياس ريز و روش پل زدن دامنه براي ايجاد مدل دو مقياسي، مطالعه شكست ناشي از خستگي در مقياس ميكرو قابل انجام خواهد بود. در اين تحقيق روش دو مقياسي تطبيقي پل زدن دامنه نيز پيادهسازي شد؛ اين روش در صورت نزديك شدن ترك به زير دامنه مقياس درشت اين زير دامنه را ريزنمايي كرده و به اين ترتيب علاوه بر كاهش بيشتر هزينه محاسباتي با توجه به محدود شدن ناحيه اتمي به پيرامون ترك، رشد ترك در سراسر مدل امكان پذير است. از ديگر چالشهاي شبيهسازي خستگي، جوش خوردگي دو سطح آزاد ترك پس از باربرداري به علت قرار گرفتن ابر-اتمهاي دو سطح آزاد در فاصله تاثيرگذاري ميدان نيرويي است. براي جلوگيري از بسته شدن ترك و ايجاد دوباره ساختار كريستالي بدون عيب، روش شناسايي سطح آزاد ترك طراحي شده است؛ اين روش با شناسايي تغيير انرژي سطح آزاد پس از رشد ترك با غير فعال كردن ميدان نيرويي بين دو سطح آزاد، مانع از جوش خوردگي خواهد شد. همچنين از روش ياد شده براي شناسايي محل نوك ترك در روش دو مقياسي تطبيقي استفاده شده است. براي انجام شبيهسازيهاي خستگي در مقياس ريز از نرم افزار متن باز لمپس استفاده و پيادهسازي روشهاي دو مقياسي در قالب متن آن انجام شد. در اين پژوهش، ابتدا با ايجاد مدلهاي يك مقياسي دانه درشت مرجع با ساختار تك كريستال، مرز دوقلو، دو كريستالي و پلي كريستال، رشد ترك خستگي شبيهسازي شده و ضريب مادي قانون پاريس و ضريب شدت تنش بحراني براي آلومينيوم، نيكل و مس جهت مقايسه با دادههاي تجربي و مدل دو مقياسي استخراج شد. همچنين درباره اثر مرز دانه و جهتگيري كريستالي در كاهش يا افزايش سرعت رشد ترك خستگي بحث شده است. در ادامه، روش دو مقياسي همزمان پل زدن دامنه و روش تطبيقي پيادهسازي و متغيرهاي تاثير گذار بر دقت روشها موشكافي شد. مقايسه مسير ترك، توزيع تنش، توان قانون پاريس و ضريب شدت تنش بحراني براي سه فلز آلومينيوم، نيكل و مس، بين مدلهاي دو مقياسي و يك مقياسي، گواهي دقت مناسب روش دو مقياسي در بررسي ريز ساختاري پديدههاي وابسته به تغيير شكل بزرگ مانند خستگي و رشد ترك در كنار كاهش هزينه محاسباتي تا 36 درصد در دو مقياسي غير تطبيقي نسبت به يك مقياسي و تا 46 درصد نسبت به دو مقياسي غير تطبيقي براي روش تطبيقي است.
چكيده انگليسي
Fatigue crack growth involves local cyclic bond breaking and irreversible atomic scale rearrangements that are not represented in classical continuum formulations, making atomistic resolution essential for accurately capturing early stage crack evolution and near tip deformation. Fully atomistic simulations, however, remain computationally prohibitive for large domains and long crack paths. Although coarse grained molecular dynamics (CGMD) extends the accessible length scales, CGMD alone remains computationally demanding for extended fatigue simulations, indicating the need for a more scalable framework. The present study examines a developed concurrent multiscale coupling approach that integrates CGMD with a finite element continuum domain for simulating fatigue crack growth in FCC metals. The objective is to assess whether the multiscale framework can preserve consistency with CGMD predictions while providing substantial reductions in computational expense. The methodology is applied to single crystal and bi-crystal configurations, with evaluation of fine-scale region size, overlapping region width, and boundary effects. Results indicate that the multiscale model reproduces crack trajectory and stress intensity versus crack growth rate trends observed in Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulation, while reducing computational cost by up to 36% and 46% for the adaptive model compare to non-adaptive models for the smallest fine region configuration. This efficiency gain enables the analysis of larger samples that are infeasible for standalone atomistic or CGMD based fatigue simulations. Calibration for aluminum, copper, and nickel yields Paris law exponents and fatigue parameters in good agreement with available experimental data, demonstrating that the multiscale framework provides an accurate and computationally efficient tool for large-scale fatigue crack growth studies.
استاد راهنما
محمد سيلاني
استاد مشاور
سعيد ضيائي راد
استاد داور
محمد مشايخي , حسين حسيني تودشكي , نيما نوري , محمد آرام فرد