9268

8570

كارشناسي ارشد

مكانيك-طراحي كاربردي

اصفهان: دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مكانيك

1393

نه،108ص.: مصور،جدول،نمودار

ص.ع.به فارسي و انگليسي

محمد مشايخي

محمود كدخدايي

1/9/93

محمدرضا فروزان، مصطفي جمشيديان

مهندسي مكانيك

ID8570

چكيده آسيب فرآيندي است برگشت ناپذير كه با كاهش تدريجي مقاومت مكانيكي زوال ماده را به دنبال دارد مكانيك آسيب شاخهاي از مكانيكك جامدات است كه عوامل مكانيكي ناظر بر گسيختگي ماده تحت بارگذاريهاي مختلف را مورد مطالعه قرار ميدهد خستگي گونكه اي از آسكيب بكوده كه مي تواند منجر به شكست ناگهاني قطعات گردد بارگذاري خستگي در اثر تنش هاي چرخه اي كه كمتر از تنش كششي نهايي يا حتي تنش تسكليم هستند نتيجه مي شود نام خستگي بر اساس اين مفهوم است كه يك ماده تحت بارگذاري تككرار شكونده خسكته شكده و در سكطن تكنش زيكر مقاومكت اسمي ماده وامانده مي شود عمر خستگي يك قطعه مي تواند به صورت تعداد چرخه هاي بارگذاري الزم بكراي شكروع يكك تكرك و گسكترش آن تكا اندازه بحراني بيان شود بنابراين مي توان گفت كه واماندگي خستگي در سه مرحله اتفاق مي افتد شروع ترك رشد تكرك آهسكته پايكدار و شكسكت سريع براي شروع ترك هاي خستگي سه عامل اساسي الزم است اوال الگوي بارگذاري بايد شامل مقادير اوج بيشينه و كمينه با اخكتالف يكا نوسكان بكه حد كافي بزرگ باشد مقادير اوج ممكن است در كشش يا فشار بوده و يا بر حسب زمان تغيير كنند اما چرخه بارگذاري معكوس شونده براي شكروع ترك خستگي بايد به حد كافي بزرگ باشد ثانيا سطوح تنش اوج بايستي مقادير نسبتا زيادي داشته باشند اگر تنش هكاي اوج خيلكي ككم باشكند هكي تركي شروع به رشد نخواهد كرد ثالثا ماده بايد در معرض تعداد چرخه هاي بارگذاري زياد قرار گيرد تعداد چرخه هاي الزم به منظور شكروع و رشكد يك ترك در ابتدا بستگي به سه عامل فوق دارد عالوه بر اين سه عامل اساسي دسته اي از متغيرهاي ديگر از قبيل تمركز تنش خوردگي دما اضكافه بار سازه متالوژيكي و تنش هاي پسماند نيز وجود دارند كه مي توانند بر تمايل به خستگي تأثير بگذارند چكون تكرك هكاي خسكتگي عمومكا در سكطن شروع به رشد مي كنند وضعيت سطن قطعه بارگذاري شده بر روي عمر خستگي آن اثر مي گذارد زبري سطن يكك عامكل مهكم اسكت زيكرا بكه طكور مستقيم به حد و تعداد تمركزهاي تنش بر روي سطن مربوط مي شود سطوح صاف مدت زمان زيادي طول مي كشند تكا تكرك در آن هكا جوانكه بزنكد شيارها خراش ها و ديگر عوامل تمركز تنش عمر خستگي را كاهش مي دهند تنش پسماند سطن نيز يك اثر عمده بر روي عمر خستگي مي گكذارد تنش هاي پسماند فشاري حاصل از ماشين كاري سردكاري و عمليات حرارتي باعث ايجاد يك بار كششي شده و درنتيجه دامنه بارگذاري چرخكه اي را تنزل مي دهند در اين پايان نامه از مدل آسيب خستگي شابوش لمتر بكراي پكيش بينكي وامانكدگي قطعكات تحكت بارگكذاري خسكتگي پرچرخكه بكه صورت تك محوره و چند محوره استفاده مي شود رش د آسيب خستگي در اين مدل بر حسب تنش هاي بيشكينه و كمينكه در هكر چرخكه بكوده ككه مكي تواند براي تسليم ناهمسانگرد به كار رود مدل آسيب شابوش لمتر اثر تنش ميانگين و نيز اثر تنش هاي فشاري را كه باعث بسته شكدن تكرك مكي شكود در نظر مي گيرد عالوه بر اين در بارگذاري هاي چند مرحله اي رشد آسيب را زير حد خستگي امكان پذير مي سازد اين مدل در حكالتي ككه مقكادير تنش هاي بيشينه و كمينه ثابت است به طور مستقيم انتگرال گيري شده و تعداد چرخه هاي منجر به شكست به صورت يك رابطكه بسكته بكه دسكت مكي آيككد در ريككر ايككن صككورت مككدل بككه روش ضككمني انتگككرال گيككري شككده و بككه صككورت يككك زيربرنامككه مككاده كككاربر UMAT در نككرم افككزار Abaqus Standard پياده سازي عددي مي گردد هم چنين براي كاهش زمان حل مسئله از روش پرش درون چرخكه هكا بكا تكيكه بكر شكبيه سكازي بارگذاري خستگي به صورت زيربرنامه دامنه كاربر UAMP استفاده مي شود براي راستي آزمايي زيربرنامه هكاي تكدوين شكده ابتكدا يكك المكان مكعبي تحت بارگذاري چرخه اي كامال معكوس شونده قرار گرفته و نتايج آن براي حالت االستوپالستيك بكا مكدل آبكاكوس مقايسكه شكده ككه تطكاب خوبي نشان مي دهد سپس با در نظر گرفتن آسيب و نيز استفاده از روش پرش و بدون استفاده از روش پرش نتايج بكا يككديگر مقايسكه مكي شكوند در ادامه سه نمونه بدون شيار شياردار V شكل و سوراخ دار تحت بارگذاري خستگي با نسبت تنش هاي متفاوت قرار گرفته و نتايج آن بكا نتكايج تجربكي و رابطه بسته مقايسه مي گردند در پايان به عنوان مطالعه موردي اسپيندل روتور اصلي پره هاي يك بالگرد تحت بارگذاري خستگي قكرار گرفتكه و عمكر آن با نمونه عملي مقايسه مي شود كليدي مكانيك آسيب پيوسته خستگي پرچرخه تخمين عمر روش پرش درون چرخهها اسپيندل كلما

Lifetime Prediction under High Cycle Fatigue Loading using Finite Element Method based on Continuum Damage Mechanics Amir Hossein Mehdizadeh ah mehdizadeh@me iut ac ir am hosein@gmail com Date of Submission 2014 04 30 Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 Iran Degree M Sc Language FarsiSupervisor Mohammad Mashayekhi mashayekhi@cc iut ac irAbstract Damage is an irreversible process which causes material failure due to mechanical strength gradual degradation Damage mechanics is a field of solid mechanics which studies mechanical parameters governing material rupture underdifferent loadings Fatigue is a kind of damage which can lead to sudden fracture of components Fatigue loadingresults from cyclic stresses that are less than the ultimate tensile stress or even the yield stress of the material Thename fatigue is based on the concept that a material becomes tired under repetitive loading and fails at a stress levelbelow the nominal strength of the material The fatigue life of a component can be expressed as the number of loadingcycles required to initiate a crack and to propagate it to critical size Therefore it can be said that fatigue failure occursin three stages crack initiation slow stable crack growth and rapid fracture In order for fatigue cracks to initiate threebasic factors are necessary First the loading pattern must contain minimum and maximum peak values with largeenough variation or fluctuation The peak values may be in tension or compression and may change over time but thereverse loading cycle must be sufficiently great for fatigue crack initiation Secondly the peak stress levels must be ofsufficiently high value If the peak stresses are too low no crack initiation will occur Thirdly the material mustexperience a sufficiently large number of cycles of the applied stress The number of cycles required to initiate andgrow a crack is dependant on the first to factors In addition to these three basic factors there are a host of othervariables such as stress concentration corrosion temperature overload metallurgical structure and residual stresseswhich can affect the propensity for fatigue Since fatigue cracks generally initiate at a surface the surface condition ofthe component being loaded will have an effect on its fatigue life Surface roughness is important because it is directlyrelated to the level and number of stress concentrations on the surface Smooth surfaces increase the time to nucleation Notches scratches and other stress risers decrease fatigue life Surface residual stress will also have a significant effecton fatigue life Compressive residual stresses from machining cold working heat treating will oppose a tensile load andthus lower the amplitude of cyclic loading In this dissertation Chaboche Lemaitre fatigue damage model is used topredict failure of components under high cycle fatigue loadings uniaxially and multiaxially Fatigue damage evolutionin the model is based on maximum and minimum stresses in each cycle which can be used for anisotropic yield TheChaboche Lemaitre damage model takes into account mean stress effect as well as compressive stresses effect makingcrack to close In addition enables damage evolution below the fatigue limit under multilevel loadings When thevalues of maximum and minimum stresses are constant the model is integrated directly and number of cycles to fail isobtained as a closed form equation Otherwise the model is integrated implicitly and implemented by a user material UMAT subroutine in Abaqus Standard software numerically Also to reduce computation time Jump in Cyclesprocedure is used based on fatigue loading simulation by a user amplitude UAMP subroutine To verify codifiedsubroutines first a cubic element is subjected to a fully reversed cyclic loading and the results are compared withAbaqus model for elastoplastic state which show good agreement then compared to each other with damage and alsowith without jump in cyc

محمد مشايخي

محمود كدخدايي

محمدرضا فروزان، مصطفي جمشيديان