 |
براکت – ارزیابی خستگی
معرفی
منحنی SN که منحنی Wöhler نیز نامیده می شود، یکی از محبوب ترین روش ها برای ارزیابی خستگی است. منحنی دامنه تنش را با عمر خستگی محدود مرتبط می کند و می تواند مستقیماً از مجموعه ای از تست خستگی استاندارد بدست آید. با این حال، اغلب، یک سازه تحت شرایط متفاوت از شرایط آزمایشی آزمون‌های خستگی قرار می‌گیرد. سپس داده های خستگی باید به طور مناسب اصلاح شوند تا شرایط عملیاتی واقعی در نظر گرفته شود.
در این مثال نشان داده شده است که چگونه می توان ارزیابی خستگی را زمانی که داده های مواد نیاز به در نظر گرفتن شرایط محیطی سخت و فرآیند تولید ضعیف دارند، انجام داد.
تعریف مدل
هندسه براکت را می توان در شکل 1 مشاهده کرد . این قطعه تحت بارهای خارجی قرار می گیرد که یک بازو را بالا می برد و بازوی دیگر را به سمت پایین می کشد. مقدار بار بین یک بار صفر، یک بار اوج و بازگشت به بار صفر چرخه می شود. اطلاعات اضافی در مورد راه اندازی مدل را می توان در مستندات برنامه کاربردی Bracket-Spring Foundation Analysis ، که در ماژول مکانیک سازه یافت می شود، یافت.
شکل 1: هندسه براکت.
فولاد ساختاری در براکت تمیزی ضعیفی دارد و دارای اجزای نسبتاً بزرگی است. به خوبی شناخته شده است که با کاهش خلوص حد استقامت کاهش می یابد و در نتیجه ادغام های بزرگ طول عمر را کوتاه می کند. خواص خستگی مواد در یک آزمایشگاه مواد آزمایش شده است و در جدول 1 خلاصه شده است . این ماده دارای حد استقامت مشخص در 110 مگاپاسکال است. آزمایش ها در شرایط آزمایش اسمی و روی نمونه هایی با سطح بسیار خوب انجام شد.
طول عمر خستگی (چرخه) | دامنه تنش (MPA) |
1.10e3 | 360 |
2.17e3 | 320 |
3.82e3 | 290 |
7.15e3 | 260 |
1.45e4 | 230 |
3.23e4 | 200 |
5.92e4 | 180 |
1.16e5 | 160 |
2.51e5 | 140 |
6.09e5 | 120 |
1.00e6 | 110 |
برخلاف شرایط آزمایش، براکت ماشینکاری شد و در نتیجه سطح ناهمواری دارد. علاوه بر این براکت در آب نمک کار می کند که تأثیر زیادی بر مقاومت در برابر خستگی دارد. از آنجایی که داده های آزمایشی برای شرایط عملیاتی وجود ندارد، داده های منحنی SN باید اصلاح شوند. یک رویکرد استفاده است
(1)
که در آن σ a دامنه تنش، k ضریب اصلاح، N طول عمر خستگی و f SN منحنی SN است. بر اساس تجربه، ضریب اصلاح برای خوردگی در آب نمک را می توان روی 0.4 تنظیم کرد. ضریب اصلاح برای پرداخت سطح، به دلیل تکنیک ساخت ماشینکاری، می تواند روی 0.7 تنظیم شود. ضریب اصلاح در معادله 1 برای اثر ترکیبی به سادگی حاصل ضرب ضرایب اصلاح برای همه شرایط عملیاتی و در نتیجه 0.28 است .
نتایج و بحث
توزیع تنش در براکت در اوج بار در شکل 2 نشان داده شده است .
شکل 2: تنش در براکت در اوج بار کاری.
نمای نزدیک از قسمت با غلظت تنش نشان می دهد که تنش ها در قسمت داخلی براکت نیز قابل توجه است، به شکل 3 مراجعه کنید .
شکل 3: نمای نزدیک از قسمتی از براکت که بیشترین تنش ها را تجربه می کند.
تجزیه و تحلیل خستگی مواد براکت، اصلاح شده برای شرایط ساخت، عمر بی نهایت را پیش بینی می کند. هنگامی که در آب شور غوطه ور می شود، تنش ها در بیشتر براکت به اندازه کافی زیاد نیست که باعث خستگی شود. فقط در چند نقطه محلی خطر خستگی وجود دارد، شکل 4 را ببینید . به احتمال زیاد براکت در اتصال بین دو قسمت مسطح از کار می افتد زیرا تنش ها در هر دو طرف بالا و پایین به اندازه کافی زیاد است که باعث خستگی شود.
شکل 4: طول عمر خستگی زمانی که براکت در آب نمک غوطه ور است.
در شکل 4 یک عمر محدود نزدیک به سوراخ هایی که براکت را محکم می کنند، پیش بینی شده است. این نتایج به شدت به شرایط مرزی که در آنجا اعمال می شود وابسته است. در این مدل از پایه های فنری برای بستن براکت استفاده شد، اما محدودیت را می توان با استفاده از یک اتصال ثابت با تجزیه و تحلیل تماس کامل نیز اعمال کرد. این امر میدان تنش را در مجاورت سوراخ ها تغییر می دهد و منجر به طول عمر خستگی متفاوت می شود.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
منحنی SN را می توان با استفاده از انواع مختلف تابع در COMSOL Multiphysics تعریف کرد. هنگام استفاده از تابع درون یابی، استفاده از نکات زیادی برای مشخص کردن رابطه بین عمر خستگی و دامنه تنش مهم است، زیرا دامنه عمر خستگی بسیار زیاد است و تغییر کوچک در دامنه تنش منجر به تغییر زیادی در طول عمر خستگی می شود. . مقدار تابع بین دو نقطه داده را می توان به روش های مختلف ارزیابی کرد، اما درون یابی خطی رایج ترین است. در شکل 5 منحنی SN به ترتیب با یازده و با چهار نقطه اندازه گیری مشخص شده است. توجه داشته باشید که عمر خستگی در مقیاس لگاریتمی نمایش داده می شود و بنابراین درونیابی یک خط مستقیم نیست. دو منحنی تفاوت های زیادی را نشان می دهند. در 200 مگاپاسکال، یک منحنی 3.23·10 4 را پیش بینی می کند چرخه در حالی که دیگری 5.80·10 4 چرخه را پیش بینی می کند. اختلاف تقریباً دو فاکتور
شکل 5: منحنی SN بر اساس تعداد نقاط مختلف اندازه گیری.
مسیر کتابخانه برنامه: Fatigue_Module/Stress_Life/bracket_fatigue
دستورالعمل های مدل سازی
ریشه
در این مثال شما از یک مدل موجود از ماژول مکانیک سازه شروع خواهید کرد.
کتابخانه های کاربردی
1 | از منوی File ، Application Libraries را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Application Libraries ، Structural Mechanics Module>Tutorials>bracket_spring را در درخت انتخاب کنید. |
3 |  روی Open کلیک کنید . |
ریشه
خستگی بر اساس یک چرخه بار محاسبه می شود. یک پارامتر برای مقیاس بزرگی بار خارجی ایجاد کنید.
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
برای | 0 | 0 | کنترل چرخه بار |
ک | 1.0 | 1 | عامل استرس |
جزء 1 (COMP1)
در پنجره Model Builder ، گره Component 1 (comp1) را گسترش دهید .
تعاریف
تحلیلی 1 (بار)
1 | در پنجره Model Builder ، گره Component 1 (comp1)>Definitions را گسترش دهید ، سپس روی Analytic 1 (load) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تحلیل ، قسمت تعریف را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text para*F*cos(atan2(py,abs(px))) را تایپ کنید . |
با بهبود مش موجود به منظور دستیابی به وضوح بهتر شیب تنش در فیله های بحرانی شروع کنید.
مش 1
در پنجره Model Builder ، گره Component 1 (comp1)>Mesh 1 را گسترش دهید .
سایز ۲
1 | در پنجره Model Builder ، گره Component 1 (comp1)>Mesh 1>Free Tetrahedral 1 را گسترش دهید . |
2 | روی Free Tetrahedral 1 کلیک راست کرده و Size را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
4 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
5 | فقط مرزهای 24، 28، 63 و 70 را انتخاب کنید. |
6 | بخش اندازه عنصر را پیدا کنید . روی دکمه Custom کلیک کنید . |
7 | قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . |
8 | کادر انتخاب حداکثر اندازه عنصر را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 0.002 را تایپ کنید . |
9 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
مطالعه 1
از آنجایی که یک مورد الاستیک است و بار خارجی متناسب است، تنها دو حالت بار برای گرفتن دامنه تنش ارزیابی شده در منحنی SN لازم است.
مرحله 1: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، گره Study 1 را گسترش دهید ، سپس روی Step 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، برای گسترش بخش Study Extensions کلیک کنید . |
3 | کادر بررسی جارو کمکی را انتخاب کنید . |
4 |  روی افزودن کلیک کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر |
پارا (کنترل چرخه بار) | 0 1 |
6 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
درون یابی 1 (int1)
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Functions کلیک کنید و Global>Interpolation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای درون یابی ، قسمت Definition را پیدا کنید . |
3 | از فهرست منبع داده ، فایل را انتخاب کنید . |
4 | زیربخش توابع را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام تابع | موقعیت در پرونده |
راحت تر | 1 |
5 |  روی Browse کلیک کنید . |
6 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل bracket_fatigue_sn_curve.txt دوبار کلیک کنید . |
7 |  روی Import کلیک کنید . |
فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | رابط های فیزیک را در زیربخش مطالعه بیابید . در جدول، کادر حل را برای مطالعه 1 پاک کنید . |
4 | در درخت، Structural Mechanics>Fatigue (ftg) را انتخاب کنید . |
5 | روی Add to Component 1 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
6 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
خستگی (FTG)
استرس زندگی 1
1 | روی Component 1 (comp1)>Fatigue (ftg) کلیک راست کرده و ارزیابی مرزی Stress-Life را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای استرس زندگی ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Fatigue Model Selection را پیدا کنید . از لیست σ ، Signed von Mises (اصلی) را انتخاب کنید . |
5 | از لیست اصلاح ، عامل استرس را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Solution Field را پیدا کنید . از لیست رابط فیزیک ، مکانیک جامدات (جامد) را انتخاب کنید . |
7 | قسمت پارامترهای مدل خستگی را پیدا کنید . از لیست f SN ( N ) ، whler را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت متن k ، k را تایپ کنید . |
9 | قسمت تنظیمات ارزیابی را پیدا کنید . در قسمت متن برش N ، 1e6 را تایپ کنید . |
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | رابط های فیزیک را در زیربخش مطالعه بیابید . در جدول، کادر حل را برای Solid Mechanics (جامد) پاک کنید . |
4 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، مطالعات از پیش تعیین شده برای رابط های فیزیک انتخاب شده > خستگی را انتخاب کنید . |
5 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
6 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 2
مرحله 1: خستگی
1 | در پنجره تنظیمات برای خستگی ، قسمت Values of Dependent Variables را پیدا کنید . |
2 | مقادیر متغیرهای حل نشده را برای بخش فرعی پیدا کنید . از لیست تنظیمات ، کنترل کاربر را انتخاب کنید . |
3 | از لیست روش ، راه حل را انتخاب کنید . |
4 | از لیست مطالعه ، مطالعه 1، ثابت را انتخاب کنید . |
جارو پارامتریک
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر Sweep کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر |
k (عامل استرس) | 0.7 0.28 |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Cycles to Failure (ftg) را گسترش دهید ، سپس روی Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی قسمت Quality کلیک کنید . |
3 | در نوار ابزار Cycles to Failure (ftg) ، روی  Plot کلیک کنید . |
برای مشاهده بهتر نقاط بحرانی، می توانید براکت را بچرخانید و بزرگنمایی کنید. برای این منظور، داشتن یک گره View اختصاصی مفید است:
4 |  روی دکمه Show More Options در نوار ابزار Model Builder کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره‌ای Show More Options ، در درخت، کادر را برای گره Results>Views انتخاب کنید . |
6 | روی OK کلیک کنید . |
مشاهده سه بعدی 2
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Views کلیک راست کرده و View 3D را انتخاب کنید . |
2 | از ماوس برای چرخش، زوم و حرکت استفاده کنید تا زمانی که نقطه بحرانی را از نزدیک ببینید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای View 3D ، بخش View را پیدا کنید . |
4 | تیک گزینه Lock camera را انتخاب کنید . |
حالا این نما را روی نمودارها اعمال کنید.
استرس (جامد)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Stress (solid) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
3 | از لیست View ، View 3D 2 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار استرس (جامد) ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار حاصل را با نمودار 3 مقایسه کنید .
چرخه های شکست (ftg)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Cycles to Failure (ftg) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
3 | از لیست View ، View 3D 2 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Cycles to Failure (ftg) ، روی  Plot کلیک کنید . |
با شکل 4 مقایسه کنید .
نشانگر 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Cycles to Failure (ftg)>Surface 1 را گسترش دهید . |
2 | روی نشانگر 1 کلیک راست کرده و Disable را انتخاب کنید . |
3 | روی نشانگر 1 کلیک راست کرده و Enable را انتخاب کنید . |
