خستگی و شکست مواد و نرم افزارهای شبیه سازی آن

شبیه سازی و آزمون مکانیکی خستگی و شکست مواد فلزی ، کامپوزیتی ، هایپرالاستیک و ساختمانی

حد خستگی چیست

حد خستگی که استحکام خستگی یک پارامتر محاسباتی در مواد و متریال های مختلف است که در آن مشخص می شود که یک متریال در یک سیکل کاری، نسبت به حد تنشی که به آن اعمال می شود، چند بار می تواند این سیکل را انجام دهد.

حد خستگی: بیشترین تنشی که یک ماده برای یک تعداد سیکل تحمل می کند و شکسته نمی شود اصطلاحا حد خستگی یا استحکام خستگی یا حد دوام آن ماده گفته می شود.

قبل ازین موارد در مورد شکست نرم و ترد، مواد کامپوزیت چیست، خواص مکانیکی مواد، fatigue به فارسی مطالعه کنید.

آزمون خستگي ترمومكانيكي

اگر یک قطعه با ماده مشخص همزمان تحت بارهای حرارتی و مکانیکی قرار گیرد، خستگی ناشی از آن بارگذاری را خستگی ترمومکانیکی می گویند. در آزمون خستگی ترمومکانیکی (TMF Testing) مکانیزم های خرابی ناشی از تنش های چرخه ای حرارتی و مکانیکی مطالعه و ارزیابی می شود.

رایج ترین مثال این نوع آزمون پره های توربین گزاری است که مستعد این نوع خرابی هستند.

فتیگ چیست

فتیگ (Fatigue) که در زبان فارسی به خستگی ( فتیگ خستگی سازه ) مشهور هست، به شکست یک قطعه در اثر اعمال تنش های سیکلی که کمتر از استحکام نهایی و غالبا کمتر از تنش تسلیم هستند گفته می شود.

یکی از دلایل عمده خرابی قطعات در تجهیزات صنعتی خستگی است. شبیه سازی این نوع خرابی همواره یکی از چالشی ترین کارها در مدل سازی و شبیه سازی مهندسی است.

انواع تست خستگی

به طور مختصر 2 نوع تست خستگی رایج خمشی و محوری هستند.

خستگی مکانیکی

در صورتی که تنها بارهای مکانیکی منجر به خرابی خستگی یک قطعه شوند به آن خستگی مکانیکی گفته می شود.

k1c چیست

مقدار بحرانی ضریب شدت تنش در مود 1 بارگذاری که واحد سنجش مقاومت یک ماده در برابر رشد ترک تحت شرایط عمدتا الاستیک خطی در شرایط کرنش صفحه ای است که به آن چقرمگی شکست کرنش صفحه ای می گویند.

خستگی و شکست مواد و تجهیزات در شرایط واقعی تحت تاثیر نوسانات و ارتعاشات مختلف می باشند.

انواع رفتار خستگی در مواد

رفتار خستگی عموما به سه شکل می باشد:

• خستگی پرچرخه (High Cycle Fatigue)
• خستگی کم چرخه (Low Cycle Fatigue)
• خستگی ترمومکانیکی (Thermo Mechanical Fatigue)

تفاوت عمده بین خستگی پر چرخه (HCF) و خستگی کم چرخه (LCF) در مواد و متریال صنعتی

تفاوت عمده بین خستگی پر چرخه (HCF) و خستگی کم چرخه (LCF) در خستگی پر چرخه ، بارگذاری با دامنه کم و فرکانس بالا می باشد. این موضوع منجر به کرنش های الاستیک می شود اما در خستگی کم چرخه ، بارگذاری با دامنه زیاد و فرکانس کم می باشد. این موضوع منجر به کرنش های پلاستیک می شود.

خستگی کم چرخه در خستگی و شکست مواد

نوعی از خستگی است که عمر متریال کمتر از 10 هزار چرخه است. برای آزمون این خستگی، بارگذاری به صورت کنترل کرنش (Strain Control) انجام می شود.

بارگذاری در این نوع خستگی با دامنه بالا و فرکانس کم انجام می شود. این موضوع باعث کرنش های پلاستیک در آن می شود. در هنگام آزمون خستگی کم چرخه سه مرحله مدنظر است:

• جوانه زنی و تشکیل ترک در نمونه
• رشد ترک در نمونه
• خرابی نهایی نمونه (نمونه خراب شده می تواند با استفاده از تکنیک SEM برای اطلاعات بیشتر مطالعه شود).

شبیه سازی خستگی کم چرخه امری است که در سال های گذشته رشد چشمگیری داشته است. این نوع خستگی در انواع نرم افزار های اجزاء محدود به خوبی شبیه سازی می شود. پیش بینی آسیب ، رشد ترک و خرابی نهایی (معیار خرابی LARC05 | صفر تا صد معیار خرابی مواد کامپوزیتی | آباکوس) با دقت خوبی برای انواع قطعات با هندسه پیچیده و مواد مختلف در این نرم افزارها به خوبی کار شده است.

خستگی پرچرخه در متریال ها :

خستگی پرچرخه (HCF) نوعی از خستگی است که تعداد چرخه، منجر به شکست قطعه بیش از 10 هزار چرخه می باشد. معمولا تست را تا زمان شکست نمونه ادامه می دهیم.

بارگذاری این نوع خستگی با کنترل تنش (Stress control) انجام می شود. با انجام تعدادی تست و ثبت نتایج آن، نمودار S-N تولید می شود.

نمودار S-N :

نمودار S-N رابطه ای بین سطح تنش و عمر خستگی ماده در شرایط سرویس ماده می باشد. این شرکت علاوه بر انجام انواع تست های خستگی پرچرخه ، برنامه های اجزاء محدود متعددی جهت پیش بینی عمر قطعات کامپوزیتی و فومی تهیه کرده است.

استاندارد ASTM E466 شرایط و ضوابط انجام تست خستگی پرچرخه محری را برای مواد فلزی پوشش می دهد.

شبیه سازی اجزاء محدود خستگی و شکست متریال

شبیه سازی اجزاء محدود (FEA) خستگی و شکست با استفاده از نرم افزارهای اباکوس ، انسیس ، ال اس داینا انجام می شود. اما این نرم افزارها به صورت تخصصی برای شبیه سازی این نوع مسائل تهیه نشده اند و لازم است از نرم افزارهای جانبی و پلاگین های موجود استفاده کرد.

البته با استفاده از زیربرنامه نویسی و اسکریپت نویسی مساله مورد نظر راه حل پیشنهادی بعدی ماست. برخی برنامه هایی که در زمینه آنالیز خستگی و شکست مواد برتری دارند، در زیر معرفی شده اند.

• • 
    

    پلاگین هلیوس (Helius PFA):برای مواد پلیمری (کامپوزیت ، مواد گرما سخت و گرما نرم ) می باشد که دارای کتابخانه مواد بسیار خوبی است. امکان اضافه کردن متریال جدید به کتابخانه ی آن و کالیبراسیون آن وجود دارد.این نرم افزار در نرم افزارهای اباکوس و انسیس قابل استفاده است. پیش بینی خرابی با اکثر معیارهای معروف (هاشین ، پاک ، ماکزیمم تنش و …) و رشد آسیب در این پلاگین دیده شده است.برای مدل سازی آسیب خستگی در این نرم افزار از تئوری جنبشی شکست (Kinetic Theory of Fracture) استفاده می کند که برای کامپوزیت های بافته شده (Woven) و تک سویه مورد استفاده است.

    
    
• • 
    

    نرم افزار ام اس سی-فتیگ (MSC-Fatigue):
    شاید بهترین نرم افزار تخصصی برای خستگی مواد همین نرم افزار باشد. در سال 1991 با مشارکت nCode و MSC به وجود آمد.دارای انواع معیارهای خستگی چند محوره و تصادفی می باشد و  امکان تخمین عمر رشد ترک دارد. همچنین در صنعت به صورت گسترده استفاده می شود و کارپسند می باشد.امکان بهینه سازی عمر خستگی محصول در هنگام طراحی در این نرم افزار وجود دارد. تعیین عمر خستگی جوش و امکان پیش بینی خستگی ناشی از بارگذاری استاتیک ، دینامیک و حرارتی.

    
    
• • 
    

    نرم افزار اف ای-سیف (fe-safe):این نرم افزار بیشتر برای خستگی حرارتی کارا می باشد. امکان انتخاب و تعریف راحت ماده و بارگذاری دارد و آنالیز خستگی خزشی نیز در آن امکان پذیر است.قابل استفاده در نرم افزار های اباکوس، انسیس و نسترن (Nastran) می باشد. آنالیز خستگی الاستومرها توسط fe-safe/Rubber امکان پذیر است. برای انواع اتصالات و جوش امکان مدل سازی خستگی وجود دارد.

    
    
• • 
    

    فرنک (FRANC): رشد ترک به صورت گرافیکی با استفاده از قابلیت ریمشینگ (remeshing) نشان داده می شود.

    
    
• • 
    

    زنکرک (Zencrack): رشد ترک همانند نرم افزار فرنک نمایش داده می شود. قابل استفاده در اباکوس ، انسیس و نسترن می باشد.

    
    

آزمون خستگی متریال جهت تعیین حد دوام:

برای رسم نمودار S-N ، نمونه در آزمون خستگی تحت بارگذاری با تعداد بیش از 10 میلیون (10.0e+6) چرخه قرار می گیرد تا حد دوام (Endurance limit) یا استحکام خستگی آن تعیین شود. این آزمون ممکن است چند روز یا چند هفته به طول انجامد.
به همین منظور اغلب سیکل بارگذاری در فرکانس بالاتر اعمال می شود تا زمان تست کاهش یابد.

برای مواد فلزی ، استاندارد ASTM E466 فرکانسی بین 0.01 تا 100 هرتز را پیشنهاد می کند. در صورتی که فرکانس بارگذاری زیاد باشد دمای نمونه زیاد می شود و ممکن است تسلیم در ناحیه ای از نمونه رخ دهد.

این موضوع می تواند نشانه ای برای بیشترین مقدار فرکانس بارگذاری آن ماده باشد. در مقابل پلیمر ها و مواد پلاستیکی ، به دلیل اثرات هیسترزیس (Hysteresis effects) بیشتر متاثر از افزایش دما هستند.

این مساله با نقطه ذوب پایین آنها ترکیب شده و استحکام پایین تر خستگی در تست های با فرکانس بالا را حاصل می شود. پلیمر و پلاستیک ها معمولا در فرکانس 5  هرتز تست می شوند.

استاندارد های آزمون خستگی مواد

ASTM E8, E21 E399, E1290, E1820, E466, E606, E647, BS 7448, ISO 12135

• رشد ترک خستگی (da/dN)
• آزمون های مکانیک شکست (K1c, J1c, CTOD)
• تست خمش سه نقطه (3-point Bending)
• انواع آزمون در شرایط دمای اتاق و دما بالا
• آزمون کشش/فشار
• تست خستگی پرچرخه و کم چرخه
• آزمون رشد ترک در مواد الاستومری

سایر آزمون ها

مکانیک شکست مواد و متریال

مدل سازی عددی ترک خوردگی هیدروژنی

شرکت بنوموسی با ارائه جلسات منتورینگ آباکوس راهنمای شما عزیزان در جهت رفع و بهبود ایرادات فنی و مهندسی پروژه های صنعتی و دانشجوی تان در زمینه مدل‌سازی، تحلیل، و صحت‌سنجی نتایج می باشد. این جلسات به صورت آنلاین و حضوری برگزار می‌شود و نیم ساعت اول رایگان است. برای اطلاعات بیشتر و رزرو وقت، از صفحه منتورینگ اباکوس ما دیدن کنید.

برای استفاده از خدمات شبیه‌سازی و مشاوره رایگان ما، کافی است با ما تماس بگیرید. ما در تمام مراحل پروژه کنار شما هستیم تا بهترین نتایج را به‌دست آورید.

برای کسب اطلاعات بیشتر و دریافت منتورینگ ، لطفاً با ما تماس بگیرید یا از وب‌سایت Banumusagr بازدید کنید. تیم ما آماده است تا شما را در دستیابی به نتایج مطلوب در تحلیل‌های عددی و شبیه‌سازی‌های مهندسی یاری کند.

راه های ارتباطی با شرکت بنوموسی :

TELEGRAM : https://t.me/BanuMusaGr

ایمیل: info@BanuMusaGr.com

تلفن همراه:  388 20 55 0915

تلفن:  35424520– 51 (98+)

آدرس: مشهد – کیلومتر 12 بزرگراه آسیایی (جاده قوچان)- جاده شهرک صنعتی توس- شهرک فناوری صنایع غذایی و بیوتکنولوژی شمال شرق- معاونت صنایع کوچک- مرکز خدمات.